Ефективне аналого-цифрове перетворення у високоякісних системах відтворення компакт-дисків

Одним з перших серйозних застосувань методів з обробкою при декількох швидкостях стало відтворення звуку й музики в програвачах компакт-дисків.

На рис. 6.2 зображена схема відновлення аналогового аудіосигнала із цифрового сигналу, зчитувального з компакт-диску. Після декодування й виправлення помилок цифровий сигнал має форму 16-бітових слів, що представляють акустичну інформацію із частотою дискретизації 44,1 КГц.

Якщо ці цифрові коди безпосередньо перетворити в аналогові, будуть отримані дзеркальні смуги частот, центровані на частотах, кратних частоті дискретизації 44,1 КГц. Хоча дзеркальні частоти будуть нечутні (вони розташовані поза смугою 0-20 КГц), при передачі їх на підсилювач і гучномовець програвача може відбутися переповнення або ж вони можуть стати причиною перехресних перешкод. Отже, частотні складові поза смугою частот вихідного сигналу варто придушити не менш чим на 50 дБ. Якщо для такого придушення використати аналогові фільтри, прийде додержуватися дуже строгих специфікацій, крім того потрібна буде точне настроювання, що забезпечує погодженість двох стереоканалів.

Щоб уникнути зазначених проблем, у програвачах компакт-дисків використається фільтрація з обробкою при декількох швидкостях. Конкретніше, частота дискретизації даних за допомогою інтерполяції збільшується в 4 рази до 176 КГц (4 х 44,1 КГц = 176,4 КГц) перед подачею даних на ЦАП. У часовій області це виглядає як сигнал з більше дрібним масштабом. У частотній області дзеркальні частоти тепер перенесені в діапазон більш високих частот, так що відфільтрувати їх легше. Отже, після цифроаналогового перетворення необхідний тільки відносно простий фільтр нижніх частот. При практичній реалізації цифровий фільтр вводить зміну характеристики за законом sin(x)/x для компенсації впливу схеми зберігання, що випливає за ЦАП. Корекція характеристики за законом sin(x)/x має позитивний ефект придушення сигналів по обидва боки частоти 174 КГц більш ніж на 18 дБ, що ще більше спрощує вимоги до фільтрації аналогових дзеркальних компонентів. Для додаткового придушення після інтерполяції вводиться простий фільтр Бесселя третього порядку, що має частоту зрізу за рівнем 3 дБ, рівну 30 КГц, і лінійну (у розумному наближенні) фазову характеристику в смузі пропускання.

Перевибірка даних з підвищеною частотою також робить свій позитивний вплив. Вона знижує рівень шуму, оскільки шум квантування тепер розподілений по більше широкій смузі, що дозволяє використати ЦАП з меншим числом бітів і тим же відношенням сигнал-шум, що й в 16-бітовому ЦАП. Отже, на рис. 6.2 інтерпольовані дані у формі 16-бітових слів після перевибірки й формування спектра шуму перед подачею на 14-бітовий ЦАП округляються до 14 біт.

На ринку існують й інші цифроаналогові перетворювачі, у яких використана представлена вище концепція вибірки з підвищеною частотою. Приклади: цифроаналогові перетворювачі потоку бітів від Philips Components (SAA7322, SAA7323, SAA735O).