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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Como os CDs soam (especulação e realidade). Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Áudio O formato digital para gravação de discos compactos de áudio (CD) O CD de áudio tornou-se firmemente estabelecido no mercado de equipamentos de áudio de consumo. Na literatura popular amadora e profissional, vários autores têm falado repetidamente sobre as vantagens e desvantagens deste formato. Neste artigo, com base na minha experiência, tentarei dissipar alguns equívocos. Em [1], o autor aponta a inadequação da cópia de cassetes compactas de CDs, citando o fato de que a qualidade sonora dos CDs, em sua opinião, pode ser equiparada à qualidade sonora de equipamentos de reprodução de som analógico classe 3. Neste artigo (que é muito interessante), o autor questionou o teorema de Shannon (ou, como é chamado na literatura russa, o teorema de Kotelnikov). Suponhamos que a entrada de um conversor analógico-digital (ADC) receba um sinal com espectro uniformemente distribuído na faixa de frequência de 0 a 20 kHz (Fig. 1 a). Se você realizar uma conversão analógico-digital com uma frequência de amostragem fg = 44,1 kHz (um pouco maior do que de acordo com o teorema de Shannon) e, em seguida, realizar uma conversão reversa digital-analógica no mesmo fg, então sinais parasitas aparecerão no espectro do sinal analógico que sofreu essas transformações bandas com frequências centrais múltiplas de fg (Fig. 1b). Simplificando, esse fenômeno pode ser chamado de transformação de sinais senoidais elementares em sinais de formas complexas (por exemplo, o caso descrito em [1] de conversão de um único sinal senoidal de 20 kHz em uma onda quadrada com a mesma frequência) .
Para entender melhor a essência do que está acontecendo, vamos nos voltar para a conversão de sinais periódicos harmônicos do domínio do tempo para o domínio da frequência. A Figura 2 exibe graficamente esse processo. Um gráfico de um sinal periódico é traçado no plano de tempo UOt. Se você decompor a função mostrada no gráfico usando a transformada discreta de Fourier (DFT), a transformada rápida de Hartley (FHT) ou a moderna transformada discreta de cosseno (DCT) em harmônicos e exibir graficamente sua amplitude com um deslocamento ao longo do eixo de frequência De, você pode ver que o sinal original em seu espectro contém dois harmônicos com amplitudes U1 e U2. Na prática, a dependência da amplitude no tempo é observada usando osciloscópios, e a dependência da frequência é observada usando analisadores de espectro.
Se você realizar DCT de sinais senoidais e quadrados com frequência de 20 kHz em fg = 40 kHz, obterá o resultado mostrado na Fig. Como você pode ver, no espectro de um sinal retangular, além da frequência fundamental, existem muitos harmônicos com frequências múltiplas da fundamental e amplitudes que diminuem com o aumento do número harmônico. Usando um filtro passa-baixa (ou seja, eliminando todos os harmônicos “extras”), você pode obter um sinal senoidal de um sinal retangular. Este processo pode ser alcançado usando métodos analógicos e digitais.
Se agora, sabendo que na saída do DAC o sinal senoidal torna-se retangular, ou seja, bandas parasitas aparecem no espectro (Fig. 16), use um filtro passa-baixa com frequência de corte fcp = 20 kHz, todas as bandas parasitas que são múltiplos de fg podem ser removidas do sinal resultante. Filtros passa-baixo ativos de enésima ordem são geralmente encontrados em todos os reprodutores de CD (CDs), se não diretamente no circuito, pelo menos como parte de DACs integrados. Harmônicos parasitas no sinal aparecem devido à imperfeição da resposta de frequência dos filtros passa-baixa conectados na entrada e saída do ADC e DAC (Fig. 4). Como resultado, ocorre aliasing dos espectros dos sinais gerados pelo DAC, e o nível de componentes espúrios é menor, quanto mais acentuada for a resposta de frequência do filtro passa-baixa e maior for a atenuação em sua banda de parada.
Aumentar fg em 4 ou 8 vezes em relação à frequência de Nyquist (a frequência superior do sinal) permite expandir ligeiramente os componentes do espectro do sinal na saída do DAC, no entanto, isso aumenta injustificadamente o fluxo de dados digitais, que não pode ser reduzido usando o padrão AudioCD. Somente melhorando as características do filtro passa-baixa antes do ADC e depois do DAC poderemos combater o aumento da interferência criada pelas bandas parasitas laterais. PCDs modernos com filtro passa-baixa de pelo menos 6ª ordem são relativamente bem-sucedidos na filtragem do sinal após o DAC, proporcionando atenuação de interferências espúrias de pelo menos 90 dB. A largura de banda dos canais de áudio é de 20...21600 Hz com uma irregularidade de 5*10-3 dB. Esses parâmetros são visivelmente superiores aos parâmetros semelhantes de equipamentos analógicos de reprodução de som de todas as classes. Do exposto, podemos concluir que ao amostrar um sinal com fg=2fB, é necessário restringir os requisitos para o filtro passa-baixa na saída do PKD DAC. Em [1], o autor também relata a compressão do sinal antes da gravação em um CD, bem como a formação de um bloco de frequência nas gravações feitas a partir desses CDs na região de 20...200 Hz. Mais precisamente, o bloqueio atinge a frequência de 1 kHz, considerada o padrão para tecnologia de audiofrequência. Como decorre da teoria da imunidade ao ruído, na transmissão de sinais (inclusive áudio), sinais com grande faixa dinâmica e banda de frequência devem ser comprimidos antes da transmissão, o que foi colocado em prática com sucesso pelo pesquisador americano Dolby. A expansão do sinal é realizada no VCD a pedido do usuário. É importante notar que na maioria das unidades de CD-ROM que reproduzem CDs, praticamente não há expansor. Sua função é substituída por um filtro passa-baixo, disponível na grande maioria das placas de som e nos alto-falantes ativos (o botão "Bass"), que aumenta o nível dos graves, mas não pode de forma alguma ser um análogo completo de um expansor. A parte digital do CD tem a capacidade de corrigir e mascarar erros, podendo ser corrigidos tanto os erros causados pela má qualidade da gravação no próprio CD quanto por defeitos em sua superfície. Porém, esta função do PCD não pode ser superestimada, pois os códigos nele utilizados para verificação corrigem um número finito de erros, e seu número durante o funcionamento do CD (danos mecânicos), infelizmente, aumenta. Assim, ao reproduzir CDs de baixa qualidade, especialmente aqueles que foram submetidos a uso intensivo, a qualidade do som do CD diminui drasticamente. Deixe-me dar esse fato como exemplo. Um código de correção de três bits para uma palavra de quatro bits (com correção de Hamming) não corrige mais do que 1 erro. Portanto, é necessário ter um registro tal que o erro ocorra no máximo uma vez a cada 1 bits de informação. É claro que o PKD usa códigos de correção mais poderosos, mas ainda há um certo limite no número de erros. A qualidade do equipamento utilizado para gravar o CD também desempenha um papel importante; a qualidade da matriz a partir da qual os CDs são replicados durante a sua produção em massa; bem como as condições de operação do CD. Existe a opinião de que a mesma música gravada em CD em equipamentos diferentes soa diferente. Este é realmente o caso, porque o CD tenta corrigir (mascarar) erros que ocorrem durante a reprodução de CDs gravados em equipamentos de baixa qualidade. O processo de circuito de ocorrência de erros e mascaramento é mostrado na Fig. Deixe nos momentos t5-t1 e t2-t3 o sinal ser afetado pelo ruído de impulso (Fig. 4a). O dispositivo de correção rastreia-o e substitui-o por leituras vizinhas “não afetadas” (Fig. 5), ou seja, interpola o sinal. No entanto, se você aplicar DCT ao sinal recebido e analisar seu espectro, poderá ver bandas espúrias nele. Se o filtro de baixa frequência na saída do DAC “combater” com sucesso os componentes HF, a interferência de baixa frequência será sobreposta ao sinal resultante, criando distorções específicas, especialmente perceptíveis com interferência de longo prazo.
Na literatura há indicação de que os chamados “DACs de bit único” possuem parâmetros piores que os de múltiplos bits. Em particular, um valor maior de jitter de fase (“jitter”) é observado em DACs de bit único. A Figura 6 mostra o diagrama funcional de um DAC CS4328 de um bit da Crystal Sem. Os dados seriais (podem ser apresentados em 4 formatos) entram no conversor de entrada (IC), que os converte em fluxos paralelos de 18 bits de dois canais. Os sinais são alimentados através de interpoladores digitais (DI) para moduladores delta digitais (DM), que geram fluxos de dados de bit único com “sobreamostragem” de 64 vezes. Em seguida, os sinais são alimentados em DACs de um bit, filtros passa-baixa de sexta ordem e, por meio de amplificadores buffer, são fornecidos à saída do circuito.
Como o chip usa DACs de um bit mais simples e baratos, o custo do dispositivo diminui com uma ligeira deterioração em seus parâmetros. O gerador de clock (CG), que controla o DAC, é sincronizado usando o loop PLL com os pulsos de clock CLK de entrada, o que reduz o nível de jitter. O filtro nos capacitores comutáveis permite que o circuito seja usado em qualquer frequência de clock (ou seja, não há necessidade de reconfigurar o filtro passa-baixa). A faixa dinâmica do chip chega a 93 dB. Sem dúvida, na época do lançamento dos primeiros PCDs, os dispositivos desta classe apresentavam características comparáveis ou superiores às características correspondentes dos equipamentos de reprodução de som analógico de alta classe. As soluções de circuitos dos diversos fabricantes eram variadas, o que ocasionou a promoção no mercado de modelos de alta e baixa qualidade. A chegada de um disco DVD multidisco (versão sonora) em substituição ao CD permite resolver o problema da filtragem de harmônicos parasitas no espectro do sinal de saída por métodos digitais, bem como pelo aumento da frequência de amostragem. Como a tecnologia DVD usa compactação de dados de áudio MPEG-2, ou seja, representação frequência-amplitude do sinal usando DCT com posterior redução de redundância, torna-se possível uma filtragem digital eficaz usando processadores de sinal digital. A capacidade de um DVD de camada única é de 4,7 GB versus 680 MB de CD, o que permite gravar grandes quantidades de dados em DVD. No entanto, como as soluções de circuito utilizarão os mesmos dispositivos eletrônicos (ADC, DAC, etc.), os problemas com a redução do jitter, etc., serão igualmente agudos. As empresas que produzem componentes eletrônicos irão resolvê-los projetando dispositivos mais modernos e de alta qualidade. Atualmente, o PCD é o substituto mais completo para equipamentos obsoletos de reprodução de som analógico. Literatura 1. Skulkin I. Sobre a qualidade do som nos CDs. - Rádio Amador, 1998, N1.C.19 Autor: V. Fedorov, Lipetsk; Publicação: N. Bolshakov, rf.atnn.ru
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