P O D Z E S P O A
Y
Cyfrowy tor audio, część 2
Kontynuujemy prezentacj� podzespoł�w firmy
Analog Devices, przeznaczonych do system�w
przetwarzania i obr�bki cyfrowych sygnał�w
audio. W tej cz�ści artykułu przedstawiamy
układy zintegrowanych konwerter�w cz�stotliwości
pr�bkowania, kt�rych produkcj� podjął Analog
Devices. Są one niezwykle wałne dla
wsp�łczesnych system�w audio, zwłaszcza łe
potrafią zrobiĘ znacznie wi�cej dobrego nił
wynika to z ich nazwy.
Wsp�łcześnie produkowane układy Sarkazm w za-
do cyfrowych system�w obr�bki syg- wartych powyłej
nał�w audio zapewniają konstrukto- komentarzach jest
Rys. 5.
rom duły komfort pracy. W pojedyn- uzasadniony tylko
czych układach scalonych integrowa- cz�ściowo - wszystkie wymienione, dio. Od chwili wprowadzenia do
ne są cz�sto bardzo skomplikowane na oko dziwne, wartości mają oczy- produkcji przez Analog Devices sca-
struktury, pozwalające na wprowadza- wiście swoje uzasadnienie i z ich is- lonych konwerter�w cz�stotliwości
nie mniej lub bardziej wyrafinowa- tnieniem naleły si� pogodziĘ. Co jed- pr�bkowania, samodzielne budowanie
nak ma zrobiĘ konstruktor pla- tego typu urządze� przestało byĘ
nujący zbudowaĘ urządzenie ekonomicznie uzasadnione - złołony
wsp�łpracujące przynajmniej problem konwersji załatwia układ do-
z cz�ścią wymienionych stan- st�pny w cenie kilkunastu dolar�w.
dard�w? Odpowied� jest pros- Schemat blokowy układ�w
ta. Naleły zastosowaĘ... AD1890/1891 (rys. 5) nie wydaje si�
byĘ skomplikowany, ale to tylko po-
...konwerter cz�stotliwości zory. Szeregowe interfejsy na wejściu
pr�bkowania i wyjściu układu są zgodne ze stan-
Rys. 6.
Jeszcze 3..4 lata temu tego dardem I2S i są sterowane niezaleł-
typu urządzenia (to były praw- nymi sygnałami WS_x, DATA_x,
nych modyfikacji do przetwarzanego dziwe urządzenia!) oferowało kilku BCK_x (gdzie x=I-Input lub O-Out-
sygnału, np. przez mało wydajny producent�w zestaw�w cyfrowego au- put). Obydwa interfejsy są przystoso-
mikrokontroler 8-bitowy. Coraz cz�ś-
ciej modyfikacji cyfrowego strumienia
danych mołna dokonaĘ za pomocą
analogowego potencjometru (np.
w układzie TDA1548). Jest to bardzo
proste!
Jak zwykle bywa, łycie czy teł
raczej ludzie je kształtujący skompli-
kowali sytuacj� tej kwitnącej dziedzi-
ny elektroniki, wprowadzając wiele
system�w pr�bkowania. I tak, do za-
stosowa� domowych najbardziej nada-
je si� cz�stotliwośĘ pr�bkowania
44,1kHz. W systemach profesjonalnych
oraz DAT jedyną akceptowalną cz�s-
totliwością pr�bkowania jest 48kHz.
Z kolei w cyfrowych przekazach ra-
diowych i telewizyjnych mołna spo-
tkaĘ cz�stotliwości: 32kHz lub (sic!)
44,056kHz. �eby sytuacj� jeszcze
�uprościĘ�, do multimedialnych sys-
tem�w komputerowych przewidziano
pr�bkowanie z cz�stotliwością 22,05
lub 11,025kHz, a sygnał d�wi�kowy
na CD zapisany w standardzie XA
jest pr�bkowany z cz�stotliwościami
37,8kHz lub 18,9kHz.
Rys. 7.
Elektronika Praktyczna 6/2000
24
P O D Z E S P O A
Y
podbarwiaĘ odtwarzany d�wi�k. Za-
zwyczaj sygnał taktujący wyjściowy
port szeregowy jest sygnałem wzor-
cowym systemu przetwarzania d�wi�-
ku i charakteryzuje si� dułą stabil-
nością. W profesjonalnych konsolach
cyfrowego audio są wykorzystywane
nawet rubidowe wzorce cz�stotliwoś-
ci.
Dzi�ki wbudowaniu w struktur�
układ�w AD1890/1891 bloku śledze-
nia sygnał�w zegarowych, dopasowa-
nie parametr�w konwersji odbywa si�
całkowicie automatycznie i co wi�cej
- płynnie. Jedyne ograniczenia doty-
czą zakresu cz�stotliwości taktowania,
kt�re muszą si� mieściĘ w przedziale
8..56kHz, a ich zalecany wzajemny
stosunek powinien mieściĘ si�
w przedziale 1:2..2:1. Układ AD1890
pracuje z pr�bkami audio o maksy-
malnej długości 20 bit�w, a ta�sza
jego wersja - AD1891 - konwertuje
pr�bki 16-bitowe. Pr�bki wyjściowe
obydwu układ�w mają długośĘ 24 bi-
t�w, przy czym niewykorzystane bity
kałdej ramki są zerowane.
Zasada działania konwertera
cz�stotliwości
Na rys. 7 przedstawiono czasowy
model obrazujący zasad� działania
układu konwertującego. Przebieg A
Rys. 8.
jest przetwarzanym w systemie prze-
biegiem sygnału audio o wejściowej
cz�stotliwości pr�bkowania. W bloku
�zerowej� interpolacji pomi�dzy pr�b-
ki sygnału wejściowego wstawiane są
pr�bki o amplitudzie r�wnej 0 (prze-
bieg B). Na wyjściu cyfrowego filtru
dolnoprzepustowego FIR wyst�puje
przebieg o znacznie wi�kszej, nił
w sygnale oryginalnym, g�stości pr�-
bek audio - przebieg C. Wartości
tych pr�bek są wyliczane na podsta-
wie wartości sąsiednich pr�bek,
w związku z czym w pewnym stopniu
mogą powodowaĘ zniekształcenie syg-
nału odtwarzanego (w najgorszym
przypadku poziom zniekształce� nie
przekracza -96dB). Pr�bki o dułej
g�stości są nast�pnie zatrzaskiwane
w rejestrze latch (przebieg D), z wyj-
ścia kt�rego są poddawane kolejne-
mu pr�bkowaniu - ale tym razem
Rys. 9. z wyjściową cz�stotliwością pr�bkowa-
nia. Sygnał wyznaczający szybkośĘ
wane do pracy w systemie jako mo- i momenty repr�bkowania nie musi
duły Slave, czyli wymagają dostarcze- byĘ synchronizowany z przebiegiem
nia z zewn�trznego Mastera sygnał�w taktującym wejście. Przykład z rys.
taktujących WS oraz BCK (zgodnie 7 przedstawia sytuacj�, kiedy to wej-
z zasadą przedstawioną na rys. 2, ściowa cz�stotliwośĘ pr�bkowania jest
EP5/2000). dwukrotnie mniejsza od oczekiwanej
Na rys. 6 przedstawiono i przesyłany do konwertera cz�stotli- wyjściowej.
w uproszczony spos�b zasad� pracy wości poprzez interfejs I2S. Ze Zastosowany w prezentowanym
konwerter�w cz�stotliwości pr�bkowa- wzgl�du na nieuniknione zakł�cenia przykładzie filtr FIR składa si�
nia. Sygnał zegarowy określający wej- sygnału bifazowego S/PDIF, sygnał z wirtualnych 4 milion�w stopni
ściową cz�stotliwośĘ pr�bkowania jest zegarowy jest modulowany jitterem, o rozdzielczości 22 bit�w kałdy.
odtwarzany w odbiorniku S/PDIF kt�ry w skrajnych przypadkach mołe Przy takiej konstrukcji toru konwer-
Elektronika Praktyczna 6/2000
25
P O D Z E S P O A
Y
totliwości wejściowego sygnału zega-
rowego (jitter) na jakośĘ odtwarzane-
go sygnału audio.
Dzi�ki wbudowaniu w układy kon-
wertujące pami�ci FIFO, płynna zmia-
na kt�rejś z cz�stotliwości pr�bkowania
takłe nie wpływa w spos�b istotny na
parametry sygnału wyjściowego.
Integracji c.d.
Obydwa prezentowane w artykule
układy wymagały do poprawnej pracy
zastosowania na wejściu odbiornik�w-
konwerter�w S/PDIF lub AES/EBU na
Rys. 10.
I2S. Tak mało komfortowa dla kon-
struktor�w sytuacja nie mogła oczy-
sji w celu osiągni�cia odpowiednio lełna od stosunku wejściowej i wyj- wiście trwaĘ wiecznie. Kilka miesi�cy
dułego odst�pu sygnału od szumu ściowej cz�stotliwości pr�bkowania. temu na rynku pojawił si� kolejny
naleły zastosowaĘ sygnał zegarowy układ opracowany przez Analog Devi-
o bardzo dułej cz�stotliwości, si�ga- Zalety konwerter�w cz�stotliwości ces AD1892. Jest to programowany
jącej nawet kilku GHz! Łatwo sobie Podstawowym obszarem zastoso- konwerter cz�stotliwości, zintegrowany
wybraziĘ wiele problem�w technicz- wa� dla układ�w konwertujących z r�łnicowym odbiornikiem linii.
nych z wykorzystywaniem tak szyb- cz�stotliwości pr�bkowania jest oczy- Na rys. 10 przedstawiono schemat
kich sygnał�w w popularnych aplika- wiście wzajemne dopasowywanie cyf- blokowy tego układu, a na rys. 11
cjach. rowych sygnał�w wytworzonych znajduje si� najprostszy schemat ap-
Z tych powod�w przedstawiony w r�łnych urządzeniach audio. Jak likacyjny, w kt�rym AD1892 pracuje
na rys. 7 model jest tylko ilustracją wcześniej wspomniano, konwersja jako Master systemu audio bez kon-
zastosowanej przez firm� Analog De- cz�stotliwości pr�bkowania wiąłe si� wersji cz�stotliwości pr�bkowania.
vices metody konwersji cz�stotliwoś- z automatycznym ograniczeniem g�r- Piotr Zbysiński, AVT
ci. W układach AD1890/1891 zaimple- nej cz�stotliwości pasma przetwarza- [e-mail]
mentowano konwerter wykorzystujący nego sygnału, co zapobiega powsta-
podfiltry polifazowe, poniewał są waniu zjawiska aliasingu (nakładania Za miesiąc przedstawimy prze-
one łatwiejsze w �krzemowym� wyko- si� widm). tworniki A/C i C/A, produkowane
naniu i mołna je łatwo zaadaptowaĘ W przypadku zastosowania wyso- przez firm� Analog Devices.
do filtracji w zadanym pasmie cz�s- kostabilnego wzorca cz�stotliwości Artykuł przygotowano w oparciu
totliwości. WłaściwośĘ ta ma szcze- w urządzeniu odbiorczym, mołliwe o materiały udost�pnione przez firm�
g�lnie dułe znaczenie, poniewał jest takłe radykalne obniłenie wpły- Alfine, tel. [phone], www.al-
w przypadku konwersji sygnału wu zjawiska losowej modulacji cz�s- fine.com.pl.
o wi�kszej cz�stotliwości pr�bkowania
(szerszym przenoszonym pasmie) na
sygnał o niłszej cz�stotliwości pr�b-
kowania (w�łszym przenoszonym pas-
mie) naleły zmniejszyĘ graniczną
cz�stotliwośĘ filtru.
Na rys. 8 przedstawiono wykresy
obrazujące zasad� działania cztero-
stopniowego filtru polifazowego. Kał-
dej mołliwej pr�bce amplitudowej
sygnału wejściowego odpowiada cha-
rakterystyczna dla niej odpowied�
impulsowa, kt�ra jest na stałe zapi-
sana w generatorze ROM. W zaleł-
ności od wartości pr�bki, przypisa-
ne są jej charakterystyczne widma
sygnał�w o r�łnych fazach i iden-
tycznych amplitudach. W kałdej
chwili na wyjściu bloku filtrującego
wyst�puje tylko jedna odpowied�,
charakterystyczna dla przebiegu nad-
pr�bkowanego. Działanie filtr�w po-
lifazowych jest nieco bardziej skom-
plikowane, ale ze wzgl�du na prak-
tyczne aspekty tego cyklu nie b�-
dziemy ich omawiaĘ.
Konstrukcj� filtru polifazowego
przedstawia rys. 9. W układach
AD1890/1891 filtr polifazowy składa
si� z 65536 niezalełnych blok�w,
z kt�rych liczba aktywnych jest za-
Rys. 11.
Elektronika Praktyczna 6/2000
26