[Strannik]

5.Что такое Dithering и Noise Shaping?
6.Как устроены и работают АЦП и ЦАП?
Что такое Dithering и Noise Shaping?

Это в некотором роде искусственные методы обработки цифрового звукового сигнала, направленные на улучшение субъективного качества звучания ценой очевидного ухудшения его объективных характеристик (прежде всего — коэффициента нелинейных искажений и соотношения сигнал/шум).

Dithering (сглаживание) заключается в добавлении к сигналу небольшого количества шума (псевдослучайного цифрового сигнала) разного спектра (белый, розовый и т.п.). При этом заметно ослабляется корреляция ошибок квантования с полезным сигналом («рассеиваются» ошибки округления) и, несмотря на некоторое увеличение шума, субъективное качество звучания заметно повышается. Уровень добавляемого шума выбирается в зависимости от задачи и колеблется от половины младшего разряда отсчета до нескольких разрядов.

Noise Shaping (формовка шума) заключается в преобразовании сильно зашумленного полезного сигнала с целью вытеснения чисто шумовых компонент в надтональную область с выделением в нижней части спектра основной энергии полезного сигнала. По существу, Noise Shaping является одним из видом PWM (Pulse Width Modulation — широтно-импульсная модуляция, ШИМ) с дискретной шириной импульса. Сигнал, обработанный этим методом, требует обязательной фильтрации с подавлением высоких частот — это выполняется либо цифровым, либо аналоговым способом.

Основное применение Noise Shaping находит в области представления цифровых сигналов отсчетами меньшей разрядности с повышенной частотой следования. В delta-sigma ЦАП для повышения частоты следования отсчетов увеличивается в десятки раз частота дискретизации, на которой из исходных многоразрядных отсчетов формируются серии отсчетов разрядностью 1..3. Низкочастотная часть спектра потока этих отсчетов с высокой точностью повторяет спектр исходного сигнала, а высокочастотная содержит в основном чистый шум.

В случае преобразования цифрового сигнала к отсчетам более низкой разрядности на той же частоте дискретизации Noise Shaping выполняется вместе с операцией Dithering'а. Поскольку в этом случае повышение частоты дискретизации невозможно, вместо этого спектр добавляемого шума формируется таким образом, чтобы его низко- и среднечастотная часть максимально точно повторяла слабую часть сигнала, заключенную в отсекаемых младших разрядах отсчетов. Благодаря этому основная энергия шума вытесняется в верхнюю часть рабочего диапазона частот, а в наиболее слышимой области остаются вполне разборчивые следы слабого сигнала, который иначе оказался бы полностью уничтоженным. Несмотря на то, что объективные искажения сохраненного таким образом слабого сигнала очень велики, его субъективное восприятие остается вполне приемлемым, позволяя воспринимать на слух компоненты, уровень которых меньше младшего разряда отсчета.

По существу, Dithering и Noise Shaping являются частными случаями одной технологии — с той разницей, что в первом случае используется белый шум с равномерным спектром, а во втором — шум со спектром, специально сформированным под конкретный сигнал. Данная технология приводит к «нестандартному» использованию цифрового формата, основанному на особенностях человеческого слуха.

Как устроены и работают АЦП и ЦАП?

В основном применяется три конструкции АЦП: — параллельные — входной сигнал одновременно сравнивается с эталонными уровнями набором схем сравнения (компараторов), которые формируют на выходе двоичное значение. В таком АЦП количество компараторов равно (2 в степени N) — 1, где N — разрядность цифрового кода (для восьмираз- рядного — 255), что не позволяет наращивать разрядность свыше 10-12. — последовательного приближения — преобразователь при помощи вспомогательного ЦАП генерирует эталонный сигнал, сравниваемый со входным.
Эталонный сигнал последовательно изменяется по принципу половинного деления (дихотомии), который используется во многих методах сходящегося поиска прикладной математики. Это позволяет завершить преобразование за количество тактов, равное разрядности слова, независимо от величины входного сигнала. — с измерением временнЫх интервалов — широкая группа АЦП, использующая для измерения входного сигнала различные принципы преобразования уровней в пропорциональные временнЫе интервалы, длительность которых измеряется при помощи тактового генератора высокой частоты. Иногда называются также считающими АЦП.

Среди АЦП с измерением временнЫх интервалов преобладают следующие три типа: — последовательного счета, или однократного интегрирования (single-slope) — в каждом такте преобразования запускается генератор линейно возрастающего напряжения, которое сравнивается со входным. Обычно такое напряжение получают на вспомогательном ЦАП, подобно АЦП последовательного приближения. — двойного интегрирования (dual-slope) — в каждом такте преобразования входной сигнал заряжает конденсатор, который затем разряжается на источник опорного напряжения с измерением длительности разряда. — следящие — вариант АЦП последовательного счета, при котором генератор эталонного напряжения не перезапускается в каждом такте, а изменяет его от предыдущего значения до текущего.

Наиболее популярным вариантом следящего АЦП является Sigma-Delta, работающий на частоте Fs, значительно (в 64 и более раз) превышающей частоту дискретизации Fd выходного цифрового сигнала. Компаратор такого АЦП выдает значения пониженной разрядности (обычно однобитовые — 0/1), сумма которых на интервале дискретизации Fd пропорциональна величине отсчета. Последовательность малоразрядных значений подвергается цифровой фильтрации и понижению частоты следования (decimation), в результате чего получается серия отсчетов с заданной разрядностью и частотой дискретизации Fd.

Для улучшения соотношения сигнал/шум и снижения влияния ошибок квантования, которое в случае однобитового преобразователя получается довольно высоким, применяется метод формовки шума (Noise Shaping) через схемы обратной связи по ошибке и цифрового фильтрования. В результате применения этого метода форма спектра шума меняется так, что основная шумовая энергия вытесняется в область выше половины частоты Fs, незначительная часть остается в нижней половине, и практически весь шум удаляется из полосы исходного аналогового сигнала.

ЦАП в основном строятся по двум принципам: — взвешивающие — с суммированием взвешенных токов или напряжений, когда каждый разряд входного слова вносит соответствующий своему двоичному весу вклад в общую величину получаемого аналогового сигнала; такие ЦАП называют также параллельными или многоразрядными (multibit). — Sigma-Delta, по принципу действия обратные АЦП этого же типа. Входной цифровой сигнал подвергается значительной (64x и более) передискретизации и подается на модулятор, формирующий малоразрядные (обычно однобитовые) значения, обрабатываемые методом Noise Shaping (обычно реализуемым посредством цифрового фильтра и обратной связи по ошибке). Полученные в результате малоразрядные отсчеты управляют схемой выдачи эталонных зарядов, которые со столь же высокой частотой добавляются к выходному сигналу.

Типы ЦАП, выдающих истинно одноразрядный поток, называют bitstream (поток битов) или PDM (Pulse Density Modulation — модуляция плотностью импульсов). Несколько другой тип представляют ЦАП с широтно-импульсной
модуляцией (ШИМ, Pulse Width Modulation, PWM), когда на схему выборки-хранения аналогового сигнала выдаются импульсы постоянной амплитуды и переменной длительности, управляя дозированием выдаваемого на выход заряда. На этом принципе работают преобразователи MASH (Multi-stAge noise SHaping — многостадийная формовка шума) фирмы Matsushita. В них сигнал обратной связи по ошибке получают сразу несколько схем формовки шума, управляющих шириной выходного импульса.

Различие ЦАП типа PDM и PWM в основном состоит в том, что максимальная ширина импульса в PWM не равна степени двойки (например, для MASH она равна 11).

ЦАП с передискретизацией и малым числом реальных разрядов обладают значительно лучшей линейностью, нежели параллельные ЦАП той же эффективной разрядности. Форма выходного сигнала таких ЦАП представляет собой полезный сигнал, обрамленный значительным количеством высокочастотного шума, основная энергия которого достаточно далеко отстоит от верхней частоты полезного сигнала и потому эффективно подавляется даже простейшим аналоговым фильтром.