Как звучат CD (домыслы и реальность). Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Аудиотехника

 Комментарии к статье

На рынке бытовой аудиоаппаратуры прочно утвердился цифровой формат записи звуковых компакт-дисков (КД) Audio CD. В популярной любительской и профессиональной литературе различные авторы неоднократно высказывались по поводу достоинств и недостатков данного формата. В предлагаемой статье, опираясь на свой опыт, попытаюсь рассеять некоторые заблуждения.

В [1] автор указывает на нецелесообразность копирования компакт-кассет с компакт-дисков, ссылаясь при этом на то, что качество звучания КД, по его мнению, можно приравнять к качеству звучания аналоговой звуковоспроизводящей аппаратуры 3-го класса. В этой статье (что весьма интересно) автор поставил под сомнение теорему Шеннона (или, как ее называют в отечественной литературе, теорему Котельникова).

Предположим, что на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) поступает сигнал с равномерно распределенным спектром в полосе частот от 0 до 20 кГц (рис.1 а). Если осуществлять аналого-цифровое преобразование с частотой дискретизации fg=44,1 кГц (несколько выше, чем по теореме Шеннона), а затем производить обратное цифро-аналоговое преобразование на той же fg, то в спектре аналогового сигнала, претерпевшего указанные преобразования, появятся паразитные полосы с центральными частотами, кратными fg (рис.1б). Упрощенно данное явление можно назвать трансформацией элементарных синусоидальных сигналов в сигналы сложной формы (например, описанный в [1] случай преобразования одиночного синусоидального сигнала 20 кГц в меандр с той же частотой).

Рис.1

Для дальнейшего понимания сути происходящего обратимся к преобразованию гармонических периодических сигналов из временной области в частотную. На рис.2 графически отображен данный процесс. Во временной плоскости UOt построен график периодического сигнала. Если разложить функцию, изображенную на графике, используя дискретное преобразование Фурье (ДПФ), быстрое преобразование Хартли (БПХ) или современное дискретное косинусное преобразование (ДКП) на гармоники, и графически отобразить их амплитуду со сдвигом по частотной оси Of, то можно увидеть, что исходный сигнал в своем спектре содержит две гармоники с амплитудами U1 и U2. На практике временную зависимость амплитуды наблюдают с помощью осциллографов, а частотную - с помощью анализаторов спектра.

Рис.2

Если осуществить ДКП синусоидального и прямоугольного сигналов с частотой 20 кГц при fg=40 кГц, получится результат, изображенный на рис.3 а и б соответственно. Как можно видеть, в спектре прямоугольного сигнала, помимо основной частоты, имеется множество гармоник с частотами, кратными основной, и амплитудами, убывающими с ростом номера гармоники. Используя ФНЧ (т.е. вырезая все "лишние" гармоники), можно из прямоугольного получить синусоидальный сигнал. Обеспечить данный процесс можно как аналоговыми, так и цифровыми методами.

Рис.3

Если теперь, зная, что на выходе ЦАП сигнал из синусоидального становится прямоугольным, т.е. в спектре появляются паразитные полосы (рис.16), использовать ФНЧ с частотой среза fcp=20 кГц, из результирующего сигнала можно удалить все паразитные полосы, кратные fg. Активные ФНЧ п-го порядка обычно имеются во всех проигрывателях компакт-дисков (ПКД), если не прямо в схеме, то в составе интегральных ЦАП.

Паразитные гармоники в сигнале появляются из-за неидеальности АЧХ ФНЧ, включенных на входе и выходе АЦП и ЦАП (рис.4). В результате возникают наложения спектров формируемых ЦАПом сигналов, причем уровень паразитных составляющих тем меньше, чем "круче" АЧХ ФНЧ и больше затухание в его полосе заграждения.

Рис.4

Увеличение fg в 4 или 8 раз относительно частоты Найквиста (верхней частоты сигнала) позволяет несколько раздвинуть составляющие спектра сигнала на выходе ЦАП, однако при этом неоправданно возрастает поток цифровых данных, сократить который средствами стандарта AudioCD нельзя.

Лишь улучшая характеристики ФНЧ до АЦП и после ЦАП, можно бороться с повышением помех, создаваемых боковыми паразитными полосами. Современные ПКД с ФНЧ не ниже 6 порядка относительно успешно справляются с задачей фильтрации сигнала после ЦАП, обеспечивая ослабление паразитных помех не менее 90 дБ. Полоса пропускания каналов звука при этом составляет 20...21600 Гц при неравномерности 5*10^-3 дБ. Данные параметры заметно превосходят аналогичные параметры аналоговой звуковоспроизводящей аппаратуры всех классов.

Из вышеописанного можно сделать вывод, что при дискретизации сигнала с fg=2fB необходимо ужесточить требования к ФНЧ на выходе ЦАП ПКД.

В [1] автор также сообщает о компрессии сигнала перед записью на КД, а также об образовании завала частот в записях, произведенных с этих КД, в области 20...200 Гц. Точнее сказать, завал доходит до частоты 1 кГц, считающейся эталонной для техники звуковых частот.

Как следует из теории помехоустойчивости, при передаче сигналов (в т.ч. и звуковых), сигналы, имеющие большие динамический диапазон и полосу частот, перед передачей целесообразно компрессировать, что успешно ввел в обиход на практике американский исследователь Долби. Экспандирование сигнала осуществляется в ПКД по желанию пользователя. Стоит заметить, что в большинстве CD-ROM-драйвов, проигрывающих КД, экспандер фактически отсутствует. Его функцию заменяет ФНЧ, имеющийся в подавляющем большинстве звуковых карт и в активных колонках (кнопка "Bass"), который поднимает уровень басов, но никак не может являться полным аналогом экспандера.

Цифровая часть ПКД имеет возможность как корректировать, так и маскировать ошибки, причем могут исправляться как ошибки, обусловленные плохим качеством самой записи на КД, так и дефектами его поверхности. Однако нельзя переоценивать данную функцию ПКД, поскольку коды, используемые в нем для проверки, исправляют конечное число ошибок, а их количество при эксплуатации КД (механические повреждения), к сожалению, растет. Таким образом, при воспроизведении некачественных КД, особенно прошедших интенсивную эксплуатацию, качество звучания ПКД резко снижается.

В качестве примера приведу такой факт. Трехбитный корректирующий код четырехбитного слова (при коррекции Хэмминга) исправляет не более 1 ошибки. Следовательно, необходимо иметь такую запись, чтобы ошибка встречалась не чаще чем 1 раз на 7 бит информации. Конечно, в ПКД используются более мощные корректирующие коды, однако все равно имеется некоторый предел количества ошибок. Важную роль играют также качество аппаратуры, на которой производится запись КД; качество матрицы, с которой производится тиражирование КД при их массовом производстве; а также условия эксплуатации КД.

Существует мнение, что одно и то же музыкальное произведение, записанное на КД на разной аппаратуре, звучит по-разному. Это действительно так, ввиду того что ПКД пытается исправить (замаскировать) ошибки, возникающие при воспроизведении КД, записанных с помощью некачественной техники.

Схемотехнически процесс возникновения и маскировки ошибок изображен на рис.5. Пусть в моменты t1-t2 и t3-t4 на сигнал воздействует импульсная помеха (рис.5а). Корректирующее устройство отслеживает ее и замещает соседними "непораженными" отсчетами (рис.56), т.е. интерполирует сигнал. Однако если применить ДКП к полученному сигналу и проанализировать его спектр, в нем можно увидеть паразитные полосы. Если с ВЧ-составляющими успешно "борется" ФНЧ на выходе ЦАП, то более низкочастотные помехи накладываются на результирующий сигнал, создавая специфические искажения, особенно заметные при длительных помехах.

Рис.5

В литературе встречается указание на то, что так называемые "однобитные ЦАП" имеют худшие параметры, чем многобитные. В частности, большее значение фазового дрожания ("джиттера") наблюдается именно у однобитных ЦАП.

На рис.6 изображена функциональная схема однобитного ЦАП CS4328 фирмы Crystal Sem. Последовательные данные (могут быть представлены в 4-х форматах) поступают во входной преобразователь (ВП), преобразующий их в 18-разрядные параллельные потоки двух каналов. Сигналы через цифровые интерполя-торы (ЦИ) поступают на цифровые дельта-модуляторы (ДМ), которые формируют одноразрядные потоки данных с 64-кратной "сверхдискретизацией". Далее сигналы поступают на однобитные ЦАП, ФНЧ шестого порядка, и через буферные усилители подаются на выход схемы.

Рис.6

Поскольку в микросхеме используются более простые и дешевые однобитные ЦАП, стоимость прибора уменьшается при незначительном ухудшении его параметров. Тактовый генератор (ТГ), управляющий ЦАП, синхронизируется с помощью петли ФАПЧ приходящими синхроимпульсами CLK, что снижает уровень джиттера. Фильтр на переключаемых конденсаторах позволяет использовать схему на любых тактовых частотах (т.е. отсутствует необходимость перенастройки ФНЧ). Динамический диапазон микросхемы достигает 93 дБ.

Несомненно, на момент выпуска первых ПКД, устройства данного класса имели характеристики, сопоставимые или превышающие соответствующие характеристики аналоговой звуковоспроизводящей аппаратуры высшего класса. Схемные решения различных фирм-изготовителей отличались разнообразием, что вызвало продвижение на рынок моделей как высокого, так и низкого качества.

Приход на смену CD многопрофильного DVD-диска (звуковой версии) позволяет решить задачу фильтрации паразитных гармоник в спектре выходного сигнала цифровыми методами, а также путем увеличения частоты дискретизации. Поскольку в DVD-технологии используется MPEG-2 Audio-уплотнение данных, т.е. частотно-амплитудное представление сигнала посредством ДКП с последующим сокращением избыточности, появляется возможность эффективной цифровой фильтрации с использованием цифровых сигнальных процессоров.

Емкость однослойного DVD равна 4,7 Гб против 680 Мб КД, что позволяет записывать на DVD большие объемы данных. Однако поскольку в схемных решениях будут использоваться те же электронные приборы (АЦП, ЦАП и пр.), то так же остро будут стоять проблемы с уменьшением джиттера и т.п. Решать их будут фирмы, выпускающие электронные компоненты, путем проектирования более современных и качественных приборов.

На данный же момент ПКД является наиболее полноценной заменой морально устаревшей аналоговой аппаратуры воспроизведения звука.

Литература

1. Скулкин И. О качестве звука на компакт-дисках. - Радиолюбитель, 1998, N1.C.19
2. Золотухин И. и др. Цифровые звуковые магнитофоны. - Т. Радио и связь, 1990.

Автор: В.Федоров, г.Липецк; Публикация: Н. Большаков, rf.atnn.ru

Смотрите другие статьи раздела Аудиотехника.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Кислотность океана разрушает зубы акул 03.10.2025

Мировые океаны выполняют важнейшую функцию - они поглощают около трети углекислого газа, выбрасываемого в атмосферу. Это помогает замедлять темпы глобального потепления, но имеет и обратную сторону. Растворяясь в воде, CO2 образует угольную кислоту, которая повышает концентрацию водородных ионов и приводит к снижению pH. Вода становится более кислой, а последствия этого процесса уже заметны для морских экосистем. Средний показатель кислотности океана сейчас равен примерно 8,1, тогда как еще недавно за условную норму брали значение 8,2. По прогнозам, к 2300 году уровень может упасть до 7,3 - это сделает океан почти в десять раз кислее нынешнего состояния. Для обитателей морей подобные изменения означают не просто сдвиг химического равновесия, а реальную угрозу физиологическим процессам, начиная от формирования раковин у моллюсков и заканчивая охотничьим поведением акул. Чтобы выяснить, как именно кислотная среда отражается на зубах акул, группа немецких исследователей провела эксп ...>>

Почтовый космический корабль Arc 03.10.2025

Космические технологии становятся частью инфраструктуры, способной повлиять на логистику, медицину и даже военную сферу. Идея использовать орбиту как глобальный склад для срочных поставок звучала еще недавно как научная фантастика, но стартап Inversion пытается превратить ее в практическое решение. Компания Inversion появилась в начале 2021 года благодаря Джастину Фиаскетти и Остину Бриггсу, которые на тот момент были студентами Бостонского университета. Их замысел состоял в том, чтобы сделать возможной доставку грузов не только через спутниковые сети данных, но и в буквальном смысле - физических предметов. В основе лежит простая мысль: если космос обеспечивает доступ к любой точке Земли, то и грузы должны перемещаться тем же маршрутом. Уже за три года работы команда из 25 специалистов успела построить демонстрационный аппарат "Ray". Его запуск состоялся в рамках миссии SpaceX Transporter-12. Устройство весом 90 килограммов проверяло ключевые технологии Inversion, включая двухком ...>>

Лазерное обогащение урана 02.10.2025

Ядерная энергия остается одним из ключевых источников стабильного электричества, особенно для стран с растущими потребностями в энергоснабжении. Однако обеспечение бесперебойных поставок топлива для атомных станций требует современных технологий обогащения урана, которые одновременно эффективны и безопасны. Американская компания Global Laser Enrichment (GLE) делает значительный шаг в этом направлении, завершив масштабное тестирование лазерной технологии обогащения урана. Демонстрационная программа была проведена на объекте в Уилмингтоне, Северная Каролина. Тестирование технологии SILEX (Separation of Isotopes by Laser EXcitation), разработанной австралийской Silex Systems, стартовало в мае 2025 года и продлится до конца года. В ходе экспериментов компания планирует получить сотни фунтов низкообогащенного урана (LEU), который может быть использован в качестве топлива для атомных электростанций. GLE была создана в 2007 году для коммерциализации лазерных методов обогащения урана в С ...>>

Случайная новость из Архива iPad стал на 5 градусов горячее 29.03.2012 Владельцы нового iPad могут без преувеличения говорить о том, что их устройство обладает наиболее совершенным среди присутствующих на рынке планшетов экраном и самой производительной графикой, но эти новшества, к сожалению, отразились негативно на других характеристиках аппарата: он стал тяжелее и больше, а новое исследование, проведённое в Голландии, говорит о том, что ещё одной жертвой в пользу новшеств стала повышенная теплоотдача, в среднем на 5 градусов. При нагрузке графики в тесте OpenGL планшет Apple 2011 года достигает через 5 минут температуры в 28,3 градуса, тогда как новый - 33,6 градусов. Стоит отметить, что если оба устройства будут в таком режиме лежать на коленях или на открытой коже, держать их будет не очень приятно. Самой горячей точкой в обеих моделях iPad стал нижний правый угол, где расположен процессор. A5 в iPad 2 оснащается графикой PowerVR SGX543MP2, а A5X в новом планшете Apple - SGX543MP4. Стоит отметить, что в обоих планшетах установлен специальный датчик, защищающий устройство от перегрева. В случае достижения определённого температурного порога iPad отключится. Apple сообщает, что iPad можно использовать без всяких опасений при температуре воздуха до 35 градусов.

Другие интересные новости:

▪ Пластик из томатных шкурок

▪ Смартфоны смогут выдерживать 15 падений с метровой высоты

▪ Прототип квантовой памяти

▪ В старении интеллекта виновата генетика

▪ Жир - главная причина старения

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Альтернативные источники энергии. Подборка статей

▪ статья Защита от энергетических воздействий. Основы безопасной жизнедеятельности

▪ статья Кем, когда и как изобретен первый броненосец? Подробный ответ

▪ статья Джеймс Джоуль. Биография ученого

▪ статья Теория: регулирование громкости и тембра. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Послушная пуговица. Секрет фокуса

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2025