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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Comment sonnent les CD (spéculation et réalité). Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / l'audio Le format numérique pour l'enregistrement de CD audio (CD) Le CD audio s'est solidement établi sur le marché des équipements audio grand public. Dans la littérature populaire amateur et professionnelle, divers auteurs se sont prononcés à plusieurs reprises sur les avantages et les inconvénients de ce format. Dans l'article proposé, basé sur mon expérience, je vais essayer de dissiper certaines idées fausses. Dans [1], l'auteur souligne l'inopportunité de copier des cassettes compactes à partir de CD, se référant au fait que la qualité sonore d'un CD, à son avis, peut être assimilée à la qualité sonore d'un équipement de reproduction sonore analogique de la 3ème classe . Dans cet article (qui est très intéressant), l'auteur a remis en question le théorème de Shannon (ou, comme on l'appelle dans la littérature russe, le théorème de Kotelnikov). Supposons que l'entrée du convertisseur analogique-numérique (ADC) reçoive un signal avec un spectre uniformément distribué dans la bande de fréquence de 0 à 20 kHz (Fig. 1a). Si une conversion analogique-numérique est effectuée avec une fréquence d'échantillonnage fg = 44,1 kHz (légèrement supérieure à celle selon le théorème de Shannon), puis une conversion numérique-analogique inverse est effectuée au même fg, alors des bandes parasites avec fréquences centrales multiples de fg (Fig. 1b). De façon simpliste, ce phénomène peut être appelé la transformation de signaux sinusoïdaux élémentaires en signaux de forme complexe (par exemple, le cas décrit dans [1] de la conversion d'un seul signal sinusoïdal de 20 kHz en un méandre de même fréquence).
Pour mieux comprendre l'essence de ce qui se passe, passons à la conversion des signaux périodiques harmoniques du domaine temporel au domaine fréquentiel. La figure 2 illustre graphiquement ce processus. Dans le plan temporel UOt, un graphe d'un signal périodique est tracé. Si nous décomposons une fonction graphique à l'aide de la transformée de Fourier discrète (DFT), de la transformée de Hartley rapide (FHT) ou de la transformée en cosinus discrète moderne (DCT) en harmoniques et que nous traçons leur amplitude avec un décalage le long de l'axe des fréquences, nous pouvons voir que le signal d'origine dans son spectre contient deux harmoniques avec des amplitudes U1 et U2. En pratique, la dépendance temporelle de l'amplitude est observée à l'aide d'oscilloscopes, et la dépendance en fréquence est observée à l'aide d'analyseurs de spectre.
Si nous effectuons la DCT de signaux sinusoïdaux et rectangulaires avec une fréquence de 20 kHz à fg = 40 kHz, nous obtenons le résultat illustré sur les Fig. 3 a et b, respectivement. Comme vous pouvez le voir, dans le spectre d'un signal rectangulaire, en plus de la fréquence fondamentale, il existe de nombreuses harmoniques avec des fréquences multiples de la fondamentale et des amplitudes qui diminuent avec l'augmentation du nombre d'harmoniques. En utilisant un filtre passe-bas (c'est-à-dire en supprimant toutes les harmoniques "supplémentaires"), vous pouvez obtenir un signal sinusoïdal à partir d'un signal rectangulaire. Ce processus peut être fourni par des méthodes analogiques et numériques.
Si maintenant, sachant qu'en sortie du DAC, le signal issu de la sinusoïdale devient rectangulaire, c'est-à-dire des bandes parasites apparaissent dans le spectre (Fig. 16), utilisez un filtre passe-bas avec une fréquence de coupure fcp = 20 kHz, toutes les bandes parasites multiples de fg peuvent être supprimées du signal résultant. Les filtres passe-bas actifs du nième ordre se trouvent généralement dans tous les lecteurs de CD, sinon directement dans le circuit, du moins dans le cadre de DAC intégrés. Des harmoniques parasites dans le signal apparaissent en raison de la réponse en fréquence non idéale du filtre passe-bas inclus à l'entrée et à la sortie de l'ADC et du DAC (Fig. 4). De ce fait, il se produit une superposition des spectres des signaux générés par le DAC, et le niveau des composantes parasites est d'autant plus faible, plus la réponse en fréquence du filtre passe-bas est "pentue" et plus l'atténuation dans sa bande d'arrêt est importante.
L'augmentation de fg d'un facteur 4 ou 8 par rapport à la fréquence de Nyquist (la fréquence supérieure du signal) vous permet de pousser légèrement les composants du spectre du signal à la sortie du DAC, cependant, cela augmente déraisonnablement le flux de données numériques, ce qui ne peut pas être réduite à l'aide de la norme AudioCD. Ce n'est qu'en améliorant les caractéristiques du filtre passe-bas avant l'ADC et après le DAC qu'il est possible de faire face à l'augmentation des interférences créées par les bandes parasites latérales. Les PCD modernes avec un filtre passe-bas d'au moins 6ème ordre réussissent relativement bien à filtrer le signal après le DAC, offrant une atténuation du bruit parasite d'au moins 90 dB. La bande passante des canaux sonores dans ce cas est de 20 ... 21600 Hz avec une irrégularité de 5 * 10-3 db. Ces paramètres sont nettement supérieurs aux paramètres similaires des équipements de reproduction sonore analogique de toutes les classes. De ce qui précède, nous pouvons conclure que lors de l'échantillonnage d'un signal avec fg = 2fB, il est nécessaire de resserrer les exigences pour le filtre passe-bas à la sortie du DAC PKD. Dans [1], l'auteur rend également compte de la compression du signal avant enregistrement sur CD, ainsi que de la formation d'une coupure de fréquence dans les enregistrements réalisés à partir de ces CD de l'ordre de 20...200 Hz. Plus précisément, le blocage atteint une fréquence de 1 kHz, qui est considérée comme une référence pour la technologie des fréquences audio. Comme il ressort de la théorie de l'immunité au bruit, lors de la transmission de signaux (y compris audio), il est conseillé de compresser les signaux avec une plage dynamique et une bande de fréquences étendues avant la transmission, ce qui a été mis en pratique avec succès par le chercheur américain Dolby. L'expansion du signal est effectuée dans le VPC à la demande de l'utilisateur. Il convient de noter que dans la plupart des lecteurs de CD-ROM qui lisent des CD, l'expandeur est en fait absent. Sa fonction est remplacée par un filtre passe-bas, qui est disponible dans la grande majorité des cartes son et dans les enceintes actives (bouton "Bass"), qui élève le niveau des graves, mais ne peut pas être un analogue complet d'un expandeur. La partie numérique du PCD a la capacité à la fois de corriger et de masquer les erreurs, et les erreurs dues à la mauvaise qualité de l'enregistrement sur le CD lui-même et aux défauts de sa surface peuvent être corrigées. Cependant, cette fonction du PKD ne peut pas être surestimée, car les codes utilisés pour la vérification corrigent un nombre fini d'erreurs, et leur nombre pendant le fonctionnement du PKD (dommages mécaniques) augmente malheureusement. Ainsi, lors de la lecture de CD de faible qualité, en particulier ceux qui ont subi une utilisation intensive, la qualité sonore des CD est fortement réduite. Permettez-moi de vous donner ce fait comme exemple. Un code de correction à trois bits d'un mot à quatre bits (avec correction de Hamming) ne corrige pas plus d'une erreur. Par conséquent, il est nécessaire d'avoir un enregistrement tel que l'erreur ne se produise pas plus d'une fois par 1 bits d'information. Bien sûr, des codes de correction plus puissants sont utilisés dans le VPC, mais il y a toujours une certaine limite au nombre d'erreurs. Un rôle important est également joué par la qualité de l'équipement sur lequel le CD est enregistré ; la qualité de la matrice à partir de laquelle les CD sont répliqués lors de leur production de masse ; ainsi que les conditions de fonctionnement du CD. Il y a une opinion selon laquelle le même morceau de musique, enregistré sur un CD sur un équipement différent, sonne différemment. Cela est vrai parce que le VCD essaie de corriger (masquer) les erreurs qui se produisent lors de la lecture de CD enregistrés avec un équipement de mauvaise qualité. Schématiquement, le processus d'apparition et de masquage des erreurs est illustré à la Fig.5. Soit aux instants t1-t2 et t3-t4 le signal est affecté par un bruit impulsionnel (Fig. 5a). Le dispositif de correction le suit et le remplace par des lectures voisines "non affectées" (Fig. 56), c'est-à-dire interpole le signal. Cependant, si vous appliquez DCT au signal reçu et analysez son spectre, vous pouvez y voir des bandes parasites. Si le filtre basse fréquence à la sortie du DAC "se bat" avec succès avec les composants haute fréquence, des interférences à basse fréquence se superposent au signal résultant, créant des distorsions spécifiques, particulièrement perceptibles lors d'interférences à long terme.
Il y a une indication dans la littérature que les soi-disant "DAC à un seul bit" ont des paramètres plus mauvais que ceux à plusieurs bits. En particulier, une plus grande valeur de gigue de phase ("jitter") est observée dans les CNA à un seul bit. La figure 6 montre un schéma fonctionnel d'un DAC monobit CS4328 de Crystal Sem. Les données série (peuvent être présentées en 4 formats) sont introduites dans le convertisseur d'entrée (IP), qui les convertit en flux parallèles 18 bits de deux canaux. Les signaux via des interpolateurs numériques (DI) sont transmis à des modulateurs delta numériques (DM), qui forment des flux de données d'un bit avec un "suréchantillonnage" de 64 fois. De plus, les signaux sont transmis à des CNA à bit unique, à un filtre passe-bas du sixième ordre et à travers des amplificateurs tampons sont transmis à la sortie du circuit.
Étant donné que le microcircuit utilise des CNA à un seul bit plus simples et moins chers, le coût de l'appareil diminue avec une légère détérioration de ses paramètres. Le générateur d'horloge (TG) pilotant le DAC est verrouillé par la PLL sur l'horloge CLK entrante, ce qui réduit la gigue. Le filtre à condensateur commuté permet d'utiliser le circuit à n'importe quelle fréquence d'horloge (c'est-à-dire qu'il n'est pas nécessaire de reconfigurer le filtre passe-bas). La plage dynamique de la puce atteint 93 dB. Sans aucun doute, au moment de la sortie des premiers VRM, les appareils de cette classe avaient des caractéristiques comparables ou supérieures à celles des équipements de reproduction sonore analogique haut de gamme. Les solutions de circuit de divers fabricants différaient en variété, ce qui a entraîné la promotion de modèles de haute et de basse qualité sur le marché. Venir remplacer le CD multi-profil DVD-ROM (version audio) permet de résoudre le problème du filtrage des harmoniques parasites dans le spectre du signal de sortie par des méthodes numériques, ainsi qu'en augmentant le taux d'échantillonnage. Étant donné que la technologie DVD utilise la compression audio MPEG-2, i. représentation fréquence-amplitude du signal par DCT avec réduction subséquente de la redondance, il devient possible d'effectuer un filtrage numérique efficace à l'aide de processeurs de signaux numériques. La capacité d'un DVD simple couche est de 4,7 Go contre 680 Mo pour un CD, ce qui permet d'écrire de grandes quantités de données sur un DVD. Cependant, étant donné que les mêmes dispositifs électroniques (ADC, DAC, etc.) seront utilisés dans les solutions de circuit, les problèmes de réduction de la gigue, etc. seront également aigus. Les entreprises produisant des composants électroniques les résoudront en concevant des appareils plus modernes et de haute qualité. Dans le même temps, le PKD est le remplacement le plus complet des équipements de reproduction sonore analogique obsolètes. littérature 1. Skulkin I. Sur la qualité du son sur les CD. - Radioamateur, 1998, N1.C.19 Auteur : V. Fedorov, Lipetsk ; Publication : N. Bolchakov, rf.atnn.ru
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