При аналоговой записи изменения в скорости носителя записи вызывают
слышимые искажения. Классический пример - детонация в магнитофоне,
обусловленная колебаниями скорости. Она проявляется как медленные или
быстрые изменения высоты тона воспроизводимого сигнала. Цифровые
устройства записи не страдают от детонации, поскольку обеспечивают
самосинхронизацию воспроизводимого сигнала. Если даже скорость носителя в
процессе записи или воспроизведения не была стабильной, благодаря
самосинхронизации можно восстановить исходный временной масштаб. Но
цифровые аудиосистемы также страдают от явления, в чем-то сходного с
детонацией. Он называется джиттпером тактовых импульсов.
Джиттер - это временная нестабильность тактовых импульсов, задающих в цифровых аудиосистемах временной масштаб. Джиттер является серьезным и еще недооцененным источником ухудшения звучания цифровых аудиосистем. Только недавно джиттер начал привлекать к себе должное внимание инженеров и ученых, работающих в области звукотехники. Одна из причин, по которой на джиттер раньше не обращали внимание, - чрезвычайная сложность измерения сверхмалых значений временной нестабильности, имеющих порядок лишь нескольких десятков миллиардных долей секунды. Другой причиной было ошибочное мнение, что если последовательность единиц и нулей, представляющая музыкальный сигнал, воспроизведена правильно, то звук должен быть хорошим. К сожалению, получить правильную последовательность единиц и нулей - это только часть задачи. Во избежание ухудшения аудиосигнала полученные единицы и нули должны быть снова преобразованы в аналоговый сигнал с чрезвычайно высокой временной точностью.
Как описано в главе 8, последовательность дискретных выборок аудиосигнала преобразуется обратно в непрерывный аналоговый сигнал при помощи микросхемы цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). ЦАП преобразует двоичный код в напряжение, т.е. выполняет операцию прямо противоположную функции аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Все что требуется для идеального преобразования (во временной области), это подать на ЦАП данные в том же порядке, в каком они были созданы аналого-цифровым преобразователем, и соблюсти имевшие место при этом временные соотношения. Теоретически, это звучит просто, - необходимо только снабдить АЦП стабильным генератором тактовых импульсов и подать стабильные тактовые импульсы той же самой частоты на ЦАП.
На практике это не так просто. Если цифровые отсчеты при воспроизведении преобразуются в аналоговый сигнал в другом темпе, чем при их записи, это приводит к искажению формы аналогового сигнала. Нарушение временных соотношений в последовательности отсчетов обусловлены нестабильностью тактовых импульсов, задающих моменты времени, когда ЦАП преобразует цифровой код в аналоговое напряжение.
Давайте более внимательно рассмотрим, каким образом ЦАП определяет, когда необходимо преобразовывать цифровые данные в аналоговый сигнал. На рис. В-8 двоичные числа в левой части являются словом квантования, представляющим значения аналогового сигнала в моменты дискретизации по времени. Чем больше двоичное число, тем выше уровень сигнала. Прямоугольные импульсы в верхней части рисунка - это тактовый сигнал, задающий ЦАП'у момент преобразования слова квантования в аналоговое напряжение. Предположим, что первоначальная частота дискретизации составляет 44,1 кГц, тогда и частота тактовых импульсов ЦАП'а также будет равна 44,1 кГц (или - если процессор использует цифровой фильтр-передискретизатор, - некоторому числу, кратному 44,1 кГц). По фронту тактового импульса очередной отсчет (слово квантования) загружается в ЦАП. По спаду тактового импульса ЦАП преобразует слово квантования в аналоговое напряжение. Этот процесс происходит 44100 раз в секунду (при отсутствии передискретизации). Если в цифровом процессоре используется 8-кратный цифровой
фильтр-передискретизатор, частота тактовых импульсов будет в восемь раз выше, то есть составит 352,8 кГц.
Именно нестабильность импульсов синхронизации слов воздействует на выходной аналоговый сигнал. Джиттер тактовых импульсов — это любые изменения промежутков времени между задними фронтами (спадами) тактовых импульсов. На рис. В-9 показаны идеальные импульсы синхронизации и тактовые импульсы с джиттером (для наглядности значение джиттера преувеличено).
Давайте рассмотрим, что происходит, когда отсчеты сигнала воссоздаются при помощи ЦАП'а, тактируемого импульсами с джиттером (рис. ВТО). Значения отсчетов, задаваемые единицами и нулями двоичного кода, правильны, но они расположены на неправильных местах. Правильные отсчеты в неправильные моменты времени дают неправильную форму сигнала. Изменение временных соотношений в импульсах синхронизации слов приводит к изменению формы звукового сигнала, то есть к нелинейным искажениям. Помните, что импульсы синхронизации задают ЦАП'у моменты преобразования двоичных слов в аналоговое напряжение; все изменения в их периоде создадут изменения в выходном аналоговом сигнале, то есть в музыке.
Джиттер тактовых импульсов может увеличить уровень шума цифрового преобразователя и внести в его спектр дополнительные составляющие. Если джиттер имеет случайное распределение, то возрастает уровень шума. В том случае, когда джиттер имеет выраженную периодическую составляющую, в аналоговом выходном сигнале появляются дополнительные составляющие в виде боковых спектров по обе стороны от составляющей основной частоты. Именно эти дополнительные периодические составляющие наиболее вредны с точки зрения
качества звучания; они не связаны с частотой звука гармоническими соотношениями и служат причиной жесткого и острого звучания, часто наблюдаемого при использовании цифровой аудиоаппаратуры.
На рис. В-11а показан спектр смоделированного компьютером выходного сигнала цифрового процессора при воспроизведении синусоидального сигнала частотой 10 кГц, если используется тактовый сигнал без джиттера. На рис. В-116 приведены результаты аналогичных измерений, но при воздействии на импульсы синхронизации 2-наносекундного джиттера (две миллиардные доли секунды) с частотой 1 кГц. График на рис. В-116 выявляет дополнительные боковые составляющие с обеих сторон тестового сигнала. Их амплитуда зависит от уровня и частоты входного сигнала; чем выше его уровень и частота, тем выше амплитуда боковых составляющих в спектре выходного аналогового сигнала.
Какова величина джиттера, заметного на слух? Теоретически, для того, чтобы отношение сигнал/шум не ухудшалось, 16-разрядный преобразователь должен иметь джиттер не более 100 пикосекунд (в одной наносекунде 1000 пикосекунд). 20-разрядное преобразование требует намного большей точности - порядка 8 пс. Сто пикосекунд - это одна десятимиллиардная доля секунды (1010), примерно такое же время требуется свету, чтобы пройти расстояние в 2-3 см. Более того, значение джиттера 100 пс допустимо, если он имеет случайный характер и в нем нет выраженной периодической составляющей, что было бы существенно хуже с точки зрения звучания. Очевидно, что для точного выполнения цифро-аналогового преобразования необходима чрезвычайно высокая точность.
Где возникает джиттер тактовых импульсов? Основным его источником является интерфейс между транспортом компакт-дисков и цифровым процессором. Тактовый сигнал содержится в сигнале интерфейса S/PDIF (Sony/Philips Digital Interface Format), соединяющего эти два устройства. Цифровой процессор выделяет этот тактовый сигнал при помощи микросхемы входного приемника (обычно это микросхемы "Yamaha YM3623B", ^Philips SAA7274" или .Crystal CS8412"). Использование стандартного метода выделения из интерфейсного сигнала тактовых импульсов и звуковых данных и создание нового тактового сигнала при помощи системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) приводит к появлению сильного джиттера. При стандартном включении микросхемы "Yamaha" джиттер тактовых импульсов доходит до 3-5 не, что в 30-50 раз больше, чем допустимое значение, обеспечивающее точное 16-разрядное преобразование. Согласно техническим параметрам, входной приемник "Crystal CS8412" имеет джиттер тактовых импульсов 150 пс, а приемник "Ultra Analog AES 20" - 40 пс. Даже если входной приемник воссоздает тактовые импульсы с низким уровнем джиттера, практически все элементы внутри цифрового процессора приводят к его увеличению.
Важно отметить, что единственным местом, где сказывается влияние джиттера, является ЦАП. Прекрасно воссозданные тактовые импульсы, испорченные непосредственно перед подачей на вход синхронизации ЦАП'а, ничем не лучше, чем схема восстановления с высоким джиттером в сочетании с мерами, исключающими появление джиттера в цепи, соединяющей ее с ЦАП'ом. Существует также возможность очистить тактовые импульсы от сильного джиттера непосредственно перед подачей на ЦАП.
Джиттер - это временная нестабильность тактовых импульсов, задающих в цифровых аудиосистемах временной масштаб. Джиттер является серьезным и еще недооцененным источником ухудшения звучания цифровых аудиосистем. Только недавно джиттер начал привлекать к себе должное внимание инженеров и ученых, работающих в области звукотехники. Одна из причин, по которой на джиттер раньше не обращали внимание, - чрезвычайная сложность измерения сверхмалых значений временной нестабильности, имеющих порядок лишь нескольких десятков миллиардных долей секунды. Другой причиной было ошибочное мнение, что если последовательность единиц и нулей, представляющая музыкальный сигнал, воспроизведена правильно, то звук должен быть хорошим. К сожалению, получить правильную последовательность единиц и нулей - это только часть задачи. Во избежание ухудшения аудиосигнала полученные единицы и нули должны быть снова преобразованы в аналоговый сигнал с чрезвычайно высокой временной точностью.
Как описано в главе 8, последовательность дискретных выборок аудиосигнала преобразуется обратно в непрерывный аналоговый сигнал при помощи микросхемы цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). ЦАП преобразует двоичный код в напряжение, т.е. выполняет операцию прямо противоположную функции аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Все что требуется для идеального преобразования (во временной области), это подать на ЦАП данные в том же порядке, в каком они были созданы аналого-цифровым преобразователем, и соблюсти имевшие место при этом временные соотношения. Теоретически, это звучит просто, - необходимо только снабдить АЦП стабильным генератором тактовых импульсов и подать стабильные тактовые импульсы той же самой частоты на ЦАП.
На практике это не так просто. Если цифровые отсчеты при воспроизведении преобразуются в аналоговый сигнал в другом темпе, чем при их записи, это приводит к искажению формы аналогового сигнала. Нарушение временных соотношений в последовательности отсчетов обусловлены нестабильностью тактовых импульсов, задающих моменты времени, когда ЦАП преобразует цифровой код в аналоговое напряжение.
Давайте более внимательно рассмотрим, каким образом ЦАП определяет, когда необходимо преобразовывать цифровые данные в аналоговый сигнал. На рис. В-8 двоичные числа в левой части являются словом квантования, представляющим значения аналогового сигнала в моменты дискретизации по времени. Чем больше двоичное число, тем выше уровень сигнала. Прямоугольные импульсы в верхней части рисунка - это тактовый сигнал, задающий ЦАП'у момент преобразования слова квантования в аналоговое напряжение. Предположим, что первоначальная частота дискретизации составляет 44,1 кГц, тогда и частота тактовых импульсов ЦАП'а также будет равна 44,1 кГц (или - если процессор использует цифровой фильтр-передискретизатор, - некоторому числу, кратному 44,1 кГц). По фронту тактового импульса очередной отсчет (слово квантования) загружается в ЦАП. По спаду тактового импульса ЦАП преобразует слово квантования в аналоговое напряжение. Этот процесс происходит 44100 раз в секунду (при отсутствии передискретизации). Если в цифровом процессоре используется 8-кратный цифровой
фильтр-передискретизатор, частота тактовых импульсов будет в восемь раз выше, то есть составит 352,8 кГц.
Именно нестабильность импульсов синхронизации слов воздействует на выходной аналоговый сигнал. Джиттер тактовых импульсов — это любые изменения промежутков времени между задними фронтами (спадами) тактовых импульсов. На рис. В-9 показаны идеальные импульсы синхронизации и тактовые импульсы с джиттером (для наглядности значение джиттера преувеличено).
Давайте рассмотрим, что происходит, когда отсчеты сигнала воссоздаются при помощи ЦАП'а, тактируемого импульсами с джиттером (рис. ВТО). Значения отсчетов, задаваемые единицами и нулями двоичного кода, правильны, но они расположены на неправильных местах. Правильные отсчеты в неправильные моменты времени дают неправильную форму сигнала. Изменение временных соотношений в импульсах синхронизации слов приводит к изменению формы звукового сигнала, то есть к нелинейным искажениям. Помните, что импульсы синхронизации задают ЦАП'у моменты преобразования двоичных слов в аналоговое напряжение; все изменения в их периоде создадут изменения в выходном аналоговом сигнале, то есть в музыке.
Джиттер тактовых импульсов может увеличить уровень шума цифрового преобразователя и внести в его спектр дополнительные составляющие. Если джиттер имеет случайное распределение, то возрастает уровень шума. В том случае, когда джиттер имеет выраженную периодическую составляющую, в аналоговом выходном сигнале появляются дополнительные составляющие в виде боковых спектров по обе стороны от составляющей основной частоты. Именно эти дополнительные периодические составляющие наиболее вредны с точки зрения
качества звучания; они не связаны с частотой звука гармоническими соотношениями и служат причиной жесткого и острого звучания, часто наблюдаемого при использовании цифровой аудиоаппаратуры.
На рис. В-11а показан спектр смоделированного компьютером выходного сигнала цифрового процессора при воспроизведении синусоидального сигнала частотой 10 кГц, если используется тактовый сигнал без джиттера. На рис. В-116 приведены результаты аналогичных измерений, но при воздействии на импульсы синхронизации 2-наносекундного джиттера (две миллиардные доли секунды) с частотой 1 кГц. График на рис. В-116 выявляет дополнительные боковые составляющие с обеих сторон тестового сигнала. Их амплитуда зависит от уровня и частоты входного сигнала; чем выше его уровень и частота, тем выше амплитуда боковых составляющих в спектре выходного аналогового сигнала.
Какова величина джиттера, заметного на слух? Теоретически, для того, чтобы отношение сигнал/шум не ухудшалось, 16-разрядный преобразователь должен иметь джиттер не более 100 пикосекунд (в одной наносекунде 1000 пикосекунд). 20-разрядное преобразование требует намного большей точности - порядка 8 пс. Сто пикосекунд - это одна десятимиллиардная доля секунды (1010), примерно такое же время требуется свету, чтобы пройти расстояние в 2-3 см. Более того, значение джиттера 100 пс допустимо, если он имеет случайный характер и в нем нет выраженной периодической составляющей, что было бы существенно хуже с точки зрения звучания. Очевидно, что для точного выполнения цифро-аналогового преобразования необходима чрезвычайно высокая точность.
Где возникает джиттер тактовых импульсов? Основным его источником является интерфейс между транспортом компакт-дисков и цифровым процессором. Тактовый сигнал содержится в сигнале интерфейса S/PDIF (Sony/Philips Digital Interface Format), соединяющего эти два устройства. Цифровой процессор выделяет этот тактовый сигнал при помощи микросхемы входного приемника (обычно это микросхемы "Yamaha YM3623B", ^Philips SAA7274" или .Crystal CS8412"). Использование стандартного метода выделения из интерфейсного сигнала тактовых импульсов и звуковых данных и создание нового тактового сигнала при помощи системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) приводит к появлению сильного джиттера. При стандартном включении микросхемы "Yamaha" джиттер тактовых импульсов доходит до 3-5 не, что в 30-50 раз больше, чем допустимое значение, обеспечивающее точное 16-разрядное преобразование. Согласно техническим параметрам, входной приемник "Crystal CS8412" имеет джиттер тактовых импульсов 150 пс, а приемник "Ultra Analog AES 20" - 40 пс. Даже если входной приемник воссоздает тактовые импульсы с низким уровнем джиттера, практически все элементы внутри цифрового процессора приводят к его увеличению.
Важно отметить, что единственным местом, где сказывается влияние джиттера, является ЦАП. Прекрасно воссозданные тактовые импульсы, испорченные непосредственно перед подачей на вход синхронизации ЦАП'а, ничем не лучше, чем схема восстановления с высоким джиттером в сочетании с мерами, исключающими появление джиттера в цепи, соединяющей ее с ЦАП'ом. Существует также возможность очистить тактовые импульсы от сильного джиттера непосредственно перед подачей на ЦАП.
Комментариев нет:
Отправить комментарий