Reamostragem. Parede de tijolo digital contra a teoria da conspiração. Conto de Natal para amantes de som nítido
Nenhum mito acumulou tantos mitos
quanto no campo dos dispositivos Hi-Fi e Hi-End para reproduzir som.
Hit Christmas Story em um deles!
Quando o ano velho já estava passado, o Ano Novo foi recebido primeiro em um estreito círculo familiar, e depois com parentes mais distantes, quando as saladas do Ano Novo terminaram ou se tornaram inutilizáveis e começaram a soltar uma ressaca ...Aqueles que não queriam ou não podiam comemorar o Ano Novo no Exterior começam Sinta a chamada de um computador pessoal.É para eles que minha história de Natal é sobre o básico da reamostragem - uma tecnologia que melhorou significativamente a qualidade de reprodução de CDs de áudio no início do milênio. Foi então que conversores de digital para analógico de 18 e até 20 bits começaram a ser usados para reproduzir gravações de 16 bits. À primeira vista, parecia uma jogada de marketing de fabricantes destinados a extrair uma porção adicional de dinheiro das carteiras de audiófilos ingênuos, mas desta vez os defensores da teoria da conspiração podem fumar de lado. De fato, essa foi uma tentativa bem-sucedida de melhorar a qualidade da reprodução e reduzir o preço de equipamentos profissionais caros. A história é antiga, mas instrutiva, de várias maneiras relevantes para este dia.O DAC digital para analógico é o coração de qualquer sistema de produção de áudio que usa CDs como fonte. É confiada a tarefa complexa e delicada de decodificar uma sequência de números de 16 bits e convertê-la em um formato percebido pelo ouvido humano.
Em 1983, o primeiro CD player icônico da Magnavox cult apareceu com um conversor duplo de 14 bits, mas até o início do século, muitos sistemas de reprodução de CD de alta qualidade tinham conversores de 18 ou 20 bits. PorqueUm pouco de teoria, quase sem fórmulas
O conceito de conversões digital-analógico baseia-se em dois pilares: taxa de amostragem de amostragem e profundidade de bits de quantização .Para reproduzir som no formato PCM, precisamos converter periodicamente os valores digitais nos respectivos valores de tensão ou corrente analógicos correspondentes. A frequência dessas transformações é a frequência de amostragem. De acordo com o teorema de Nyquist, é possível reproduzir sinais com uma frequência não superior a metade da frequência de amostragem. Os formatos mais comuns que são capazes de reproduzir sinais com uma frequência percebida pelo ouvido humano, o valor geralmente aceito é de 20 kHz , com frequências de amostragem de 44,1 e 48 kHz.
O primeiro ainda é amplamente utilizado em discos compactos de áudio (CDDA, Eng. Compact Disc Digital Audio, também chamado de Eng. Audio CD e Red Book), e o segundo nasceu em vários padrões para equipamentos de gravação profissional.Vamos imaginar que, durante a gravação, um sinal de áudio atinja um conversor analógico-digital ideal. Ele não possui ruído e distorção próprios e converte o valor instantâneo do sinal que chega a ele em digital com uma profundidade de bits especificada, bem, por exemplo, 16 bits, como é habitual no formato CD de áudio. Nesse caso, a faixa dinâmica teoricamente alcançável do sinal (a razão entre os sinais digitalizados com os níveis mais alto e mais baixo) será de 98,1 dB. Para calcular esse valor, uma fórmula aproximada é frequentemente usada, segundo a qual cada bit extra adiciona 6 decibéis à faixa dinâmica teoricamente alcançável. Para um sinal de 16 bits, obtemos:6dB / bit * 16bits = 96dB .Um sinal musical real na maioria das vezes não consiste em um tom puro, mas em uma mistura de um grande número de harmônicos, alterando rapidamente sua frequência e amplitude. Para harmônicos com uma amplitude menor que um bit do ADC, é impossível restaurar a correlação com o sinal original e, como resultado da operação de codificação e decodificação, eles se transformam em ruído branco. Além disso, ruídos são gerados pela mudança rápida de sinais com uma grande amplitude, o que diremos muito na música pop.Das aproximações ideais à vida real. Os problemas dos primeiros CD players
Desde o início do uso da tecnologia digital na gravação de som, tem havido uma corrida constante para aumentar sua produtividade e reduzir custos. Os primeiros CD players tinham um único DAC paralelo e dois circuitos de entrada, que alimentavam alternadamente sinais do canal direito ou esquerdo. Os níveis instantâneos de sinais analógicos na saída DAC foram gravados usando circuitos especiais para o tempo entre duas leituras e alimentados alternadamente para amplificadores separados dos canais direito e esquerdo. Isso deu origem a distorções adicionais, cujo valor dependia da diferença nos níveis de som instantâneos dos canais. Sob a pressão dos críticos dos auidófilos, os fabricantes foram forçados a mudar para um esquema com DACs separados para cada canal.
Na saída do DAC, há um sinal passo a passo, que não é muito semelhante ao sinal suave da fonte, há distorções desagradáveis pelo ouvido. Por simplicidade, vamos imaginar que um harmônico único com uma frequência de 1 KHz foi aplicado à entrada. A operação de reconstrução do sinal digitalizado realmente leva ao aparecimento de distorção de intermodulação entre o sinal original e a frequência de amostragem - no nosso caso, 44,1 KHz. (O mecanismo da ocorrência de distorção de intermodulação e programa educacional sobre harmônicos, se necessário, pode ser encontrado em meu último artigo ).Apesar de os harmônicos parasitas estarem fora do ouvido humano, eles têm um efeito adverso no trato de amplificação e é melhor se livrar deles.
Nos primeiros modelos de equipamento para reprodução de conteúdo digital, eram utilizados filtros, que tinham uma característica plana até uma frequência de 20 kHz e, em seguida, uma atenuação acentuada do nível em 80 dB ou mais. Na terminologia inglesa, esses filtros são chamados de parede de tijolos; em russo, às vezes são chamados por analogia "parede de tijolos". O problema era que os filtros passa-baixo analógicos de alta ordem são muito sensíveis à precisão dos valores dos componentes passivos dos quais eles consistem. A situação é ainda mais complicada pelas classificações exigidas, que estão fora da faixa padrãoe requisitos especiais para a qualidade desses componentes, necessários para obter uma contribuição mínima para a distorção do sinal. Como resultado, o custo desses filtros acabou sendo proibitivo, mas o mais triste é que eles não conseguiram atender às solicitações dos audiófilos, pois esses filtros apresentavam grandes distorções de fase, principalmente nas bordas da faixa reproduzida. Portanto, o som das primeiras versões dos CD players, apesar do alto custo, os audiófilos descritos como “ corajosos ”.Os filtros digitais correm para o resgate. Sobre-amostragem de dedos
Um passo sério no sentido de melhorar a qualidade do som e, mais importante, sua disponibilidade foi a introdução da tecnologia de sobre amostragem de sinal, à qual este artigo é dedicado.Para esclarecer sua essência, vamos imaginar o processo de recuperação de sinal com a amada frequência GOST de 1 KHz. A Figura A mostra uma série de amostras dos componentes do sinal que aparecem na saída do DAC e, à direita, os componentes espectrais de segunda e terceira ordem contidos no sinal na saída do DAC. Você pode ver que o sinal nada mais é do que um produto de distorção de intermodulação entre o tom inicial com uma frequência de 1 KHz e a digitalização frequente de 44,1 KHz.
Aumentaremos a taxa de amostragem do sinal quatro vezes por uma operação elementar - adicionando três amostras extras entre duas vizinhas, cada uma com valores zero, como mostra a Figura C. Ao mesmo tempo, adicionamos os dois bits menos significativos em cada amostra, preenchendo-os também com zeros. Agora temos valores de amostra de 18 bits. Como resultado dessa operação, o espectro do sinal não mudou de fato, mas, de fato, ocorreu uma mudança fundamental. Harmônicos de segunda ordem causados pela freqüência de amostragem tornaram-se parte do espectro do sinal principal. Harmônicas derivadas se moveram acima da frequência de 44,1 kHz. Isso é mostrado na Figura D.
Na região espectral do sinal principal, a filtragem digital pode ser aplicada com êxito, o que faremos usando um filtro digital de alta ordem com a resposta de frequência mostrada na figuraO F . Fisicamente, obtemos pontos intermediários adicionais entre as amostras disponíveis do sinal, que suavizam as transições entre os dois valores devido ao aparecimento de dois bits adicionais na representação de amplitude.
Agora que o filtro digital fez todo o trabalho duro e sujo, alimentamos o sinal resultante com uma frequência de amostragem de 44,1 * 4 = 176,4 KHz no DAC.Resta acrescentar uma cereja ao nosso bolo - transmitir o sinal através do filtro analógico mais simples de terceira ordem, que lidará perfeitamente com a supressão de harmônicos em um determinado intervalo e não apresentará distorções de fase perceptíveis.
O resultado - o espectro do sinal recebido ficou muito mais próximo do original, os componentes parasitas nele são bastante atenuados e as distorções de fase são minimizadas devido às capacidades da filtragem digital.
Implementação de hardware
A figura mostra a implementação de hardware da solução descrita acima. As operações de reamostragem e filtragem digital são executadas pelo chip CXD1088Q fabricado pela SONY, um dos progenitores do formato CD de áudio. Um circuito lógico simples, por sua vez, inicia a conversão de dois DAC AD1860 de 18 bits separados.
Que benefícios obtivemos como resultado de nossos truques digitais?
- Redução de distorção por intermodulação
- Baixa distorção de fase introduzida pelo filtro
- Excelente supressão de harmônicos mais altos que surgem no processo de conversão digital para analógico, que pode servir como fonte de distorção de intermodulação no caminho de amplificação
- O uso de conversores digital-analógico com profundidades de bits mais altas permite reduzir a não linearidade da conversão e o coeficiente de distorção harmônica, porque eles têm melhores parâmetros
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CD Hi Fi .
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, “ ”, e não apenas distorções e elevam seu preço para o céu.Para uma comparação mais detalhada da operação de filtros analógicos e digitais e respostas a perguntas comuns, consulte o próximo artigo
.Ao preparar a publicação, os materiais do artigo DAC ICs: Quantos bits são suficientes? de autoria de Robert Adams Source: https://habr.com/ru/post/pt400383/
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