Если присмотреться к блок-схеме Цифро-Аналогового Преобразователя, то можно увидеть, что после распаковки входным ресивером входного сигнала SPDIF 4-х компонентный сигнал поступает на цифровой фильтр. Последний выполняет 2 функции:
1. Восстановление сигнала до близкого к исходному методом интерполяции
Примерно представить работу интерполяционного фильтра можно взглянув на картинку 1. Из нее (картинки) сразу виден недостаток оцифровки с частотой Fs = 44,1 кГц. Сигнал на частоте 22кГц по сути, описывается всего одним значением! Для того, чтобы превратать сигнал в гармонический необходим процесс восстановления. Это производят интерполяцией при помощи цифрового фильтра – отсюда и название фильтра – интерполяционный. Причем, степень интерполяции – это известный термин Oversampling или передискретизация. Т.е в названии интерполяционный фильтр с 8-кратной передискретизацией содержиться информация: процесс восстановления будет производиться методом интерполяции с подставлением 8 значений уровня сигнала.
Ремарка: бытует мнение, что сигнал без цифровой фильтрации – это «панацея» и причина цифрового звучания из-за цифрового фильтра. Пожалуйста, на картинке 2 показан спектр сигнала с интерполяцией и без.
Все бы ничего, но процесс интерполяции все равно сопровождается обогащением выходного спектра широким неубывающим рядом гармоник, хоть уже и не в звуковой области. Поэтому хошь-не-хошь, а убрать за собой надо и здесь вторая функция фильтра.
2. Собственно цифровая фильтрация
Процесс цифровой фильтрации в понимании обыкновенных граждан можно сравнить с обыкновенной аналоговой фильтрацией и выглядит он в результате примерно так, как представлено на картинке 3.
И вот здесь хочется почесать подбородок и сказать «..нехорошо, Шурик!», а полоска то у нас всего ничего! Реально 22кГц уже на уровне -96 дБ, а даже заявляемые 20кГц зачастую всего лишь бумажная уловка. Фильтр обладает реальной крутизной и в «ноль» выходит на частоте примерно 18кГц. Но таковы реалии и ничего не попишешь.
Для любителей покопаться в параметрах наверное будет полезна картинка, поясняющая терминологию параметров цифрового фильтра.
Passband Ripple – неравномерность передаточной функции в рабочем диапазоне Stopband Ripple – Уровень подавления в нерабочей полосе
У качественных фильтров, например Texas Instruments DF1704 Passband Ripple = 0,00005дБ, а Stopband Ripple (Attenuation) =115дБ. У PCM1794 DAC со встроенным фильтром величина Stopband Ripple и того больше – 132дБ.
Обычно в этой части спектакля предлагается антракт для осмысления, возможности подкрепиться или вообще уйти незамеченным, чтобы не обидеть артистов. Для зрителей с крепкими нервами и тех, кто всегда требует продолжения банкета, едем дальше.
Логика подсказывает, что: 1. Узкая полоса частот с крутым обрезанием (не путать с философским понятием) – это плохо; 2. Работа цифрового фильтра в непосредственной близи звукового диапазона приводит к неизбежному попаданию продуктов преобразования в звуковой диапазон (не говоря уже об неточности и ограничению уровня сигнала на высокой частоте; 3. Процесс интерполяции необходим, но может быть его можно минимизировать? И вот тут мы упираемся опять в величину Fs, которая фигурировала на всех рисунках и является отправной точкой для построения АЧХ воспроизведения с учетом фильтрации и т.д.
Внизу приведен блок картинок который расположен в сравнительном порядке при работе фильтра с одинарным значением Fs (Single Speed) и учетверенным значением Fs (Quad Speed).
И теперь настало время упомянуть о том , что производитель при изготовлении предусмотрительно ввел опцию крутого (Sharp) и медленного (Slow) спада АЧХ цифрового фильтра, и привел иллюстрацию фильтрующих свойств в зависимости от комбинации параметров (Рис. 5).
Рис. 5б. Quad-Speed fast (sharp) Stopband Rejection
Рис. 5. Пропускание и АЧХ цифрового фильтра с учетом Single и Quad Fs при крутом Fast и медленном Slow спаде АЧХ
Вкратце проанализируем пасьянс: 1. Парочка 5а, 5в- это стандартный случай цифровой фильтрации, 5б, 5г– шум несколько завышен, но если учесть что события происходят при Fs более 80кГц, то результат не так и плох. 2. Следующий дуэт 5д,5ж вряд ли интересен следствию, а вот 5е и 5з показывает очень завораживающие результаты: 4-х кратная Fs с плавной крутизной цифрового фильтра (режим Slow) дает после 80кГц практически плавное затухание без потери режекции до 180кГц!
И еще один полезный результат: цифровой фильтр – это только часть обязательной программы, а если учесть, что убирать продукты преобразования цифрового фильтра приходиться еще и активным аналоговым фильтром минимум 3-го порядка с применением операционных усилителей (опять же вблизи звукового диапазона), то результат повышения Fs – таит в себе заметные выгоды. Теперь эта опция (аналоговая фильтрация) может вообще выродиться в пассивный фильтр 1-го порядка на достаточно высокой частоте. Т.е., он становится максимально прозрачным для звукового диапазона.
Ну, и заключительный аккорд, или «на коду», если так милее. Процесс искусственного повышения частоты дискретизации Fs называется Upsampling. В процессе звуковоспроизведения Upsampling не улучшает записанную фонограмму, он только улучшает работу цифрового фильтра и упрощает аналоговую фильтрацию.
Более того, если есть фонограммы записанные с Fs=96 кГц и выше, то надобность в нем автоматически отпадает! Технически Upsampling –а добиваются введением в тракт Sample Rate Converter-а (SRC).
Итак, для усвоения, повторим термины, чтобы не запутаться. Fs – F sampling, частота дискретизации – выборка с которой оцифровывают аналоговый сигнал (как правило 44,1 кГц в формате аудио CD, и 48 кГц в формате DVD-Audio).
Ремарка: DVD-Audio – это такой же PCM (Pulse Code Modulation) стандарт, как и аудио CD, только в процессе записи он снабжается DVD навигатором, для того, чтобы софт DVD проигрывателя разобрался что это за поток и смог выдать сопроводительную информацию на экран телевизора. С точки зрения звука (за исключением частоты Fs и емкости носителя) –это близнецы-стандарты с равными возможностями с точки зрения качества!
Oversampling (передискретизация) – параметр, характеризующий интерполяционные свойства цифрового фильтра. Чем выше значение Oversampling – тем более сложный, но качественный фильтр. Upsampling – искусственное повышение часты дискретизации Fs. Resampling – процесс искусственного изменения Fs, как в сторону повышения , так и понижения.
Послесловие: Идея построения Upsampling -а в тракте Цифро-аналогового преобразования не нова. Например, она реализована в DVD проигрывателе Philips SA963. Причем, с применением комплектующих достаточно высокого уровня. Так SR конвертер — это Analog Devices AD1895, 6-канальный ЦАП 7300 для DSD тракта – не что иное, как аналог Crystal CS4362, стерео — ЦАП-Analog Deviсes AD1955. Операционные усилители, тоже AD8022 (I/V конвертер) и AD8032 (аналоговый фильтр). Как видим по набору комплектующих, все сделано честно и грамотно. Единственный недостаток, если это можно назвать таковым, фирма не имеет права (или не считает нужным) отступать от стандартных вариантов построения тракта. Оставляя тем самым, нишу для экспериментов более мелким производителям.
Источник
Неравномерность ачх фильтра passband ripple
Автор: Опубликовано 01.01.1970
В нашем сабвуфере используется низкочастотный динамик, который может воспроизводить только определенную часть спектра сигнала — его низкочастотную часть — для того он и нужен. Поэтому, если мы будем скармливать ему весь спектр сигнала целиком, он будет плеваться и хрюкать, потому как не в состоянии все это воспроизвести. Таким образом, мы получим гору искажений вместо приличного звука. Чтобы от них избавиться, мы должны отрезать ту часть спектра сигнала, которую саб воспроизводить не может и не должен. Для этого есть у нас Фильтр Низких Частот. Ну, точнее, будет.
Мы не будем шарить по сайтам в Интернете и банально тырить уже готовые схемы — мы все посчитаем и спаяем сами. Тем более, что это не так уж и сложно, как кажется на первый взгляд.
Посоветовавшись с Котом, мы решили не вываливать сюда кучу формул, от которых у любого нормального человека волосы начинают шевелиться просто везде, а воспользоваться специальной программкой для расчета всяких разных фильтров. Программка называется Filter Wiz Pro. Запускаем.
Это её главное окошко, откуда все и начинается. Видите кнопочки с загадочными сочетаниями буков и синими полосками? Вот оно нам и надо. Итак, програмулина может справляться со следующими фильтрами: LP — LowPass — ФНЧ —Фильтр Низких Частот HP — HighPass — ФВЧ — Фильтр Высоких Частот BP — BandPass — Полосовой Фильтр BS — BandStop — Режекторный Фильтр USR — пользовательский тип фильтра — что хотите, что и считайте. На данный момент нас интересует первая кнопка — LP. Нажимаем.
Слева — форма для заполнения исходных данных для фильтра. Справа — АЧХ (Будь здоров!) фильтра. Спасибо. Это я не чихал, это Кот не знает что такое АЧХ (Будь здоров!). Спасибо. Аплитудно-Частотная Характеристика позволяет нам наглядно увидеть каков будет уровень сигнала на той или иной частоте. Очень удобно, очень. Хорошо, заводим начальные параметры.
Passband Attenuation — ослабление сигнала в полосе пропускания — оставляем 0,5 дБ, нехай подавится. Stopband Attenuation — ослабление сигнала на частоте среза. Passband Frequency — это частота, вернее полоса частот, которую наш фильтр должен пропускать; с этой частоты начнется ослабление сигнала. Обычно эта частота составляет от 100 до 300Гц, в зависимости от саба, помещения, акустики, с которой данный сабвуфер будет применяться. Ну, выберем например 150Гц. Stopband Frequency — частота среза — частота, на которой реализуется максимальное ослабление сигнала. Выбираем 500Гц. Ниже объясню почему. Overall Filter Gain — общее усиление фильтра — оставляем 0 дБ — наш фильтр не будет ни усиливать, ни ослаблять сигнал.
Теперь немножко теории, даже не теории, а просто хочется рассказать откуда растут ноги у всех этих частот среза и ослаблений сигнала.
Есть такое понятие у фильтров, как крутизна спада. Фактически, эта штука обозначает как быстро будет ослабляться сигнал в выбранной полосе частот. И есть еще одно понятие для фильтров — это порядок фильтра. Порядок не в смысле «помой за собой посуду, свинья», а в смысле количества элементарных звеньев в фильтре (На каждое звено обычно приходится один конденсатор). Смотрим на график, где обезображены АЧХ фильтров разных порядков.
Теперь, я надеюсь, понятно, что такое крутизна спада? Чем круче «горка» на графике уходит вниз, тем больше эта самая крутизна. И как видно, она здорово зависит от порядка фильтра. Наша задача состоит в том, чтобы получить фильтр с максимально возможной крутизной спада. Однако, по мере увеличения порядкового числа фильтра, увеличивается и сложность его схемного решения — попросту говоря — нужно до фига всяких железок. Поэтому на практике находят компромисс между крутизной фильтра и его сложностью.
Однако продолжим. Жмем кнопку Calculate. Хлоп — у нас появилась еще одна закладочка — Calculation results. Отправляемся туда.
Итак, у нас есть уже табличка с некоторыми результатами. Наверху — различные типы фильтров — Баттерворта, Чебышева, инвертированный Чебышева, Эллиптический и Бесселя. В колонке слева нас интересует три параметра — Order — Порядок, Circuit stages — количество узлов схемы и Passband ripple — неравномерность в полосе пропускания. Мы будем собирать фильтр Баттерворта — это самый распространенный фильтр, у него самая хорошая линейность и простые схемные решения.
По заданным нами исходным данным видно, что у нас получается фильтр 4-го порядка. В принципе, если по каким то причинам этого мало или наоборот много, меняя частоту среза и/или ослабление на частоте среза можно изменять порядок фильтра. Кстати, можно сразу задать порядок фильтра, поставив галочку Force Filter Order и указав необходимый порядок фильтра. В общем, жмем Next.
На этой страничке нам предлагают полюбоваться на расчетную АЧХ выбранного фильтра. Идем дальше.
Теперь надо выбрать смотехническое решение для будущего фильтра для двух узлов схемы — Stage1 и Stage2. Возможны 13 вариантов — на любой вкус и размер. Не мудрствуя лукаво выбираем самый первый — фильтр Саллена и Ки. Жмем кнопку Select и идем дальше.
Вот почти и все. Программа рассчитала за нас номиналы необходимых компонентов схемы нашего фильтра. Мы можем оставить все как есть, а можно немного изменить номиналы элементов и посмотреть как это отобразится на результирующей АЧХ, которую можно посмотреть на следующей странице.
Теперь осталось составить общую схему нашего фильтра и спаять его. Схема будет выглядеть следующим образом:
В фильтре использован ОУ К1401УД2Б — это счетверенный операционный усилитель общего назначения. Очень удобная штука — микросхема одна, а операционников сразу четыре. Можно так же применить К1401УД2А или К1401УД1. В принципе, можно применить и другие операционные усилители, но в таком случае на плате будет уже не один корпус, а два или три. На элементе DA1.1 собран буферный каскад. DA1.2 и DA1.3 — непосредственно сам фильтр 4-го порядка. Необычность номиналов резисторов R2-R5 объясняется тем, что у меня не было под рукой резисторов именно тех номиналов, которые получались по расчету и пришлось их составлять из последовательно включенных резисторов величиной 47 кОм. Питание фильтра должно быть стабилизированным. Уфф. ну вроде все пока. В следующей, заключительной части мы быстренько рассмотрим усилитель для всего этого безобразия и соединим все это воедино — фильтр, усилитель и ящик. Ну и разумеется посмотрим, как нам быть с питанием — кушать то все хотят.
