Teknoloji geliştikçe, dijital ses formatları da değişmekte ve “analog sound”un bir adım önüne geçmeye çalışmaktadır. Bugün yeni ve devrimci bir format piyasadaki yerini alıyor. Süper Audio CD, sinyalleri “analog ses”in çok yakınına taşıyabilen bir sistem. PCM’den farklı olarak, Direct Stream Digital Encoding kullanmakta. Bu yazı, SACD’nin getirdiği teknolojilere genel bir bakıştan ibārettir. Söz konusu teknolojiler; format, şifreleme, editleme ve kopya koruma olarak değerlendirilebilinir.

Süper Audio CD, Direct Stream Digital olarak bilinen yeni bir tür şifreleme sistemini kullanabilmek için geliştirilmiş, yüksek çözünürlüklü bir formattır. Direct Stream Digital (DSD) 2.8 MHz’de örneklenmiş 1 bit çalışan dijital bir sistemdir. Bu da, bir PCM ses cd’sinden 64 kat fazla örnekleme hızı ve 64 kat fazla örnek içermesi demektir. CD’den farkı, gürültü kaynaklarının (artifacts) ve 44.1kHz/16 bit (CD kalitesi) veya 24 bit dijital sistemde bulunan ‘Dijital Sound’un olmayışıdır.

Birçok mühendis, sanatçı ve eleştirmen DSD’yi çok fazla “analog benzeri” olarak yorumluyorlar. ABKCO Records’un başkan yardımcısı Jody Klein şunları söylemiştir:

Elimizdeki kayıtları yalnızca bir kere transfer etmeye ve üç formatla eşzamanlı yürümeye karar verdik. Yarım inch, 30 ips analog tape’i denemek istedik. Bir de işlerin nasıl yürüdüğünü bildiğimiz PCM dünyası vardı. Daha sonra DSD’yi duydum. Üçünü de dinleyebileceğimiz bir zincir kurduk. Transfer ederken orijinal master’a karşın, analog kopyayı çaldık; kulağa iyi geliyordu. PCM daha iyiydi. DSD düğmesi ise çalışmıyordu, çünkü sesin kaynağı ve DSD arasında hiçbir fark duyamıyordum! Sonunda neler olduğunu anladım. DSD çalışmıyor gibi gelmişti, çünkü master’ın tamamen aynısını çalıyordu.

(Verna, Paul. Satisfaction!, Mixonline, 2002)[1]

DSD sistemin nasıl analog kaydedilmiş bir master gibi duyulduğunu anlamak için; her iki PCM ve DSD sisteme de aktarılan analog master’ların yüksek frekanslarını analiz edebilir ve aradaki farkı inceleyebiliriz. Yüksek frekanslarda farkı görmek daha kolaydır, çünkü bir ses dalgasının harmonik içeriği, dijital bir kayıt sisteminin nyquist frekansına yaklaştıkça daha da sınırlı hale gelir. Örneğin, 16 bit / 44.100 Hz PCM sistemde kaydedilmiş bir 10 kHz kare ses dalgası Şekil-1’deki biçimde grafik edilebilir.

Teorik olarak, periyodik bir kare ses dalgasında sonsuz sayıda ‘tek harmonik’ bulunur (1-3-5...). Ya da şöyle söyleyebiliriz: basit bir periyodik sinüs dalganın sonsuz sayıdaki tek doğuşkanları toplamı kare bir dalga elde etmemizi sağlar. Dijital bir PCM sistemde (44.1 kHz-48 kHz) filtreler, nyquist frekansdan itibaren üst frekansları kesecektir ki bu da ancak ikinci bir doğuşkanın (20khZ) üretilebileceğini gösterir, daha fazlasını değil. 44.1 kHz ve 48 kHZ sistemlerindeki filtrelemeyi Şekil 3’te görebiliriz. PCM sistemlerde 10 kHZ ana frekansın üçüncü doğuşkanı olarak 30 kHz bir dalga bu filtreleme sonucu üretilemez. Bu nedenle sonuçta elde edilen dalga şekli kareden çok sinüs olacaktır. (Daha fazla ayrıntı için Fourier Serileri’ni inceleyiniz).

Şekil 3. 44.1 kHz ve 48 kHz örnekleme hızında filtreleme.

 Şekil-2’de, DSD sisteminde kaydedilmiş ve yeniden üretilmiş bir kare dalga formu görüyoruz. Bu da doğuşkan içeriğinin sesi doğal veya analog  şeklide hissetmenin ne kadar önemli olduğunu gösteriyor. Bu denklem, kare bir dalga fonksiyonunun matematiksel temsilini gösterir. Gördüğümüz üzere, 0’dan başlayan toplam, 0 için (eğer fundamental kabul edersek ), bir ses dalgasının en temel ve basit formu olan sin x’e eşitlenir. Kare bi dalganın, filtrelendiğinde sinüs bir dalga gibi duyulmasının veya o şekilde üretilmesinin sebebi işte budur. Kompleks bir ses dalgasını filtrelediğinizde, en basit anlatımla doğuşkanlarının bir kısmını veya tamamını silmiş veya iptal etmiş oluruz.

 Aşağıdaki resimde, bir analog, bir 48 kHz, bir 96 kHz, bir 192 kHz ve bir Direct Stream Digital sistemin (6 dB giriş of 3 ms’lik zaman aralığında) impulse cevabının karşılaştırmasını görebiliriz.

 Resim 1.  Bir analog, bir 48 kHz, bir 96 kHz, bir 192 kHz ve bir Direct Stream Digital sistemin (6 dB giriş of 3 ms’lik zaman aralığında) impulse cevabı [3]

Direct Stream Digital

Direct Stream Digital (DSD), kompakt disk veya konvansyonel bilgisayar ses sistemleri tarafından kullanılan Pulse Code Modulation’dan çok farklıdır. DSD 1 bittir, 2.8224 megahertz örnekleme hızına sahiptir ve 1 bit quantizasyon gürültüsünü ultrasonik (insan kulağı tarafından duyulamayan) frekanslara kadar itmek için gürültü şekillendirme quantizasyon tekniklerini kullanır. Bu da , formata CD’den daha büyük bir dinamik aralık ve daha geniş bir frekans aralığı verir. Sony ve Philips tarafından, promosyonal materyallerde bu sistemin 20 Hz’den 20 kHz’ye kadar 120 db’lik dinamik bir aralığa ve 100kHZ’e kadar genişletilmiş bir frekans aralığına sahip olduğu söylenir. Birçok SACD çalar ise üst limit olarak 80-90 kHz göstermektedir.[4] Şekil-4, DSD sistemdeki bir gürültü şekillendirme işleminin sonucunu göstermektedir.

Şekil 4.  DSD sistemdeki gürültü şekillendirme. [5]

Standart PCM teknolojisinin ana problemi; 20 kHZ’in üstündeki ( spesifik olarak 22.05 kHZ ) frekansları bloke etmek için keskin filtrelere ihtiyaç duymasıdır,  ki bu filtreleri inşa etmek kolay değildir. Aynı zamanda, örnek sayısını çoğaltmak ( up-sampling ) ya da azaltmak ( down-sampling ) için kullandığı dijital filtreler ek bir re-quantizasyon gürültüsüne de ihtiyaç duymaktadır. Bu problemler, yeniden üretilen sesin aslına uygunluğunu (çözünürlüğünü) zedeler. DSD ise tüm filtreleri kaldırarak sesi direkt olarak 1 bit, 64x over-sampled delta-sigma modülasyonu formunda kaydeder (Şekil 5).

Şekil 5. PCM ve DSD sistemlerinde kayıt ve re prodüksiyon. [6]

 1 bit’in ne şekilde quantize edildiği ve depolandığı konusunu basitçe şöyle düşünebiliriz; Bir örnekleme periyodunda elde edilen değer, daha önceki örneklemelerden negatif geri besleme döngüsünde (şekil 6) toplanan değerin üzerine çıkar ise dijital çıkış değeri bir adet “1” olur, altında kalırsa “0” olur. Sonuç olarak, full pozitif dalga formlarının hepsi 1, full negatif dalga formlarının hepsi 0 olur.   Değişen 1’ler ve 0’lar 0 noktasını temsil eder. Şekil 7, delta-sigma analogdan dijitale konvertörün analog girişi ve dijital çıkış pulse’ı arasındaki bağlantıyı ortaya koymaktadır.

Şekil 6.  Analog giriş ( sol ) ve dijital çıkış ( sağ ). [7]

Şekil 7.  Pulse Treni. [8]

 SİGMA DELTA MODÜLASYONU

Bu bölümde, (Sigma-Delta) konvertörlerinin çalışma prensibi anlatılmıştır. Örnek olarak, aşağıda birinci mertebeden bir sigma-delta konvertör devresi gösterilmektedir. Giriş voltajı olarak 1 volt, referans voltajı olarak da 2.5 volt alınmıştır. Devre, esas olarak bir integratör, bir komparatör ve bir DAC’dan oluşmaktadır.

Şekil 8.a [9]

 a)      1-volt giriş voltajı devreye girer (Şekil 8.a).

Şekil 8.b

 b) Şimdilik 0 olan DAC çıkış değeriyle toplanır ve integratöre doğru yoluna devam eder (Şekil 8.b).

Şekil 8.c

 c) Bir integratör, bir önceki integrasyon aşamasında depoladığı değeri bu yeni gelen değere ekler. Şu durumda eski değer 0’dır, çünkü önceki aşamada bir integrasyon yoktu. Yani; 0 (önceki aşama) + 1 (gelen)= 1. İntegratörden sonra komparatör değeri alır ve gelen değerin negatif veya pozitifliğini kontrol eder. Eğer pozitif ise dijital çıkış 1, negatif ise 0 olur. Bu kez dijital çıkış 1’dir, çünkü gelen değer +1’dir (Şekil 8.c).

Şekil 8.d

 d) Çıkış değerinin kopyası DAC’a gider, DAC değerin 0 veya 1 olduğunu kontrol eder ve gelen değere göre negatif veya pozitif bir referans voltajı (+/- 2.5 volt) çıkarır. Bu durumda gelen değer +1 olduğu için çıkış +2.5 volt’tur (Şekil 8.d).

Şekil 8.e

 e) Bu değer (+2.5 volt), giriş voltajıyla toplanmadan önce -1’le çarpılır. DAC’dan sonra değer +2.5 volttu, fakat +1 giriş değeriyle toplanırken -2.5 olarak alınır. Toplama işleminden sonra [1+(-2.5)=-1.5]  integratöre giden değer -1.5 volt’tur (Şekil 8.e).

Şekil 8.f

 f) İntegratör, gelen değeri bir önceki aşamada depoladığı değerle toplar. Geçen sefer bu değer +1’di. Toplam [+1+(-1.5)=-0.5] -0.5'tir ve komparatöre doğru devam eder (Şekil 8.f).

Şekil 8.g

 g) Komparatör çıkışı, negatif gelen değer yüzünden 0 olur. 0’ın bir kopyası DAC’a gider ve DAC -2.5 volt dışarı verir (Şekil 8.g).

Şekil 8.h

 h) -2.5 volt önce -1’le çarpılır, sonra (giriş voltajı ile) +1’le toplanır. Toplamda, integratöre giden 3.5 volt olur (Şekil 8.h).

Şekil 8.i

i) İntegratör bu 3.5 voltu -0.5 voltla (önceki değer) toplar ve dışarı 3 volt verir. Komparatör bu değeri kontrol eder ve bir dijital 1 çıkarır (Şekil 8.i).

Sonuçta; “1 0 1” gibi bir dijital çıkışa sahip oluruz. İşte bir sigma-delta konvertör temel olarak bu şekilde çalışır.

DİNAMİK ARALIK

Sigma-delta konvertörlerinin doğası nedeniyle DSD ve PCM’in dinamik aralıkları ve frekans aralıkları arasında doğrudan bir karşılaştırma yapılamaz. Fakat yaklaşımda bulunmak mümkündür ve DSD’nin bazı açılardan 20 bit bit-derinliği ve 88 kHZ örnekleme frekansı olan PCM formatı ile karşılaştırılmasına imkan verir.  Bu da DSD’yi 192 kHZ’de 24 bit örneklemesiyle DVD-Audio PCM arasında en yüksek çözünürlük formatına karşı bir rakip yapar.

DSD, PCM ile kullanılan rekonstrüksiyon filtrelerinin tipik çınlama efektlerini göstermediği için, iki format yüksek frekanslı seslerdeki çözünürlük açısından farklılıklar gösterirler. Öte yandan,  yüksek gürültü şekillendirme tekniklerinin güçlü bir şekilde kullanımına bağlı olarak 20 kHz’nin üzerindeki frekanslarda DSD’nin dinamik aralığı hızla azalırken, PCM’in dinamik aralığı her frekans için aynıdır (http://www.answers.com/topic/super-audio-compact-disc).

Sony ve Philips 1 bit’lik DSD işleminin PCM’den üstün olduğunu iddia etse de piyasaya sunulan hemen hemen her birim (buna Sony’nin SACD çalarları da dahil) DSD data dizilimini DA konvertörlerinden çıkarmadan önce 88 kHZ PCM’e çevirir.

MEDYA

SACD iki katmanlı hybrid bir disktir; katmanlardan biri geleneksel “Red Book Audio” 16bit / 44.1kHz CD standardını içerir, böylece bu yeni disk standart cd çalarlarda da çalışır. İkinci ve yüksek yoğunluklu katmanı ise SACD çalarlarda çalışır ve 2 kanallı(stereo) ve çoklu kanallı (6 kanal veya surround) olarak ve DC’den 100kHZ’e kadar frekans aralığı ve 120 dB’den büyük bir dinamik aralık sunar. (Al Rashid, Shahin, 2001, Super Audio CD Production Using Direct Stream Digital Technolog). Bu değerler bir CD’nin sahip olduklarından çok daha üstündür, çünkü teorik olarak bir CD’nin dinamik aralığı ancak 96 db’dir (1 bit-6db).

Ayrı bir katmanda CD formatında stereo mix bulundurmak, bu disklerin mevcut CD çalarlarla uyumlu olmasını sağlar. SACD katmanı, yalnızca spesifik olarak SACD için tasarlanmış çalıcılarda çalışır. Fiyat aralığı ve seçenekler genişledikçe, bu çalıcıların üretici listesi de günden güne uzamaktadır. SACD’nin yüksek yoğunluklu katmanı text, grafik ve video depolanmasına izin vererek çalma esnasında multimedya bir performans sergilenmesine de olanak tanır.

Süper Audio CD, Tek Katmanlı Disk (bir adet yüksek yoğunluklu katman içerir), Çift Katmanlı Disk (ekstra kayıt süresi için iki adet yüksek yoğunluklu katman içerir)  ve Hybrid Disk (bir adet yüksek yoğunluklu katman ve her türlü playerlarda çalmak için bir de standart CD katmanı içerir) olarak üç farklı disk varyasyonu sunar.

Üç tip data dizilimi (DSD, multi kanal DSD ve CD) aynı program materyaline de sahip olmak zorunda değildir. Bazı şirketler 4.7 GB DSD katmanının tek diske kaydedilmeye değer çeşitli CD’leri bir diske basmak için ideal bir araç olduğunu düşünüyor. Çünkü, teorik olarak SACD 256 dakikalık yüksek çözünürlüklü stereo depolayabilir.

KOPYA KORUMA

SACD teknolojisi, yüksek çözünürlüklü ve çok kanallı ses özelliklerinin yanında, formatındaki çok katmanlı kopya koruma ve şifreleme nedeniyle son derece güvenlidir. Bunlar; Görünmez Watermark (Invisible Watermark), İçerik İzin  Kontrolü (Content Access Control), Süper Audio CD İşareti (Super Audio CD Mark) ve Çalım Kontrolü (Playback Control)’dür. Tümü Sony ve Philips’in geliştirdiği yeni teknolojilerdir.

Görünmez Watermark:

Görünmez Watermark’a PSP-PDM (Pit Signal Processing-Physical Disc Mark) da denir. PSP-PDM’i kaydedilebilir bir diske yazmak çok zordur. Yalnızca Süper Audio CD lisanslı ekipmanla master edilirken kullanılabilir. Bu sistem playback kontrolü için kullanılır (Bir Süper Audio diskin çalımının başlatılması için gereklidir). PSP-PDM aynı zamanda içerik izin kontrolü için de kullanılır (disceramble anahtarının bir kısmı PSP-PDM’de gizlidir).

İçerik İzin Kontrolü:

DSD içeriği Süper Audio CD şifresi vasıtasıyla harmanlanarak karıştırılmıştır. Süper Audio CD’nin şifre algoritması senkronize bir akım şifresidir. Bu şifrelemede kullanılan key-stream jeneratörü clock kontrollü shift register’lar üzerine kuruludur. Şifre algoritması, donanımda yüksek performans elde etmek için optimize edilmiştir.

Süper Audio CD şifre algoritması çalışmak için iki anahtara ihtiyaç duyar:

1-     Diskte gizli olan PSP-PDM anahtarı

2-     IC’de saklı bir anahtar olan Ana Değer. Bu anahtar değerleri tek bir IC dışında kullanıma açık değildir ve IC’ler arasında transfer edilemezler.

Süper Audio CD İşareti:

Disk Giriş Kontrolü. Süper Audio CD işareti belirli disk parametrelerini gizler. Sürücüler okumaya başlama için bu bilgiye ihtiyaç duyarlar. Böylece, uyumsuz bir sürücü herhangi bir Süper Audio CD diskinden veri elde edemez.

Playback Kontrolü:

DSD, ancak PSP fiziksel disk işareti bulunduğunda çalabilir. PSP-PDM’i kaydedilebilir bir diske yazmak çok zordur. Bu, diskin orijinal olduğunu işaret etmek için mükemmel bir imzadır. (Sony-Philips, 2001, www.superaudio-cd.com/technology_explained/detailed_information/whitepaper.pdf)

DIRECT EXTREME DIGITAL ( DXD )

1 bitlik çalışma prensibinden dolayı DSD’ye “Pulse-Density Format” denir. Daha önce söylediğimiz gibi, DSD yüksek çözünürlüklü analog teyp kayıtlarını depolamak için çok uygundur. Fakat DSD’nin olumsuz bir özelliği de vardır: gürültü şekillendirme özelliği bir şekilde pulse’ı bozar. Ayrıca DSD’yi editleme imkanı yoktur. SACD’nin Direct Stream Digital yüksek çözünürlülüğünden faydalanmak ve kaydı editleyebilmek için, kaydı analog teyp kayıt cihazı veya herhangi bir yüksek çözünürlüklü PCM formatı gibi yüksek çözünürlüklü bir cihazda yapmak gerekir. Editleme işleminden sonra kayıt DSD’ye konvert edilebilir ve SACD’ye kaydedilebilir. Fakat hangi kayıt formatı kullanılmalıdır? Kompakt diskin 16 bit ve 44.1 kHZ’lik formatı veya dijital bir kaset kayıt cihazının 48 kHZ’lik formatı yüksek çözünürlüklü formatlar olarak adlandırılamaz.

Eğer 1 bitlik bir formatta editleme mümkün değilse, düşük bit’li ki 5 bitlik bir formatta mümkündür. Bu yüzden yeni bir kayıt formatına ihtiyaç duyulmuş ve geliştirilmiştir: DXD (Direct Extreme Digital). DXD editlemenin mümkün olduğu bir formattır. Yüksek bir örnekleme frekansı ve önceki 44.1 kHZ ve 16 bitlik dijital formattan daha yüksek bir çözünürlüğü vardır. DXD düşük bit-derinliği ve vuruş genişliği olan bir formattır. DSD kayıt sistemlerinin kullandığı gürültü şekillendirme seviyesinin yaklaşık yarısını kullanır. Bu, aynı zamanda pulse’ın düzgünleştirildiği anlamına da gelir (Bruil, 2006).[10]

Herhangi bir formatta yapılan herhangi bir kayıt DXD’ye konvert edilebilir. Sinyali DXD’de editlendikten sonra DSD’ye konvert edilebilir ve SACD’da depolanabilir. DXD’nin kullanım amacı SACD’dan daha iyi sound alabilmektir. DSD ve DXD için çok fazla konvertör veya editleme-kayıt yazılımı ve donanımı yoktur, fakat yakın gelecekte bunlardan fazla sayıda bulunabilecektir.

SONUÇ

Yukarıda anlatılanlardan da anlaşılabileceği üzere, SACD’lerin hayatımıza girmesi, müzik alışkanlıklarımızı az da olsa değiştirecektir ki,bu, çoğu kişide büyük bir etki yarat(a)mayabilir çünkü müzik prodüksiyon alanında çalışanlar dışında kalan bir çok insan için bu kalite ve getirdikleri bir ayrıntı olarak kalabilir. Böyle düşünmemdeki asıl sebep ise; hālen MP3, WMA, vs… gibi ses ve bileşenleri açısından son derece kalitesiz ve aynı zamanda kayıplar-hatalar içeren formatların en çok kullanılanlar içinde yer alarak, bu şekilde kullanımlarının sürekli artmasıdır. Bütün bu verilerin de ortaya koyduğu üzere; sonuçta müzik dinlemenin, çok büyük bir kitle için, kaliteli ses dinlemekten bağımsız olduğu gerçeği ile karşı karşıya kalmaktayız.