Как работает ЦАП (DAC)

Цифро Аналоговый Преобразователь (ЦАП-DAC)

Его также называют цифровым процессором. Цифро-аналоговый преобразователь - это компонент, который получает цифровые аудиоданные (обычно от CD-транспорта) и преобразует их в аналоговый сигнал.

Приводимая здесь информация адресована тем, кто хочет понять, что происходит внутри этих металлических "монументов" на стойке с вашей аппаратурой. Главные компоненты процессора: источник питания, входной приемник, цифровой фильтр, каскад цифро-аналогового преобразования, преобразователь тока в напряжение и аналоговый выходной каскад.

Входной приемник получает S/PDIF-сигнал от цифрового источника и преобразует последовательный поток данных в необработанные данные цифрового звука. Он также вырабатывает тактовый сигнал по тактовым импульсам, имеющимся в цифровом потоке (более подробно это описано в данной главе ниже). Схема фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) сравнивает частоту входного сигнала (тактовые импульсы) с опорной частотой (обычно вырабатываемой кварцевым генератором) и создает новый тактовый сигнал, синхронизированный по фазе с тактовыми импульсами входного потока данных. Эти так называемые "восстановленные" тактовые импульсы становятся задающим тактовым сигналом для процессора. Входной приемник является основным источником джиттера в тактовом сигнале и может оказывать большое влияние на то, как звучит процессор. Для минимизации джиттера, создаваемого входным приемником, в последнее время используют двойные системы ФАПЧ и заказные модули с низким значением джиттера. Цифровые данные с входного приемника поступают на цифровой фильтр.

Для того, чтобы подавить паразитные спектры сигнала с центральными частотами, кратными частоте дискретизации, требуется фильтр. Фильтр может создать новые отсчеты сигнала, расположенные между исходными отсчетами звука, увеличивая таким образом частоту дискретизации. Этот процесс, называемый передискретизацией, увеличивает действующую частоту дискретизации с 44.1 кГц до кратной величины. Например, цифровой фильтр с восьмикратной передискретизацией может путем интерполяции вычислить семь новых отсчетов для каждого исходного отсчета, давая частоту дискретизации 352,8 кГц (8x44,1 кГц). Паразитные спектры по-прежнему имеются, но теперь они далеко отодвинуты от диапазона звуковых частот.

У производителей CD-проигрывателей и цифровых процессоров есть два варианта выбора: купить готовую микросхему фильтра, выполняющего восьмикратную (8х) передискретизацию, или создать нестандартный фильтр на основе универсальной микросхемы цифрового сигнального процессора (DSP). Разработчик такого фильтра должен написать программу, которая управляет микросхемой DSP, что дорого и требует времени. Следовательно, нестандартные фильтры намного дороже, но они дают разработчику CD-проигрывателя возможность творчески управлять звучанием аппарата. К тому же нестандартные цифровые фильтры могут работать быстрее, чем однокристальные фильтры с восьмикратной передискретизацией. Нестандартный фильтр можно сделать для работы с 16-, 32- и даже 64-кратной передискретизацией. Сторонники этого решения - особенно фирмы "Кгеll", "Theta" и "Wadia" - считают, что программное обеспечение для их нестандартной фильтрации лучше содержащегося в обычных интегральных микросхемах цифровых фильтров. В частности, большинство нестандартных цифровых фильтров оптимизированы по параметрам работы во временной области, а не в частотной. Например, процессоры "Wadia" превосходно ведут себя во временной области, - их отличает почти безупречное воссоздание прямоугольных импульсов и отсутствие предварительного и последующего эха в импульсном отклике. Такие прекрасные свойства во временной области порой достигаются ценой некоторого спада в полосе звуковых частот. Фильтры "Wadia" обладают спадом около 3 дБ на частоте 20 кГц. Процессор "The Meitner Intelligent Digital Audio Translator" (IDAT) использует комбинацию фильтров, чтобы добиться идеальных характеристик как во временной, так и в частотной областях

В некоторых цифровых процессорах используются так называемые однобитные ЦАП'ы, которые правильнее называть ЦАП'ами с формированием шума, делъта-сигма-ЦАП'ами или ЦАП'ами с передискретизацией. Эти преобразователи также известны по их торговым маркам: "Bitstream" (фирмы "Philips"), "MASH" ("Matsushita", разработка "Nippon Telephone and Telegraph"), а также "РЕМ" (разработка ,JVC"). Все эти преобразователи работают по одному и тому же принципу: для преобразования двоичного кода в аналоговый сигнал вместо резисторной матрицы с различными весами битов однобитный ЦАП использует только два состояния - ноль и единицу. Однобитный код - это серия изменяющихся по продолжительности импульсов постоянной амплитуды. От ширины импульса зависит напряжение на аналоговом выходе. Этим объясняется, почему однобитное кодирование называют также широтно-импульсной модуляцией.

Однобитный код достаточно высокочастотный (кратность передискретизации от 64 до 256), благодаря чему возможно восстановление звукового сигнала из двух логических состояний при помощи схемы с коммутируемым конденсатором. Поэтому однобитный ЦАП не требует такой точности, как ЦАП'ы на основе резисторной матрицы. В ЦАП'ах с передискретизацией амплитудное разрешение заменяется на разрешение по времени. По природе своей они имеют хорошую линейность и без подстройки MSB (собственно, MSB там и нет). ЦАП'ы с передискретизацией не требуют и преобразователя тока в напряжение.