SA-CD

Wat is Super Audio CD (SA-CD)? 
 
Geluidsdragers door de jaren heen – van wasrol tot SA-CD
De manier van vastlegging van geluid is de afgelopen eeuw behoorlijk veranderd: van de wasrol van Edison rond 1877 tot de SA-CD ruim een eeuw later. Dat de geluidskwaliteit enorme sprongen voorwaarts gemaakt heeft, was te verwachten, maar opmerkelijker was de verandering van opslag (en weergave) van geluid. Tot de doorbraak van de CD gebeurde dit in analoge vorm, waarbij zowel de geluidsopname als -weergave d.m.v. groeven in een plaat of magnetische deeltjes op een band in analoge vorm vastgelegd werd. De CD veranderde dit in digitale vastlegging, waarbij door middel van reeksen digitale signalen het oorspronkelijke signaal `beschreven` werd.

In dit “Hoe werkt” artikel wordt de technische werking en het belang van de SA-CD uitgelegd.

Digitalisatie van geluid

Zoals in de inleiding al aangegeven, is de SA-CD een digitale geluidsdrager, waarbij het oorspronkelijke geluid in digitale vorm is vastgelegd. Om het voornaamste verschil tussen de CD en de SA-CD uit te leggen, wordt in dit gedeelte kort het basisprincipe van digitale vastlegging doorgenomen.

Wij horen geluid, stemmen en ook muziek door het laten trillen van lucht dat wij met onze oren waarnemen. Die trillingen zien er in hun eenvoudigste vorm als een sinusgolf uit.

Als we nu een denkbeeldig doorzichtig rasterpapier over die geluidsgolf heen zouden leggen en de ruitjes zwart zouden maken indien hier de geluidsgolf (of een deel ervan) door zou schijnen krijgen we een verzameling van witte en zwarte ruitjes die het oorspronkelijke signaal benaderen. Als we dan de zwarte ruitjes de waarde ‘1’ zouden geven en de witte een ‘0’ beschrijven we dus door een reeks ‘1’-en en ‘0’-en de geluidsgolf. Eenvoudig gezegd komt daar digitalisatie op neer. Natuurlijk is het complexer dan dat, maar voor de beeldvorming is dit een bruikbaar voorbeeld.

Uit het bovenstaande voorbeeld valt al snel te herleiden dat, zodra er een fijner raster van ruitjespapier gebruikt zou worden, het originele geluid nauwkeuriger beschreven zou kunnen worden. Alleen, om dat te doen moet je dan wel veel meer digitale informatie (de ‘0’-en en ‘1’-en) gaan vastleggen.

Om een geluidssignaal te digitaliseren, wordt vaak de Puls Code Modulatie (PCM) methode toegepast. Deze methode bestaat uit drie onderdelen: de sampling, de kwantificering en de encodering. Sampling deelt het analoge signaal op in kleine stukjes (de `samples`, in dit artikel te vergelijken met de grootte van de ruitjes); kwantificering geeft aan elke sample een bepaalde waarde (uitgedrukt in een aantal bits) en daarna volgt de digitalisering (encodering).

Bij dit laatste wordt meestal meteen compressie toegepast, omdat het handiger is niet alle losse ‘0’-en en ‘1’-en vast te leggen. Mochten er bijvoorbeeld honderd ‘0’-en achter elkaar voorkomen is het handiger om ‘honderd keer ‘0’ vast te leggen dan honderd keer één ‘0’ vast te leggen. Aan de andere kant kan te veel compressie weer details weglaten. Overigens wordt bij PCM geen compressie toegepast.

Op zich allemaal leuke achtergrondinformatie, maar het belangrijkste om te onthouden is: hoe hoger het aantal bits dat wordt gebruikt voor deze kwantificering, hoe nauwkeuriger en dus kwalitatief hoogwaardiger de digitalisering. Dit geeft aan, dat indien het mogelijk is een `fijnere` opslag van het originele geluidssignaal vast te leggen, de benadering van het originele signaal nauwkeuriger is. Anders gezegd: als je meer bits kunt gebruiken om het origineel te beschrijven, wordt het een meer nauwkeurige beschrijving van het origineel. Op een SA-CD valt ongeveer 64 keer zoveel informatie vast te leggen als op een normale CD. Dat schept de mogelijkheden voor een hogere geluidskwaliteit. Later wordt op dit aspect nader ingegaan in relatie tot de SA-CD.
 

Introductie van CD en SA-CD

Introductie van de CD

Philips en Sony introduceerden samen zo’n 20 jaar geleden de compact disc (CD). Dit was echt een revolutie in opslag en weergave van geluid. De CD was de eerste digitale geluidsdrager die zijn entree op grote schaal in de huiskamer deed. Het gebrek aan alternatieven (in die tijd) zorgde ervoor dat je niet na hoefde te denken of een CD werkte in je CD-speler: CD was CD… Punt! Sony en Philips legden de technische specificaties nauwkeurig vast in de zogenaamde `red book` specificaties. Als onderdeel van deze specificaties werd de samplingfrequentie op 44,1 kHz en de kwantificering op 16 bits vastgesteld. Eén seconde van het originele signaal wordt dus in meer dan 44 duizend stukjes geknipt (‘gesampled’) en aan deze stukjes wordt een bepaalde waarde toegekend (kwantificering). Dit laatste deel heeft echter een ‘beperkte keuze’ van toekenning aan deze samples van iets meer dan 65 duizend waardes (16 ‘bits’). Het kan dus voorkomen, dat bij het toekennen van een waarde de oorspronkelijke waarde benaderd moet worden, omdat deze niet exact op één van de 65 duizend mogelijkheden lijkt. Dit zijn de zogenaamde ‘kwantificeringsfouten’ die afbreuk doen aan het originele signaal.

Het lijkt heel wat als je de getallen zo ziet, maar hier ligt de bron van de nog steeds gevoelige discussie tussen voor- en tegenstanders van digitale geluidsbronnen. Één argument van de `analogen` is moeilijk weerlegbaar: digitale vastlegging is altijd een benadering van het originele geluid omdat je een grote, maar beperkte set van getallen hebt om het geluid te beschrijven.

Introductie van de SA-CD (If it ain`t broken, why fix it?)

Als de CD in 20 jaar tijd zo`n groot publiek weet te bereiken, dat ook jarenlang weet vast te houden en dat eerder uitbreidt dan inkrimpt (ondanks de opkomst van Internet als - helaas illegaal - distributiekanaal voor muziek), waarom zou je dan met iets anders of nieuws komen? CD’s hebben een brede acceptatie in de markt en het is een éénduidige norm die niet verwarrend bij het koperspubliek overkomt. Waarom zou je het dus willen veranderen?

Het antwoord ligt voor een deel in het voortschrijden van de techniek die de door Sony en Philips gedefinieerde ‘red book’ standaard voor CD langzamerhand technisch achterhaalde. In het gedeelte over digitalisatie werd al vermeld dat hoe fijner de opslag van digitale informatie, hoe nauwkeuriger het origineel beschreven wordt. Hiervoor moet je dus wel meer informatie vastleggen. Met de huidige opslagmogelijkheden van 4.7 GB kun je dus 64 keer zoveel vastleggen als op een CD. Maar niet alleen de opslagcapaciteit is vergroot, de verwerkingscapaciteit van die enorme hoeveelheid digitale informatie, tegen steeds lagere productiekosten, is door de jaren heen ook enorm toegenomen. De techniek die voor SA-CD wordt toegepast wordt Direct Stream Digital (DSD) genoemd en wordt later beschreven.

Op strategisch niveau spelen een aantal belangen voor de muziekindustrie mee: de opkomst van het Internet als distributiekanaal voor muziek baart deze industrie grote zorgen. In absolute getallen stijgt de verkoop van CD`s nog steeds maar vooral de belangrijkste doelgroep van de toekomst, de jongeren, veranderen hun gedrag m.b.t. de aankoop van CD`s. Er wordt nog steeds gekocht maar ook veel meer gedeeld middels kopieën en MP3 bestanden. De muziekindustrie heeft dan ook baat bij een goede kopiebeveiliging om niet te veel markt te missen. De SA-CD is inderdaad voorzien van zo`n beveliging in de vorm van een digitaal watermerk dat kopieren voorkomt. Ook geven vrijwel alle SA-CD spelers geen digitaal signaal uit om kopiëren zonder merkbaar kwaliteitsverschil te voorkomen.

Maar uiteindelijk is ook het feit dat de licenties die Philips en Sony voor elke CD geld opbracht verlopen na 20 jaar en dat is misschien wel de belangrijkste reden om met een nieuw medium te komen...

Gebruikte technieken achter SA-CD

De gebruikte technieken achter SA-CD

De basis van SA-CD wordt gevormd door een aantal nieuwe technieken zoals DSD en DST:

Direct Stream Digital (DSD)
De gebruikte techniek op een SA-CD is Direct Stream Digital (DSD). Het is gebaseerd op 1-bit technologie met een sampling frequentie van 2,8 MHz (64 maal hoger dan een CD!). Als we dus de vergelijking weer maken met het ruitjespapier in het begin van dit artikel, dan zou je kunnen zeggen dat bij SA-CD het raster 64 maal fijner is.

Het voornaamste voordeel van DSD boven de op CD gebruikte PCM methode zit voornamelijk in de eenvoud ervan. Het steeds verhogen van de samplefrequentie en kwantificering binnen PCM levert steeds wel weer een kwaliteitsverbetering op, maar deze verbeteringen staan niet in proportie met de complexiteit ervan. De oorzaak ligt voornamelijk bij de filters die gebruikt worden binnen PCM. Als we het hele proces doornemen van analoog naar digitaal en weer terug ziet dat er bij PCM als volgt uit: Eerst een (delta-sigma) analoog-digitaal converter , dan achtereenvolgens een digitaal decimeringsfilter, interpolatiefilter, een delta-sigma modulator en als laatste een analoog low pass filter. Klinkt erg ingewikkeld! Dan ziet de gebruikte techniek binnen DSD er een stuk eenvoudiger uit: een analoog-digitaal converter, een digitaal-analoog filter en een analoog low pass filter.
Het voordeel hiervan laat zich direct raden, hoe minder bewerking en filtering, hoe nauwkeuriger het digitale signaal in vergelijking met het origineel signaal blijft.

Direct Stream Transfer (DST)
SA-CD wordt middels de DST methode op de SA-CD disc gebrand. Hierdoor is het mogelijk om verliesloos (zonder toepassing van compressietechnieken) 70-80 minuten geluid in zowel 2-kanaals als (5.1) meerkanaals te zetten. Tevens is een zogenaamd `extra data gebied` gereserveerd voor songteksten, stilstand beeld etc. Overigens wordt tot op dit moment hier bijna geen gebruik van gemaakt.

kopieerbeveiliging en introductie

De kopieerbeveiliging

De muziekindustrie heeft hier de nodige aandacht aan geschonken op de SA-CD. Er zijn niet minder dan 5 verschillende beveiligingsmechanismes ingebouwd op de SA-CD. Zonder ze allemaal apart te behandelen komt het hierop neer: de huidige CD-rom en DVD spelers in PC`s kunnen SA-CD`s niet lezen. En aangezien vrijwel alle SA-CD spelers het DSD signaal niet digitaal uitgeven is het dus in eerste instantie al heel moeilijk het DSD signaal digitaal te kopieren of vast te leggen. Op de tweede plaats is het niet mogelijk een SA-CD disc te gebruiken zodra deze gekopieerd is. Dit heeft te maken met een versleutelingsmechanisme van de DSD inhoud. Ook wordt een onzichtbaar ‘watermerk’ gebruikt dat PSP-PDM (Pit Signal Processing-Physical Disc Mark) heet. Alleen met gelicenceerde (en dus geregistreerde) apparatuur is dit watermerk op de disc te schrijven. Behoorlijk complex dus en het heeft er ook alles van weg dat SA-CD dus niet eenvoudig kopieerbaar zijn.

Strategie voor introductie - vervanger of variant

Volgens mij heeft de introductiestrategie van DSD en de SA-CD gaandeweg een aantal wendingen genomen. DSD werd in eerste instantie ontworpen voor hoogwaardige digitale  opslag in professionele omgevingen, zoals bijvoorbeeld een geluidsstudio of ter archivering van zeldzame analoge opnamen. Nadien bleek deze techniek tegen acceptabele kosten ook toepasbaar voor de consumentenmarkt.

De eerste positionering van Sony en Philips was als een kwalitatief hoogwaardig, 2-kanaals geluidsdrager voor mensen die een betere geluidsreproductie dan de CD wilden. Een `niche` positionering voor de stereo-liefhebber zeg maar. Nu wordt de SA-CD steeds meer gepositioneerd als opvolger van de CD i.p.v. een hoogwaardig alternatief voor CD.

Stereo of meerkanaals

SA-CD heeft niet alleen een stereo geluidsspoor, ook meerkanaals (5.1) weergave is mogelijk. Deze mogelijkheid werd enigszins afgedwongen door de introductie van het DVD-Audio medium, dat ook als een kwalitatief hoogwaardig medium voor muziekopslag werd gepositioneerd en een meerkanaals (5.1) formaat voor muziekweergave met beperkte beeldweergave omvatte. Bij SA-CD is bewegende beeldweergave ook niet mogelijk.

Het is mogelijk op een SA-CD zowel een meerkanaals als stereo geluidsspoor op te slaan. Meerkanaals SA-CD-spelers kunnen beide geluidssporen afspelen. Er zijn echter ook stereo-spelers verkrijgbaar. Laatstgenoemde spelers kunnen geen meerkanaals opnames weergeven.

Technische varianten

SA-CD – technische varianten

Buiten het feit of een SA-CD 2- of meerkanaals geluidsinformatie bevat, zijn er ook een 3-tal fysieke varianten van SA-CD. Deze zien er aan de buitenkant allemaal hetzelfde uit, maar verschillen als volgt van elkaar:

Enkellaags (Single layer) SA-CD
In het geval van een enkellaags SA-CD bestaat de disc uit één High Density (HD) laag die de DSD informatie bevat. Dit type disc is alleen op een SACD speler af te spelen. 
 
Tweelaags (Double layer) SA-CD
Dit type SACD bevat twee HD lagen, kan dan ook dubbel zo veel informatie opslaan en is ook alleen afspeelbaar op een SA-CD speler

 

Hybride SA-CD
Deze disc bevat een normale CD laag en een HD laag. Het voordeel van dit type disc is dat hij af te spelen is op zowel een normale CD speler (die dan alleen de CD laag leest) als een SA-CD speler die de HD informatie uitleest. Op deze manier kunt u de SA-CD’s alvast aanschaffen voordat u een SA-CD speler koopt of de disc in uw CD speler in de auto luisteren en in de SA-CD speler thuis.

Voor- en nadelen van SA-CD

Voor- en nadelen van SA-CD

Wat zijn nu eigenlijk de voor- en nadelen van SA-CD? Als belangrijkste voordeel geldt dat de gebruikte DSD techniek op SA-CD de (technische) ruimte biedt om een zeer hoogwaardig geluid vast te leggen en weer te geven. De geluidsdrager (de SA-CD) is veel minder een belemmerende factor dan bijvoorbeeld een CD. Of het uiteindelijke resultaat natuurlijk ook zo hoogwaardig is, is natuurlijk niet alleen afhankelijk van de SA-CD. De opname, de mastering en de gebruikte productietechnieken spelen hier ook een belangrijke rol bij.

De toevoeging van meerkanaals (5.1 kanaals) geluid levert een realistischere beleving van het geluid, vooral bij klassieke muziek, dan een 2-kanaals weergave.

De muziekindustrie zal ook de uitgebreide kopieerbeveiliging omarmen in hun strijd tegen het illegale kopieergedrag van muziek.

Het grote nadeel van SA-CD is het feit dat een SA-CD (of universele-) speler noodzakelijk is om de disc af te spelen. Een uitzondering is de hybride disc die op een normale CD speler ook af te spelen valt maar daarbij bereik je niet de kwaliteitssprong die SA-CD biedt. Op dit moment zijn er te weinig hybride disc in de markt. Het overgrote deel verschijnt nog steeds op CD of op SA-CD waardoor je als consument moet kiezen. Indien besloten zou worden vanaf nu alles op hybride disc uit te brengen zou de consument zelf kunnen bepalen, na aanschaf van een SA-CD speler, of hij/zij gebruik wil maken van deze kwaliteitsverbetering. Het bekende kip en ei probleem dus.

De standaarden-`strijd` met DVD-Audio heeft uiteindelijk alleen maar verwarring, twijfel en dus uitstel van aanschaf door de consument opgeleverd. Door de komst van universele spelers tegen redelijke prijzen lijkt zich dit gelukkig op te lossen.

Te weinig mensen weten dat een meerkanaals SACD speler ook prima 2 kanaals geluid kan weergeven. De gedachte heerst nog te vaak dat de bestaande installatie volledig vervangen zou moeten worden door een meerkanaals omgeving.

Vergelijking SA-CD met CD en DVD, conclusie

Vergelijkingsoverzicht tussen CD, SACD en DVD

Conclusie

SA-CD is meer een welkome evolutie dan een echte revolutie zoals de introductie van de CD. Het belangrijkste argument van de `analogen` onder ons dat digitaal altijd slechts een beschrijving van het origineel blijft, is ondertussen met de komst van de SA-CD niet meer zo steekhoudend. De in SA-CD gebruikte DSD techniek is een absolute stap voorwaarts in de reproductie van muziek waarbij het meerkanaals formaat echt bijdraagt aan een waarheidsgetrouwe beleving van muziek.