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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Cómo suenan los CD (especulaciones y realidad). Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Audio El formato digital para grabar CD de audio (CD) Audio CD se ha establecido firmemente en el mercado de equipos de audio de consumo. En la literatura popular amateur y profesional, varios autores se han pronunciado repetidamente sobre las ventajas y desventajas de este formato. En este artículo, basado en mi experiencia, intentaré disipar algunos conceptos erróneos. En [1], el autor señala la inconveniencia de copiar casetes compactos de CD, refiriéndose al hecho de que la calidad de sonido de un CD, en su opinión, puede equipararse a la calidad de sonido de un equipo de reproducción de sonido analógico de 3ra clase. . En este artículo (que es muy interesante), el autor cuestiona el teorema de Shannon (o, como se le llama en la literatura rusa, el teorema de Kotelnikov). Supongamos que la entrada del convertidor de analógico a digital (ADC) recibe una señal con un espectro distribuido uniformemente en la banda de frecuencia de 0 a 20 kHz (Fig. 1a). Si se realiza una conversión de analógico a digital con una frecuencia de muestreo fg = 44,1 kHz (ligeramente más alta que según el teorema de Shannon), y luego se realiza una conversión inversa de digital a analógico a la misma fg, entonces las bandas espurias con frecuencias centrales que son múltiplos de fg (Fig. 1b). Simplistamente, este fenómeno puede llamarse la transformación de señales sinusoidales elementales en señales de forma compleja (por ejemplo, el caso descrito en [1] de convertir una única señal sinusoidal de 20 kHz en un meandro con la misma frecuencia).
Para comprender mejor la esencia de lo que está sucediendo, pasemos a la conversión de señales periódicas armónicas del dominio del tiempo al dominio de la frecuencia. La Figura 2 muestra gráficamente este proceso. En el plano de tiempo UOt, se traza un gráfico de una señal periódica. Si descomponemos una función graficada usando la Transformada discreta de Fourier (DFT), la Transformada rápida de Hartley (FHT) o la Transformada moderna discreta del coseno (DCT) en armónicos y trazamos su amplitud con un cambio a lo largo del eje de frecuencia, podemos ver que la la señal original en su espectro contiene dos armónicos con amplitudes U1 y U2. En la práctica, la dependencia del tiempo de la amplitud se observa utilizando osciloscopios, y la dependencia de la frecuencia se observa utilizando analizadores de espectro.
Si realizamos la DCT de señales sinusoidales y rectangulares con una frecuencia de 20 kHz a fg = 40 kHz, obtenemos el resultado que se muestra en la Fig. 3 a y b, respectivamente. Como puede ver, en el espectro de una señal rectangular, además de la frecuencia fundamental, hay muchos armónicos con frecuencias que son múltiplos de la fundamental y amplitudes que disminuyen al aumentar el número de armónicos. Usando un filtro de paso bajo (es decir, eliminando todos los armónicos "extra"), puede obtener una señal sinusoidal de una rectangular. Este proceso se puede proporcionar tanto por métodos analógicos como digitales.
Si ahora, sabiendo que a la salida del DAC, la señal de la sinusoidal se vuelve rectangular, es decir, aparecen bandas espurias en el espectro (Fig. 16), use un filtro de paso bajo con una frecuencia de corte fcp = 20 kHz, todas las bandas espurias que son múltiplos de fg se pueden eliminar de la señal resultante. Los filtros de paso bajo activos del orden n generalmente se encuentran en todos los reproductores de CD, si no directamente en el circuito, entonces como parte de los DAC integrados. Aparecen armónicos parásitos en la señal debido a la imperfección de la respuesta de frecuencia del filtro de paso bajo incluido en la entrada y salida del ADC y DAC (Fig. 4). Como resultado, se produce la superposición de los espectros de las señales generadas por el DAC, y el nivel de los componentes parásitos es menor, más "empinada" es la respuesta de frecuencia del filtro de paso bajo y mayor es la atenuación en su banda de parada.
Aumentar fg por un factor de 4 u 8 en relación con la frecuencia de Nyquist (frecuencia de señal más alta) le permite empujar ligeramente los componentes del espectro de la señal en la salida del DAC; sin embargo, esto aumenta innecesariamente el flujo de datos digitales, que no se puede reducir usando el estándar AudioCD. Solo mejorando las características del filtro de paso bajo antes del ADC y después del DAC, es posible lidiar con el aumento de la interferencia creada por las bandas parásitas laterales. Los PCD modernos con un filtro de paso bajo de al menos 6 órdenes hacen frente con relativo éxito a la tarea de filtrar la señal después del DAC, proporcionando una atenuación del ruido espurio de al menos 90 dB. El ancho de banda de los canales de sonido en este caso es de 20 ... 21600 Hz con un desnivel de 5 * 10-3 base de datos Estos parámetros son notablemente superiores a parámetros similares de equipos de reproducción de sonido analógico de todas las clases. De lo anterior, podemos concluir que cuando se muestrea una señal con fg = 2fB, es necesario ajustar los requisitos para el filtro de paso bajo en la salida del DAC PKD. En [1], el autor también informa sobre la compresión de la señal antes de grabar en un CD, así como la formación de un corte de frecuencia en las grabaciones realizadas a partir de estos CD, en la región de 20...200 Hz. Más precisamente, el bloqueo alcanza una frecuencia de 1 kHz, que se considera una referencia para la tecnología de audiofrecuencia. Como se desprende de la teoría de la inmunidad al ruido, cuando se transmiten señales (incluido el audio), señales con un rango dinámico y una banda de frecuencia amplios, es recomendable comprimir antes de la transmisión, lo que fue introducido con éxito en la práctica por el investigador estadounidense Dolby. La ampliación de la señal se realiza en la VPC a petición del usuario. Vale la pena señalar que en la mayoría de las unidades de CD-ROM que reproducen CD, el expansor está realmente ausente. Su función es reemplazada por un filtro de paso bajo, que está disponible en la gran mayoría de las tarjetas de sonido y en los altavoces activos (botón "Bass"), que eleva el nivel de graves, pero no puede ser un análogo completo de un expansor. La parte digital del PCD tiene la capacidad tanto de corregir como de enmascarar errores, pudiendo corregirse tanto los errores debidos a la mala calidad de la grabación en el propio CD como los defectos en su superficie. Sin embargo, esta función del PKD no puede sobreestimarse, ya que los códigos utilizados en él para la verificación corrigen un número finito de errores, y su número durante la operación del PKD (daño mecánico), desafortunadamente, crece. Por lo tanto, cuando se reproducen CD de baja calidad, especialmente aquellos que se han sometido a un uso intensivo, la calidad del sonido de los CD se reduce considerablemente. Déjame darte este hecho como ejemplo. Un código de corrección de tres bits de una palabra de cuatro bits (con corrección de Hamming) corrige no más de 1 error. Por lo tanto, es necesario tener un registro tal que el error ocurra no más de 1 vez por cada 7 bits de información. Por supuesto, se utilizan códigos de corrección más potentes en la VPC, pero todavía hay un límite en la cantidad de errores. También juega un papel importante la calidad del equipo en el que se graba el CD; la calidad de la matriz a partir de la cual se replican los CD durante su producción en masa; así como las condiciones de funcionamiento del CD. Existe la opinión de que la misma pieza musical, grabada en un CD en diferentes equipos, suena diferente. Esto es cierto porque el VCD intenta corregir (ocultar) los errores que ocurren cuando se reproducen CD grabados con equipos de baja calidad. Esquemáticamente, el proceso de ocurrencia y enmascaramiento de errores se muestra en la Fig.5. Deje que en los momentos t1-t2 y t3-t4 la señal se vea afectada por el ruido de impulso (Fig. 5a). El dispositivo correctivo lo rastrea y lo reemplaza con lecturas "no afectadas" adyacentes (Fig. 56), es decir, interpola la señal. Sin embargo, si aplica DCT a la señal recibida y analiza su espectro, puede ver bandas espurias en él. Si el filtro de baja frecuencia en la salida del DAC "lucha" con éxito con los componentes de alta frecuencia, entonces la interferencia de baja frecuencia se superpone a la señal resultante, creando distorsiones específicas, especialmente notables durante la interferencia a largo plazo.
Hay una indicación en la literatura de que los llamados "DAC de un solo bit" tienen peores parámetros que los de varios bits. En particular, se observa un mayor valor de fluctuación de fase ("jitter") en los DAC de un solo bit. La figura 6 muestra un diagrama funcional de un DAC CS4328 de un solo bit de Crystal Sem. Los datos en serie (se pueden presentar en 4 formatos) se alimentan al convertidor de entrada (IP), que los convierte en flujos paralelos de 18 bits de dos canales. Las señales a través de interpoladores digitales (DI) se alimentan a moduladores delta digitales (DM), que forman flujos de datos de un bit con un "sobremuestreo" de 64 veces. Además, las señales se alimentan a los DAC de un bit, un filtro de paso bajo de sexto orden y los amplificadores de búfer se alimentan a la salida del circuito.
Dado que el microcircuito utiliza DAC de un solo bit más simples y económicos, el costo del dispositivo disminuye con un ligero deterioro en sus parámetros. El generador de reloj (TG) que impulsa el DAC está bloqueado por el PLL al reloj CLK entrante, lo que reduce la fluctuación. El filtro de capacitor conmutado permite que el circuito se use a cualquier frecuencia de reloj (es decir, no hay necesidad de reconfigurar el filtro de paso bajo). El rango dinámico del chip alcanza los 93 dB. Sin duda, en el momento del lanzamiento de los primeros VRM, los dispositivos de esta clase tenían características comparables o superiores a las de los equipos de reproducción de sonido analógico de gama alta. Las soluciones de circuito de varios fabricantes diferían en variedad, lo que provocó la promoción de modelos de alta y baja calidad en el mercado. Viniendo a reemplazar el DVD-ROM de CD multiperfil (versión de sonido) le permite resolver el problema del filtrado de armónicos parásitos en el espectro de la señal de salida por métodos digitales, así como al aumentar la frecuencia de muestreo. Debido a que la tecnología de DVD utiliza compresión de audio MPEG-2, i. representación frecuencia-amplitud de la señal por DCT con la subsiguiente reducción de redundancia, es posible filtrar digitalmente de manera efectiva usando procesadores de señal digital. La capacidad de un DVD de una sola capa es de 4,7 GB frente a los 680 MB de un CD, lo que permite escribir grandes cantidades de datos en DVD. Sin embargo, dado que se utilizarán los mismos dispositivos electrónicos (ADC, DAC, etc.) en las soluciones de circuito, los problemas con la reducción de fluctuaciones, etc., también serán agudos. Las empresas productoras de componentes electrónicos los resolverán diseñando dispositivos más modernos y de mayor calidad. Al mismo tiempo, el PKD es el reemplazo más completo para equipos de reproducción de sonido analógico obsoletos. Literatura 1. Skulkin I. Sobre la calidad del sonido en discos compactos. - Radioaficionado, 1998, N1.C.19 Autor: V. Fedorov, Lipetsk; Publicación: N. Bolshakov, rf.atnn.ru
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