Архітектура ЦАП
Ц іфрове аудіо під час відтворення даних підпорядковується критерію Найквіста. Цей критерій стверджує, що будь-який аналоговий сигнал може бути повністю описаний, якщо ширина його смуги - менше половини частоти дискретизації. Для ЦАП, це означає, що вибірка повинна бути вдвічі вищою за величину самої верхньої частоти відтворення.
ВАРТІСНА ЗАЛЕЖНІСТЬ АРХІТЕКТУРИ ЦАП
Е є дві первинні архітектури ЦАП, що використовуються в цифрових аудіо додатках: R-2R і дельта-сигма (ДС). Останній також відомий як ЦАП "шум - формування" (noise-shaping) або однобітовий (one-bit) ЦАП.
Споживчий рівень виробу і вартісні характеристики, як правило, і визначають тип використовуваного ЦАП–а. У недорогих виробах прагнуть використовувати ЦАП, що має більш високий ступінь інтеграції та нижчу вартість.
Якщо взяти до уваги, що в більшості випадків, вихідні 16-бітові аудіо дані в цифровій формі фільтруються та інтерполюються, цей фактор визначає наявність цифрової фільтрації (цифрового фільтра). Причому ця функція, що фільтрує, зовнішня для більшість R-2R ЦАП-ів і внутрішня для дельта-сигма ЦАП-ів.
ВИХІДНИЙ СПЕКТР R-2R ЦАП-а
Н на початку появи цифрового звуку використовувалися в основному ЦАП-и типу R-2R, іноді звані ЦАП поточного управління (current-steering) або сходовий (ladder) ЦАП. Архітектура для R-2R ЦАП-ів дуже схожа на ЦАП-ами, що застосовуються в контрольно-вимірювальній апаратурі. Це сімейство ЦАП-ів, характерне одночасним(паралельним) перетворенням бітів. Оскільки на вході вони сприймають стандартну послідовність цифрових аудіо даних, їх можна віднести до типу послідовно-паралельних перетворювачів. Ця архітектура має еквівалент межі теоретичного шуму довільного шуму квантування містяться в цифрових аудіо даних. Іншими словами, R-2R ЦАП-и не містять власних внутрішніх шумів фільтрації або формування. Насправді поріг шуму визначається аналоговими джерелами шуму, як-от шум резистора і 1/f шум. Ці джерела шуму знаходяться на рівні менш ніж -100dB, як показано на малюнку 2.В типовому застосуванні, вихід R-2R ЦАП -а фільтрується вихідним аналоговим фільтром (LPF-Low Pass Filter). Цей фільтр діє як "анти-формувач", що не сприймає сигнали, що знаходяться поза fа, як показано на малюнку 3.
ВИХІДНИЙ СПЕКТР ЦИФРОВОГО ФІЛЬТРУ
С тимчасові цифрові аудіо Цап-и незалежно від типу (R-2R або дельта-сигма), містять функцію цифрової фільтрації. Основна мета цифрового фільтра в тому, щоб зменшити вимоги до виконання вихідного аналогового фільтра низькочастотного за допомогою збільшення частоти дискретизації (звідси тенденція збільшення ЧД до 88 і 176кГц). На практиці пояснення роботи та теорії цифрових фільтрацій ґрунтується на розуміння зв'язку між процесом низькочастотної фільтрації та вихідним спектром ЦАП.
Цифровий фільтр ЦАП інтерполює вхідні дані, потім фільтрує дані з кінцевою смугою пропускання (FIR).
(FIR) - функція працює подібно до низькочастотного аналогового фільтра. Фільтрування здійснюється за допомогою інтерполяції (передискретизації, oversampling).
В на цьому прикладі оригінальні вхідні дані, інтерполовані з 2-х кратною передискретизацією, утворюють спектр показаний на рис. 4(b), який містить додаткові дані навколо 2fs. Далі дані фільтруються FIR з результатом, показаним на рис. 4(c). Рівень ослаблення визначається параметрами конкретного цифрового фільтра. Важливо зрозуміти процес ослаблення цифрового фільтра. Залежно від типу виконання є багато типів цифрових фільтрів. Рівень їхнього ослаблення може змінюватися від 30dB до 130dB.
З рис.4 видно, що високий рівень ослаблення цифровим фільтром зменшує вимоги до виконання вихідного аналогового фільтра. Для простоти у прикладі використана 2-х кратна передискретизація (2-oversampling). На практиці реалізується 4-х та 8-кратна передискретизація. Побудова таких фільтрів здійснюється додатковими етапами каскадування інтерполяції та фільтрації, що відповідним чином відбивається вартості компонента.
ВИХІДНИЙ СПЕКТР Дельта-Сігма (ДС) ЦАП-ів
Ц АП-и ДС використовують індіанську хитрість, щоб досягти необхідних динамічних характеристик порівняно з R-2R ЦАП-ами. Шуми квантування вхідної смуги вибірки (аудіо смуги) модулюються «дельта-сигма» модулятором високочастотну область і передискретизація вхідного спектра відбувається з набагато більшим значенням, ніж для R-2R ЦАП. Процес «шум-формування» визначається порядком модулятора, а також величиноюпередискретизації. Ці показники визначають динамічні можливості ДС ЦАП-а. Спектр для типового модулятора ДС показано на рис. 5, область аудіо смуги виділено як fа. Також з малюнка можна побачити, що відбувається в спектрі вище за робочого.
ЗАГАЛЬНІ ГАРМОНІЧНІ СПОКАРЕННЯ ПЛЮС ШУМ (THD+N)
О ЩО гармонійне спотворення плюс шум обумовлюються помилками лінеаризації (linearity) ЦАП-а, а також рівнем шуму в смузі дискретизації (in-band).
Людське вухо дуже чутливе до спотворень та шумів квантування в аудіо системах відтворення. Як показано на малюнку 7, коли аудіо сигнал відновлено з цифрових вихідних даних, гармонійне спотворення відбувається як у парних, так і непарних обертонах сигналу. Сума спотворень цих обертонів окреслюється загальні гармонічні спотворення. Насправді, сума обмежується сім'ю чи дев'ятьма гармонійними складовими. Причому враховується лише шум у смузі пропускання від 20Гц до 20кГц.
ДИНАМІЧНІ СПОКАРЕННЯ І ДИНАМІЧНИЙ ДІАПАЗОН
З вук ЦАП - а в першу чергу оцінюється за динамічними параметрами. Специфікація по постійному струму не така важлива, оскільки постійний рівень не може бути почутий (!).
Динамічний діапазон є, можливо, найбільш корисним критерієм для звуку ЦАП-а, тому що він визначає здатність ЦАП-а відтворювати сигнали низького рівня. Людське вухо більш чутливе до спотворень на дуже низьких рівнях сигналу, ніж на більших рівнях амплітуди.
ВАРІАНТИ ВИКОНАННЯ НИЗЬКОЧАСТОТНОГО ВИХІДНОГО ФІЛЬТРУ (LPF)
В мультирівневій ДС-архітектурі ЦАП-ів високочастотний шум вищий, ніж у традиційних однобітових, що вимагає більш «крутого» придушенняРисунок 8 містить приклади побудови типових вихідних низькочастотних фільтрів 1-го, 2-го і 3-го порядків.