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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Come suonano i CD (speculazione e realtà). Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Audio Il formato digitale per la registrazione di CD audio (CD) Audio CD si è affermato saldamente nel mercato delle apparecchiature audio di consumo. Nella letteratura popolare amatoriale e professionale, vari autori hanno ripetutamente parlato dei vantaggi e degli svantaggi di questo formato. In questo articolo, in base alla mia esperienza, cercherò di sfatare alcune idee sbagliate. In [1], l'autore sottolinea l'inopportunità di copiare cassette compatte da CD, riferendosi al fatto che la qualità del suono di un CD, a suo avviso, può essere equiparata alla qualità del suono di apparecchiature di riproduzione sonora analogica di 3a classe . In questo articolo (che è molto interessante), l'autore ha messo in dubbio il teorema di Shannon (o, come viene chiamato nella letteratura russa, il teorema di Kotelnikov). Assumiamo che l'ingresso del convertitore analogico-digitale (ADC) riceva un segnale con uno spettro distribuito uniformemente nella banda di frequenza da 0 a 20 kHz (Fig. 1a). Se viene eseguita una conversione da analogico a digitale con una frequenza di campionamento fg = 44,1 kHz (leggermente superiore a quella del teorema di Shannon), e quindi viene eseguita una conversione da digitale ad analogica inversa allo stesso fg, allora le bande spurie con frequenze centrali che sono multipli di fg (Fig. 1b). Semplicisticamente, questo fenomeno può essere chiamato la trasformazione di segnali sinusoidali elementari in segnali di forma complessa (ad esempio, il caso descritto in [1] di convertire un singolo segnale sinusoidale di 20 kHz in un meandro con la stessa frequenza).
Per comprendere meglio l'essenza di ciò che sta accadendo, passiamo alla conversione dei segnali periodici armonici dal dominio del tempo al dominio della frequenza. La Figura 2 mostra graficamente questo processo. Nel piano temporale UOt viene tracciato un grafico di un segnale periodico. Se scomponiamo una funzione rappresentata graficamente usando la Trasformata Discrete di Fourier (DFT), la Trasformata Fast Hartley (FHT) o la Trasformata del Coseno Discreta Moderna (DCT) in armoniche e tracciamo la loro ampiezza con uno spostamento lungo l'asse della frequenza Of, possiamo vedere che il il segnale originale nel suo spettro contiene due armoniche con ampiezze U1 e U2. In pratica, la dipendenza dal tempo dell'ampiezza viene osservata utilizzando oscilloscopi e la dipendenza dalla frequenza viene osservata utilizzando analizzatori di spettro.
Se si esegue la DCT di segnali sinusoidali e quadrati con una frequenza di 20 kHz a fg = 40 kHz, si otterrà il risultato mostrato rispettivamente in Fig. 3 aeb. Come puoi vedere, nello spettro di un segnale rettangolare, oltre alla frequenza fondamentale, sono presenti molte armoniche con frequenze multiple della fondamentale e ampiezze che diminuiscono all'aumentare del numero armonico. Usando un filtro passa-basso (cioè eliminando tutte le armoniche "extra"), puoi ottenere un segnale sinusoidale da uno rettangolare. Questo processo può essere ottenuto utilizzando sia metodi analogici che digitali.
Se ora, sapendo che all'uscita del DAC, il segnale dalla sinusoidale diventa rettangolare, cioè le bande spurie compaiono nello spettro (Fig. 16), utilizzare un filtro passa-basso con una frequenza di taglio fcp = 20 kHz, tutte le bande spurie che sono multipli di fg possono essere rimosse dal segnale risultante. I filtri passa-basso attivi dell'ennesimo ordine si trovano solitamente in tutti i lettori CD, se non direttamente nel circuito, quindi come parte dei DAC integrati. Le armoniche parassite nel segnale compaiono a causa dell'imperfezione della risposta in frequenza del filtro passa-basso incluso all'ingresso e all'uscita dell'ADC e del DAC (Fig. 4). Di conseguenza si verifica la sovrapposizione degli spettri dei segnali generati dal DAC, e il livello delle componenti parassite è tanto più basso quanto più "ripida" è la risposta in frequenza del filtro passa-basso e maggiore è l'attenuazione nella sua stopband.
Aumentare fg di un fattore 4 o 8 rispetto alla frequenza di Nyquist (la frequenza superiore del segnale) consente di spingere leggermente le componenti dello spettro del segnale all'uscita del DAC, tuttavia, ciò aumenta irragionevolmente il flusso di dati digitali, che non può essere ridotto utilizzando lo standard AudioCD. Solo migliorando le caratteristiche del filtro passa-basso prima dell'ADC e dopo il DAC, è possibile far fronte all'aumento delle interferenze create dalle bande parassite laterali. I moderni PCD con un filtro passa-basso di almeno 6 ordini affrontano con successo il compito di filtrare il segnale dopo il DAC, fornendo un'attenuazione del rumore spurio di almeno 90 dB. La larghezza di banda dei canali audio in questo caso è 20 ... 21600 Hz con un'irregolarità di 5 * 10-3 db. Questi parametri sono notevolmente superiori a parametri simili di apparecchiature di riproduzione del suono analogico di tutte le classi. Da quanto sopra, possiamo concludere che quando si campiona un segnale con fg = 2fB, è necessario stringere i requisiti per il filtro passa-basso all'uscita del DAC PKD. In [1], l'autore riporta anche la compressione del segnale prima della registrazione su CD, nonché la formazione di un taglio di frequenza nelle registrazioni effettuate da questi CD nella regione di 20...200 Hz. Più precisamente, il blocco raggiunge una frequenza di 1 kHz, che è considerata un riferimento per la tecnologia delle frequenze audio. Come segue dalla teoria dell'immunità al rumore, durante la trasmissione di segnali (incluso l'audio), è consigliabile comprimere i segnali con un'ampia gamma dinamica e banda di frequenza prima della trasmissione, cosa che è stata messa in pratica con successo dal ricercatore americano Dolby. L'espansione del segnale viene eseguita nel VPC su richiesta dell'utente. Vale la pena notare che nella maggior parte delle unità CD-ROM che riproducono CD, l'espansore è effettivamente assente. La sua funzione è sostituita da un filtro passa-basso, disponibile nella stragrande maggioranza delle schede audio e negli altoparlanti attivi (pulsante "Bassi"), che aumenta il livello dei bassi, ma non può essere un completo analogo di un expander. La parte digitale del PCD ha la capacità sia di correggere che di mascherare gli errori, ed è possibile correggere sia gli errori dovuti alla scarsa qualità della registrazione sul CD stesso, sia i difetti della sua superficie. Tuttavia, questa funzione del PKD non può essere sopravvalutata, poiché i codici utilizzati in esso per la verifica correggono un numero finito di errori e il loro numero durante il funzionamento del PKD (danno meccanico), purtroppo, cresce. Pertanto, durante la riproduzione di CD di bassa qualità, in particolare quelli che hanno subito un uso intensivo, la qualità del suono dei CD viene notevolmente ridotta. Lascia che ti fornisca questo fatto come esempio. Un codice di correzione a tre bit di una parola a quattro bit (con correzione di Hamming) corregge non più di 1 errore. Pertanto, è necessario disporre di un record tale che l'errore si verifichi non più di 1 volta per 7 bit di informazioni. Naturalmente, nel VPC vengono utilizzati codici di correzione più potenti, ma c'è ancora qualche limite al numero di errori. Un ruolo importante è svolto anche dalla qualità dell'attrezzatura su cui è registrato il CD; la qualità della matrice da cui i CD vengono replicati durante la loro produzione in serie; così come le condizioni di funzionamento del CD. Si ritiene che lo stesso brano musicale, registrato su un CD su apparecchiature diverse, suoni in modo diverso. Questo è vero, perché il VCD cerca di correggere (mascherare) gli errori che si verificano durante la riproduzione di CD registrati utilizzando apparecchiature di scarsa qualità. Schematicamente, il processo di occorrenza e mascheramento degli errori è mostrato in Fig.5. Lasciate che negli istanti t1-t2 e t3-t4 il segnale sia influenzato da rumore impulsivo (Fig. 5a). Il dispositivo correttivo lo segue e lo sostituisce con letture adiacenti "inalterate" (Fig. 56), ad es. interpola il segnale. Tuttavia, se applichi DCT al segnale ricevuto e ne analizzi lo spettro, puoi vedere bande spurie in esso. Se il filtro a bassa frequenza all'uscita del DAC "combatte" con successo con i componenti ad alta frequenza, l'interferenza a bassa frequenza viene sovrapposta al segnale risultante, creando distorsioni specifiche, particolarmente evidenti durante l'interferenza a lungo termine.
C'è un'indicazione in letteratura che i cosiddetti "DAC a bit singolo" hanno parametri peggiori di quelli multi-bit. In particolare, nei DAC a bit singolo si osserva un valore maggiore di jitter di fase ("jitter"). La Figura 6 mostra un diagramma funzionale di un DAC CS4328 a bit singolo di Crystal Sem. I dati seriali (possono essere presentati in 4 formati) vengono inseriti nel convertitore di ingresso (IP), che li converte in flussi paralleli a 18 bit di due canali. I segnali attraverso gli interpolatori digitali (DI) vengono inviati ai modulatori delta digitali (DM), che formano flussi di dati a un bit con un "sovracampionamento" di 64 volte. Inoltre, i segnali vengono inviati a DAC a un bit, un filtro passa-basso di sesto ordine e attraverso amplificatori buffer vengono inviati all'uscita del circuito.
Poiché il microcircuito utilizza DAC a bit singolo più semplici ed economici, il costo del dispositivo diminuisce con un leggero deterioramento dei suoi parametri. Il generatore di clock (TG) che guida il DAC è bloccato dal PLL al clock CLK in ingresso, il che riduce il jitter. Il filtro del condensatore commutato consente di utilizzare il circuito a qualsiasi frequenza di clock (ovvero, non è necessario riconfigurare il filtro passa basso). La gamma dinamica del chip raggiunge i 93 dB. Indubbiamente, al momento del rilascio dei primi VRM, i dispositivi di questa classe avevano caratteristiche paragonabili o superiori a quelle delle apparecchiature di riproduzione del suono analogico di fascia alta. Le soluzioni circuitali di vari produttori differivano per varietà, il che ha causato la promozione sul mercato di modelli di alta e bassa qualità. Venire a sostituire il CD DVD-ROM multiprofilo (versione audio) consente di risolvere il problema del filtraggio delle armoniche parassite nello spettro del segnale di uscita con metodi digitali, nonché aumentando la frequenza di campionamento. Poiché la tecnologia DVD utilizza la compressione audio MPEG-2, i. rappresentazione frequenza-ampiezza del segnale mediante DCT con successiva riduzione della ridondanza, diventa possibile filtrare efficacemente digitalmente utilizzando processori di segnale digitali. La capacità di un DVD a strato singolo è di 4,7 GB contro 680 MB di CD, il che consente di scrivere grandi quantità di dati su DVD. Tuttavia, poiché gli stessi dispositivi elettronici (ADC, DAC, ecc.) verranno utilizzati nelle soluzioni dei circuiti, anche i problemi di riduzione del jitter, ecc. saranno acuti. Le aziende che producono componenti elettronici li risolveranno progettando dispositivi più moderni e di alta qualità. Allo stesso tempo, il PKD è il sostituto più completo per apparecchiature di riproduzione del suono analogico obsolete. Letteratura 1. Skulkin I. Sulla qualità del suono dei CD. - Radioamatore, 1998, N1.C.19 Autore: V. Fedorov, Lipetsk; Pubblicazione: N. Bolshakov, rf.atnn.ru
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