| |
 |
| |
Η τεχνολογία DSD (Direct Stream Digital) |
|
|
Είναι σημαντικό
να τονιστεί ότι το Super Audio CD δεν είναι απλώς "ένα καλύτερο
CD" (κάτι το οποίο θα μπορούσαμε να πούμε για το DVD Audio για
παράδειγμα) αλλά μία τεχνολογία βασισμένη στη διαφορετική διαδικασία
ψηφιοποίησης του σήματος κατά την παραγωγή των δίσκων. Η
διαδικασία αυτή ονομάζεται DSD (Direct Stream Digital) και βασίζεται
σε δύο ενδιαφέρουσες ιδέες. Την διαμόρφωση δΣ, με απλά λόγια
στην κωδικοποίηση όχι του σήματος αλλά των στιγμιαίων διαφορών από
δείγμα σε δείγμα και την κωδικοποίηση PDM (Pulse Density Modulation)
όπου η πληροφορία μεταφέρεται από την πυκνότητα μίας παλμοσειράς
. |
|
Eισαγωγή, Η τεχνολογία
Super Audio CD, δΣ, PDM και
DSD, Συστήματα πολυκαναλικού ήχου, Πού θα
βρω δίσκους; |
| |
|
|
Η
συμβατική κωδικοποίηση pcm προβλέπει την αντιστοίχιση μιας ψηφιακής
λέξης σε κάθε μια από τις πιθανές στάθμες του αναλογικού σήματος (με
16 ψηφία έχουμε 65536 τέτοιες στάθμες) μια διαδικασία που
περιγράφεται σχηματικά στο σχήμα 1. Η σωστή λειτουργία ενός
κυκλώματος που πραγματοποιεί την αποστολή αυτή εξαρτάται σε μεγάλο
βαθμό από την προσεκτική κατασκευή του καθώς απαιτείται ακρίβεια
υλικών και τάσεων αναφοράς. Το επόμενο βήμα ήταν η κωδικοποίηση όχι
του ίδιου του αναλογικού σήματος αλλά των διαφορών στην
στάθμη του από την μία στιγμή του δειγματισμού στην
επόμενη. Η κωδικοποίηση αυτή ονομάστηκε διαφορική διαμόρφωση
κώδικα παλμών (d-pcm) και άνοιξε έναν ενδιαφέροντα δρόμο
σκέψης: Αν, με κάποιο τρόπο εξασφαλίζαμε την ύπαρξη μικρών
μόνο διαφορών από στιγμή σε στιγμή τότε δεν θα χρειαζόμασταν πολλά
ψηφία για να την κωδικοποιήσουμε. Ενας εύκολος τρόπος για να
εξασφαλιστεί η απαίτηση αυτή είναι να "πλησιάσουμε" τις στιγμές
δειγματισμού πολύ, με άλλα λόγια να αυξήσουμε τον συχνότητα
δειγματισμού. Οσο κι αν ακούγεται παράδοξο, μια πολύ
υψηλή συχνότητα δειγματισμού μας επιτρέπει να χρησιμοποιούμε
ένα ψηφίο για την κωδικοποίηση μας, δημιουργώντας
έτσι όχι μια διακριτή σειρά πολυψήφιων λέξεων, αλλά μια σειρά παλμών
που διαφοροποιούνται ως πρός το εύρος τους. Αυτή είναι η βάση της
κωδικοποίησης δΣ. |
|
 |
ΣΧΗΜΑ 1: Κατά
την κωδικοποίηση PCM αντιστοιχούμε σε κάθε δείγμα του αναλογικού
σήματος μία από τις διαθέσιμες στάθμες. Κάθε σύστημα έχει 2^Ν
(το 2 υψωμένο στην Ν-ιοστή δύναμη) διαθέσιμες στάθμες, όπου Ν ο
αριθμός των δυαδικών ψηφίων. Στην περίπτωση των συμβατικών
16bit συστημάτων έχουμε 2^16=65536 στάθμες. |
|
|
|
Το
σχήμα 2 δείχνει τις διαφορές pcm και δΣ σε επίπεδο κβαντιστή, πρίν
δηλαδή γίνει η αντιστοίχιση ψηφίων: Η πρώτη έχει σταθερό εύρος αλλά
διαφορετικό πλάτος, ενώ η δεύτερη διαφορετικό εύρος και ίδιο
πλάτος.Το σχήμα 3 εμφανίζει την μορφή της παλμοσειράς για μια
περίοδο ενός ημιτονικού σήματος. Το μεγάλο πλεονέκτημα αυτής της
κωδικοποίησης είναι ότι για την επιστροφή μας στο αναλογικό
πεδίο απαιτείται ένα απλό αναλογικό βαθυπερατό φίλτρο.
Ωστόσο, στην πράξη, εμφανίστηκε ιδιαίτερα ευαίσθητη τόσο στο εύρος
του σήματος όσο και στο περιεχόμενό του. Το τελευταίο λογικό
βήμα λοιπόν, ήταν (τι άλλο;) από την εφαρμογή αρνητικής ανάδρασης,
της αφαίρεσης δηλαδή (σε γενικές γραμμές) του σήματος εξόδου από την
είσοδο για την ελαχιστοποίηση των σφαλμάτων. |
|
 |
 |
|
ΣΧΗΜΑ 2: Στην
κωδικοποίηση PCM (επάνω) αντιστοιχούμε μία ψηφιακή λέξη σε κάθε
στάθμη του κβαντισμένου σήματος. Αντίθετα, στην κωδικοποίηση δΣ όπως
αυτή εφαρμόζεται στο DSD (κάτω) αντιστοιχούμε διαφορετικό αριθμό
παλμών (Pulse Density Modulation, PDM) |
ΣΧΗΜΑ 3: Κάπως
έτσι μοιάζει το σήμα PDM όταν κωδικοποιεί ένα ημίτονο. Οσο
μεγαλύτερες θετικές τιμές παίρνει το αναλογικό σήμα (επάνω) τόσο
μεγαλύτερη η πυκνότητα των παλμών και αντιστρόφως. Οταν
το αναλογικό σήμα έχει μηδενική τιμή το ψηφιακό είναι μία
σταθερή σειρά παλμών. |
|
|
|
Το
διάγραμμα βαθμίδων ενός adc τεχνολογίας δΣ πρώτης τάξεως (με μια
βαθμίδα απλής ολοκλήρωσης) εμφανίζεται στο σχήμα 4. Στην περίπτωση
του DSD (τεχνική επάνω στην οποία βασίζονται οι δίσκοι του SACD)
χρησιμοποιείται συχνότητα υπερδειγματισμού x64. Τα
δείγματα της εξόδου καθυστερούνται και αφαιρούνται από την είσοδο.
Το σύστημα στην θεωρητική του βάση επιτρέπει εκτός των άλλων και την
μείωση του θορύβου κβάντισης μέσα στο φάσμα των συχνοτήτων που μας
ενδιαφέρουν (noise shaping) χωρίς πρόσθετη επεξεργασία. (για
περισσότερες λεπτομέρειες, διαβάστε ΕΔΩ) |
|
 |
ΣΧΗΜΑ 4: Το
διάγραμμα βαθμίδων ενός μετατροπέα αναλογικού σήματος σε ψηφιακό
τεχνολογίας δΣ. |
|
Θέμα Χώρου |
|
Τείθεται, βεβαίως, το
ερώτημα γιατί δεν χρησιμοποιήθηκε το DSD νωρίτερα. Η απάντηση
βρίσκεται στην χωρητικότητα των μέσων που είχαμε μέχρι σήμερα στη
διάθεσή μας: Με ρυθμό δειγματισμού 44.1kHz και κωδικοποίηση 16
ψηφίων η κλασική ψηφιακή εγγραφή απαιτεί 705600 ψηφία ανά
δευτερόλεπτο σήματος. Μειώνοντας τα ψηφία σε 1 αλλά αυξάνοντας
τον ρυθμό υπερδειγματισμού στο x64 (για να δουλέψει σωστά η
διαμόρφωση δΣ) έχουμε ανάγκη 2.822.400 ψηφίων ανά
δευτερόλεπτο, δηλαδή τετραπλασιάζουμε τις ανάγκες μας (αλλά
βέβαια όχι χωρίς κάποια θετικά: Το θεωρητικό εύρος είναι τώρα 1,8ΜΗz
και η δυναμική περιοχή μέσα στο χρήσιμο φάσμα αγγίζει τα
120dB. |
|
|
|
|
|
|
|
Noise Shaping:
Mια απλή ανάλυση ενός συστήματος δΣ έχει ως εξής: Αν
μηδενίσουμε το σφάλμα κβάντισης (Ν=0), η συνάρτηση μεταφοράς
γίνεται:
y/x=1/(s+1), υποδηλώνοντας έτσι ότι ο
διαμορφωτής μας δρά σαν ένα φίλτρο διέλευσης χαμηλών συχνοτήτων
για το σήμα εισόδου αποκόπτοντας το φάσμα πάνω από ένα
όριο. Επιλέγοντας κατάλληλες τιμές μπορούμε να καθορίσουμε το όριο
αυτό.
Με μηδενική είσοδο (χ=0) η συνάρτηση μεταφοράς γίνεται
y/N=s/(s+1)
υποδηλώνοντας έτσι ότι ο διαμορφωτής μας
δρά,ως πρός τον θόρυβο κβάντισης σαν φίλτρο διέλευσης υψηλών
συχνοτήτων.
Η συμπεριφορά αυτή "μεταφέρει" τον θόρυβο
κβαντισμού εκτός της περιοχής του σήματος που μας ενδιαφέρει μία
τεχνική που ονομάζουμε noise shaping (μορφοποίηση θορύβου).
|
|
|
|
|
