Mýty, pověry a fakta o digitálních signálech

[sledge]

Zdravím.

Rozhodl jsem se založit toto téma na základě diskuze k TL072, která se zvrhla v řešení principů a vlastností A/D a D/A převodu.

Abychom zachovali tématickou homogenitu tak myslím, že tady bude debatám o digitalizaci poněkud lépe.

Mýt č.1 - u digitálního signálu klesá dynamika u vysokých frekvencí.

Argument (volná interpretace) - při jednobitovém vzorkování (ekvivalent PWM) nelze mít dostatečně krátké délky pulzu (resp. frekvenci převodníku vysokou) tak, abych postihl všechny úrovně signálu. Pro rozlišení 4 bity bych potřeboval 16xFs, pro 16 bitů 65536xFs (Fs je ekvivalent vzorkování u PCM).

Realita - řečené by platilo maximálně pro delta modulaci, která byla popsána kolem 2. Světové války. U Pravých PCM převodníku to neplatí (kvantizační hladiny nezávisí na frekvenci), u moderních delta-sigma struktur se kvantizační šum+zkreslení delta převodníků upravuje filtrací (sadou integračních filtrů, čili sumací, odtud delta-SIGMA, tedy znak pro sumu) a posouvá se MIMO akustické pásmo. Tato technika se nazývá NOISE SHAPING. Moderní převodníky navíc používají jednak sadu filtrů vyšších řádů, ale i víceúrovňové převodníky (ne jen 1 bit) - např. AKM používa dva bity (Enhanced dual bit architecture), takže při noise flooru například -130 dBFS je patrný nárůst šumu mezi 30 kHz - 40 kHz. do této frekvence je ŠUMOVÉ POZADÍ PŘES CELÉ SPEKTRUM PRAKTICKY STEJNÉ!

Další mýty, fakta, dotazy a pověry ohledně digitalzace vítány (opraveno)

[Cajs]

Další mýty, fakta, dotazy a pověry ohledně digitalzace výtány

Pěkně prosím, nemohly by mýty býti normálně česky vítány?

[sledge]

Htovo. Věřím, že teď je teorie digitalizace už jasnější

[TomasVv]

Děkuji za skvělý počin. Dokázal bys to více rozvést a doplnit o obrázky?

[sledge]

Rozvést snad ano, obrázky si najděte sami )

http://en.wikipedia.org/wiki/Noise_shaping" onclick="window.open(this.href);return false;

http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/do ... 1&type=pdf" onclick="window.open(this.href);return false;

Mimochodem tento článek http://sjeng.org/ftp/SACD.pdf z AES konference je docela zajímavý. Sám tomu do detailu nerozumím, nicméně již nadpis "Why 1-Bit Sigma-Delta Conversion is unsuitable for High-Quality Applications" je docela vystižný a vrhá na DSD docela nové světlo (a to jde o 10 let starý materiál). Když se pak podíváme na moderní převodníky, tak již před několika lety používali alespoň dvoubitové převodníky, moderní typy CS5383 či AK5394, tak používají vícebitovou architekturu ve svých delta-sigma modulátorech....

[sledge]

Slyšitelnost 16/44.1 A/D/A převodu v signálové cestě:

Narazil jsem na další zajímavý materiál - http://drewdaniels.com/audible.pdf" onclick="window.open(this.href);return false;

Porovnávala se reprodukce Hi-Res formátu přímo a s vřazeným A/D/A převodníkem 16/44.1. Výsledek řady AB testů byl ten, že při nižších až středních úrovních hlasitosti (tuším 0 dBFS = 101 dB) byly "preference" cca 50:50, při vyšších hlasitostech už začalo být slyšet kvantizační šum. Zajímavé však je, že vřazení A/D/A tedy skoro nebylo slyšet, avšak naprostá většina Hi-Res disků zněla lépe, někdy dokonce výrazně lépe, než nahrávky na CD....že by si zvukaři dali více záležet na výsledné kvalitě HiRes formátů? )

[sledge]

Latence AD a DA převodníků
Na toto téma mě přivedly pulty iLive, u kterých jsem si všiml, že mají udávanou celkovou latenci nižší, než odpovídá "mě známých" (rozuměj těch několika, do jejichž datasheetu jsem se koukal) převodníkům. U těch mě známých převodníků AD (AK5385, AK5394,...) je udávaná latence řekněme v rozsahu 40-64 vzorkovacích period (znamená 48 kHz,96 kHz), u DA převodníků je často kolem 40 vzorkovacích period. To vede na latenci AD převodu při 48 kHz 0,8-1,3 ms a řekněme do 0,8 ms u DA převodu. iLive má však celkovou latenci pod 2 ms, Soundcraft Si snad dokonce pod 1 ms!!!

Tak jsem se na to blíže juknul a zde jsou výsledky:

Dnešní převodníky jsou prakticky výhradně delta-sigma, obvykle dvou a vícebitové. Latence je způsobená de facto převážně anti-aliasingovým (u AD, u DA jde spíše o interpolační) filtrem. Ten je realizován jako digitální. Je jasné, že filtr musí být hodně strmý, pokud máme mít "nedotknuté" propustné pásmo a ztlumené nepropustné pásmo. Strmý filtr však vede na velký počet koeficientů digitálních filtrů (podobně jako u analogu, kde strmost narůstá s počtem cívek a kondenzátorů).

Filtry jsou v digitální doméně dvojího typu - IIR a FIR. IIR jsou jakousi digitální obdobou analogových filtrů a nemají tak podmíněně omezenou impulzní odezvu. Naproti tomu FIR filtry si můžeme představit jako sadu zpožďovacích vedení s určitým útlumem, jejichž signál na konci sečteme. Speciálním případem FIR filtrů pak je filtr s lineární fází. To je filtr, který zpožďuje všechny složky stejně, má tedy konstantní časové zpoždění (přesně se nazývá skupinové zpoždění) v celém pásmu a plochou (lineární) fázovou charakteristiku, tedy s konstantním sklonem v celém pámu. Filtr s lineární fází tak musí mít symetricky rozložené koeficienty a jeho impulzní odezva tak připomná funkci (sin (x))/x. Délka impulzní odezvy je určena počtem koeficientů filtru, čím je delší, tím je filtr strmější.


Jelikož impulzní odezva nemůže začít dříve, než přijde signál, je hlavní špička impulzu posunuta o polovinu délky impulzní odezvy. Proto mají filtry s lineární fází nejdelší latenci, na druhou stranu v podstatě nemění tvar signálu v časové oblastí tak, jak to dělají filtry s nelineární fází.

Pokud tak chci dosáhnout nízké latence, mohu zkrátit impulzní odezvu filtru (méně strmý filtr s vyšším zvlněním v propustném pásmu, riziko většího aliasingu), nebo použít filtr s nelineární fází, který však "rozfázuje" jednotlivé složky (obvykle vyšší frekvence jsou zpožděny výrazně více, nízké takřka vůbec).

Změny ve zázové charakteristice přitom začínají mnohem dříve, než změny v amplitudové charakteristice. Pro ilustraci fázová charakteristika obyčejného integračního RC článku se začíná aproximačně měnit již na desetině mezní frekvence (bod -3dB) a končí na desetinásobku mezní frekvence.

Je třeba uvést, že každý analogový filtr má také nelineární fázi, na druhou stranu nejsou takového řádu, jako filtry digitální. Vůbec nic tím neříkám o slyšitelnosti případného "fázového" zkreslení, neboť jsem nikdy neměl příležitost různé převodníky porovnávat. Lze se doslechnout názory od "k fázově nelineárnímu převodníku bych se ani nepřiblížil" až po "je to jedno"

Z níže linkovaného si dovolím ocitovat část o "slyšitelnosti" fázového zkreslení:

Audibility of group delay distortion
Research has shown the ear is relatively insensitive to group delay distortion of several milliseconds for low frequencies (<1kHz) and insensitive to +/-0.5ms over the 1-5kHz band [19]. Other work shows that the sensitivity to group delay distortion falls after 4kHz and therefore group delay distortion in the upper regions of the audio band is much less audible [20].
For a typical minimum phase filter designed for 44.1kHz the group delay distortion up to 10kHz is under 2 samples (less then 46μs) and may be inaudible.

Nějaké další info spolu s obrázky zde:
http://www.wolfsonmicro.com/documents/u ... epaper.pdf