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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Wie CDs klingen (Spekulation und Realität). Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Audio Das digitale Format zum Beschreiben von Audio-CDs (CDs) Audio-CD hat sich im Consumer-Audio-Equipment-Markt fest etabliert. In der populären Laien- und Fachliteratur haben sich verschiedene Autoren immer wieder zu Vor- und Nachteilen dieses Formats geäußert. In diesem Artikel werde ich versuchen, basierend auf meinen Erfahrungen, einige Missverständnisse auszuräumen. In [1] weist der Autor auf die Unzweckmäßigkeit des Kopierens von Kompaktkassetten von CDs hin und verweist darauf, dass die Klangqualität einer CD seiner Meinung nach mit der Klangqualität analoger Tonwiedergabegeräte der 3. Klasse gleichgesetzt werden kann . In diesem (sehr interessanten) Artikel hinterfragt der Autor den Satz von Shannon (oder, wie er in der russischen Literatur genannt wird, den Satz von Kotelnikov). Nehmen wir an, der Eingang des Analog-Digital-Wandlers (ADC) erhält ein Signal mit einem gleichmäßig verteilten Spektrum im Frequenzband von 0 bis 20 kHz (Abb. 1a). Wenn eine Analog-Digital-Wandlung mit einer Abtastfrequenz fg = 44,1 kHz (etwas höher als nach dem Shannon-Theorem) durchgeführt wird und dann eine inverse Digital-Analog-Wandlung mit derselben fg durchgeführt wird, dann treten störende Bänder auf Mittenfrequenzen, die Vielfache von fg sind (Abb. 1b). Vereinfacht kann man dieses Phänomen als Transformation von elementaren Sinussignalen in komplex geformte Signale bezeichnen (z. B. der in [1] beschriebene Fall der Umwandlung eines einzelnen Sinussignals von 20 kHz in einen Mäander mit gleicher Frequenz).
Um die Essenz dessen, was passiert, besser zu verstehen, wenden wir uns der Umwandlung von harmonischen periodischen Signalen aus dem Zeitbereich in den Frequenzbereich zu. Abbildung 2 zeigt diesen Vorgang grafisch. In der Zeitebene UOt ist ein Graph eines periodischen Signals aufgetragen. Wenn wir eine graphisch dargestellte Funktion mit der diskreten Fourier-Transformation (DFT), der schnellen Hartley-Transformation (FHT) oder der modernen diskreten Cosinus-Transformation (DCT) in Harmonische zerlegen und ihre Amplitude mit einer Verschiebung entlang der Of-Frequenzachse darstellen, können wir sehen, dass die Das ursprüngliche Signal enthält in seinem Spektrum zwei Harmonische mit den Amplituden U1 und U2. In der Praxis wird die Zeitabhängigkeit der Amplitude mit Oszilloskopen und die Frequenzabhängigkeit mit Spektrumanalysatoren beobachtet.
Wenn man eine DCT von Sinus- und Rechtecksignalen mit einer Frequenz von 20 kHz bei fg = 40 kHz durchführt, erhält man das in Abb. 3 a bzw. b dargestellte Ergebnis. Wie Sie sehen können, gibt es im Spektrum eines Rechtecksignals zusätzlich zur Grundfrequenz viele Harmonische mit Frequenzen, die ein Vielfaches der Grundfrequenz sind, und Amplituden, die mit zunehmender Harmonischenzahl abnehmen. Durch die Verwendung eines Tiefpassfilters (d. h. durch Ausschneiden aller „zusätzlichen“ Harmonischen) können Sie aus einem Rechtecksignal ein Sinussignal erhalten. Dieser Prozess kann sowohl mit analogen als auch mit digitalen Methoden erreicht werden.
Wenn Sie nun wissen, dass am Ausgang des DAC das Signal von der Sinuskurve rechteckig wird, d.h. erscheinen Störbänder im Spektrum (Abb. 16), verwenden Sie einen Tiefpassfilter mit einer Grenzfrequenz fcp = 20 kHz, alle Störbänder, die Vielfache von fg sind, können aus dem resultierenden Signal entfernt werden. Aktive Tiefpassfilter n-ter Ordnung findet man normalerweise in allen CD-Playern, wenn nicht direkt in der Schaltung, dann als Teil integrierter DACs. Parasitäre Oberwellen im Signal treten aufgrund der Unvollkommenheit des Frequenzgangs des Tiefpassfilters auf, das am Eingang und Ausgang des ADC und DAC enthalten ist (Abb. 4). Dadurch kommt es zu einer Überlagerung der Spektren der vom DAC erzeugten Signale, und der Pegel an parasitären Anteilen ist umso geringer, je „steiler“ der Frequenzgang des Tiefpassfilters und je größer die Dämpfung in seinem Sperrbereich ist.
Durch Erhöhen von fg um den Faktor 4 oder 8 relativ zur Nyquist-Frequenz (der oberen Frequenz des Signals) können Sie die Komponenten des Signalspektrums am DAC-Ausgang leicht verschieben, dies erhöht jedoch den digitalen Datenstrom unangemessen, was nicht möglich ist mit dem AudioCD-Standard reduziert werden. Nur durch die Verbesserung der Eigenschaften des Tiefpassfilters vor dem ADC und nach dem DAC ist es möglich, mit der Zunahme der Interferenz fertig zu werden, die durch parasitäre Seitenbänder verursacht wird. Moderne PCDs mit einem Tiefpassfilter von mindestens 6. Ordnung bewältigen die Aufgabe, das Signal nach dem DAC zu filtern, relativ erfolgreich und bieten eine Dämpfung von Nebengeräuschen von mindestens 90 dB. Die Bandbreite der Tonkanäle beträgt in diesem Fall 20 ... 21600 Hz mit einer Unebenheit von 5 * 10-3 db. Diese Parameter sind ähnlichen Parametern analoger Tonwiedergabegeräte aller Klassen deutlich überlegen. Aus dem Obigen können wir schließen, dass beim Abtasten eines Signals mit fg = 2fB die Anforderungen an das Tiefpassfilter am Ausgang des DAC PKD verschärft werden müssen. Der Autor berichtet in [1] auch über die Signalkompression vor der Aufnahme auf eine CD, sowie über die Ausbildung eines Frequenzschnitts bei den Aufnahmen dieser CDs im Bereich von 20...200 Hz. Genauer gesagt erreicht die Sperrung eine Frequenz von 1 kHz, die als Referenz für die Tonfrequenztechnik gilt. Wie aus der Theorie der Störfestigkeit hervorgeht, ist es bei der Übertragung von Signalen (einschließlich Audio) ratsam, Signale mit einem großen Dynamikbereich und Frequenzband vor der Übertragung zu komprimieren, was vom amerikanischen Forscher Dolby erfolgreich in die Praxis umgesetzt wurde. Die Erweiterung des Signals erfolgt auf Wunsch des Benutzers in der VPC. Es ist erwähnenswert, dass in den meisten CD-ROM-Laufwerken, die CDs abspielen, der Expander tatsächlich fehlt. Seine Funktion wird durch einen Tiefpassfilter ersetzt, der in den allermeisten Soundkarten und in Aktivlautsprechern vorhanden ist (Taste „Bass“), der den Basspegel anhebt, aber kein vollständiges Analogon eines Expanders sein kann. Der digitale Teil der PCD hat die Fähigkeit, Fehler sowohl zu korrigieren als auch zu maskieren, und sowohl Fehler aufgrund der schlechten Qualität der Aufzeichnung auf der CD selbst als auch Defekte in ihrer Oberfläche können korrigiert werden. Diese Funktion des PKD ist jedoch nicht zu überschätzen, da die darin zur Verifikation verwendeten Codes eine endliche Anzahl von Fehlern korrigieren und deren Anzahl während des Betriebs des PKD (mechanischer Schaden) leider anwächst. Daher wird beim Abspielen von CDs geringer Qualität, insbesondere solcher, die intensiv genutzt wurden, die Klangqualität von CDs stark reduziert. Lassen Sie mich Ihnen diese Tatsache als Beispiel geben. Ein 1-Bit-Korrekturcode eines 1-Bit-Wortes (mit Hamming-Korrektur) korrigiert nicht mehr als 7 Fehler. Daher ist es notwendig, eine solche Aufzeichnung zu haben, dass der Fehler nicht mehr als XNUMX Mal pro XNUMX Informationsbits auftritt. Natürlich werden in der VPC leistungsstärkere Korrekturcodes verwendet, aber die Anzahl der Fehler ist immer noch begrenzt. Eine wichtige Rolle spielt auch die Qualität der Geräte, auf denen die CD aufgenommen wird; die Qualität der Matrix, aus der CDs während ihrer Massenproduktion repliziert werden; sowie die Betriebsbedingungen der CD. Es gibt die Meinung, dass dasselbe Musikstück, das auf einer CD mit unterschiedlichen Geräten aufgenommen wurde, unterschiedlich klingt. Dies ist richtig, weil die VCD versucht, die Fehler zu korrigieren (zu verschleiern), die auftreten, wenn CDs abgespielt werden, die mit Geräten von schlechter Qualität aufgenommen wurden. Schematisch ist der Ablauf des Auftretens und der Maskierung von Fehlern in Abb. 5 dargestellt. Angenommen, zu den Zeitpunkten t1-t2 und t3-t4 wird das Signal durch Impulsrauschen beeinflusst (Abb. 5a). Das Korrekturgerät verfolgt es und ersetzt es durch benachbarte "unbeeinflusste" Messwerte (Fig. 56), d. h. interpoliert das Signal. Wenn Sie jedoch DCT auf das empfangene Signal anwenden und sein Spektrum analysieren, können Sie darin Störbänder erkennen. „Kämpft“ das Tieftonfilter am DAC-Ausgang erfolgreich mit den hochfrequenten Anteilen, überlagern sich dem resultierenden Signal niederfrequente Störungen, die gezielte Verzerrungen erzeugen, die sich besonders bei Langzeitstörungen bemerkbar machen.
In der Literatur gibt es einen Hinweis darauf, dass die sogenannten "Single-Bit-DACs" schlechtere Parameter haben als Multi-Bit-DACs. Insbesondere wird in Einzelbit-DACs ein größerer Wert des Phasenjitters ("Jitter") beobachtet. Abbildung 6 zeigt ein Funktionsdiagramm eines Single-Bit-DAC CS4328 von Crystal Sem. Serielle Daten (kann in 4 Formaten dargestellt werden) werden in den Eingangskonverter (IP) eingespeist, der sie in parallele 18-Bit-Streams von zwei Kanälen umwandelt. Signale werden über digitale Interpolatoren (DI) digitalen Delta-Modulatoren (DM) zugeführt, die Ein-Bit-Datenströme mit 64-fachem „Oversampling“ bilden. Ferner werden die Signale Ein-Bit-DACs, einem Tiefpassfilter sechster Ordnung zugeführt und über Pufferverstärker dem Ausgang der Schaltung zugeführt.
Da die Mikroschaltung einfachere und billigere Single-Bit-DACs verwendet, sinken die Kosten des Geräts mit einer leichten Verschlechterung seiner Parameter. Der Taktgenerator (TG), der den DAC antreibt, wird von der PLL auf den eingehenden CLK-Takt synchronisiert, wodurch Jitter reduziert wird. Das geschaltete Kondensatorfilter ermöglicht die Verwendung der Schaltung bei jeder Taktfrequenz (d. h. es besteht keine Notwendigkeit, das Tiefpassfilter neu zu konfigurieren). Der Dynamikbereich des Chips erreicht 93 dB. Zum Zeitpunkt der Veröffentlichung der ersten VRMs hatten Geräte dieser Klasse zweifellos Eigenschaften, die mit denen von analogen High-End-Tonwiedergabegeräten vergleichbar waren oder diese übertrafen. Die Schaltungslösungen verschiedener Hersteller unterschieden sich in ihrer Vielfalt, was dazu führte, dass Modelle sowohl hoher als auch niedriger Qualität auf den Markt gebracht wurden. Als Ersatz für die CD-Multiprofil-DVD-ROM (Audioversion) können Sie das Problem der Filterung parasitärer Oberwellen im Spektrum des Ausgangssignals durch digitale Methoden sowie durch Erhöhung der Abtastrate lösen. Da die DVD-Technologie die MPEG-2-Audiokomprimierung verwendet, d. Frequenz-Amplituden-Darstellung des Signals durch DCT mit anschließender Reduzierung der Redundanz wird es möglich, mit digitalen Signalprozessoren effektiv digital zu filtern. Die Kapazität einer Single-Layer-DVD beträgt 4,7 GB im Vergleich zu einer 680-MB-CD, wodurch große Datenmengen auf die DVD geschrieben werden können. Da jedoch dieselben elektronischen Geräte (ADC, DAC usw.) in Schaltungslösungen verwendet werden, werden auch Probleme mit der Jitter-Reduktion usw. akut sein. Firmen, die elektronische Komponenten herstellen, werden sie lösen, indem sie modernere und hochwertigere Geräte entwickeln. Gleichzeitig ist der PKD der vollständigste Ersatz für veraltete analoge Tonwiedergabegeräte. Literatur 1. Skulkin I. Über die Klangqualität von CDs. - Funkamateur, 1998, N1.C.19 Autor: V. Fedorov, Lipezk; Veröffentlichung: N. Bolschakow, rf.atnn.ru
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