KĄCIK TECHNICZNY

Przetworniki C/A i odtwarzacze CD

Wasze pytania:


Co to właściwie jest ten "jitter" ?

Sygnał analogowy zapisany w postaci cyfrowej ma zakodowaną informację o wartości napięcia zmieniającej się w funkcji czasu. Zadaniem przetwornika cyfrowo-analogowego jest zamiana informacji cyfrowej na odpowiadającą jej analogową wartość napięcia w ściśle określonych przedziałach czasowych (okres próbkowania sygnału). Każdy odtwarzacz CD posiada generator zegarowy synchronizujący procesor CD (kontrolujący odczyt danych z płyty) oraz przetwornik cyfrowo-analogowy. Decyduje on o odtworzeniu podstawy czasu. Tak więc jego dokładność ma istotne znaczenie, ponieważ ma wpływ na ostateczny kształt sygnału analogowego. Wynika to z tego, że przy błędach czasowych kolejne wartości próbek będą pojawiać się na wyjściu przetwornika w niewłaściwych momentach powodując zniekształcenie sygnału analogowego. Zjawisko jitter`a polega na chwilowych zmianach okresu sygnału synchronizującego. Powinien on mieć kształt prostokątny, w pełni regularny tzn. zmiana stanu z niskiego na wysoki (z 0 na 1) i odwrotnie powinna zachodzić w ściśle określonym czasie, zawsze w jednakowych odstępach, a czas trwania tej zmiany powinien być nieskończenie krótki (nieskończenie duża szybkość narastania i opadania sygnału). W rzeczywistości dochodzi do odchyleń czasowych zmian sygnału od wartości idealnych. Jitter jest zjawiskiem mierzalnym i istnieje wiele metod jego pomiaru. Nie ma jednak w pełni obiektywnej, będącej standardem. Dlatego podawane często przez producentów sprzętu czy też podzespołów wartości mają wątpliwe znaczenie, jeżeli nie określono warunków pomiaru. Różne warunki pomiaru dają mocno różniące się wyniki. Można np. mierzyć wartość szczytową odchylenia czasowego, międzyszczytową lub też skuteczną (rms). Pomiar może być przeprowadzony dla dwóch sąsiadujących okresów (otrzymujemy najmniejszą wartość jittera) lub też w szerszym przedziale czasowym jako błąd skumulowany (tu otrzymujemy większą wartość jittera zależną od długości przedziału czasowego w jakim dokonuje się pomiaru). Wartości podaje się w pikosekundach lub nanosekundach. Interpretację wpływu wielkości jittera komplikuje jeszcze fakt istnienia silnej zależności pomiędzy charakterem tego zjawiska i ostatecznymi odczuciami akustycznymi. Fluktuacje czasowe mogą mieć bowiem charakter losowy (jitter biały) czy też charakter zmodulowanego częstotliwościowo sygnału (FM jitter) lub mogą być zależne od innych okresowych zdarzeń (jitter skorelowany).
Przetwornik może być synchronizowany bezpośrednio z generatora lub za pośrednictwem procesora CD. W zdecydowanej większości przypadków stosuje się generator CMOS wykorzystując generator zintegrowany z procesorem CD, filtrem cyfrowym bądź przetwornikiem lub też układ zewnętrzny. Generatory takie charakteryzują się dużym jitterem co wynika już z samej ich konstrukcji. W pierwszym przypadku (zintegrowany generator) jest zdecydowanie najgorzej, gdyż sygnał biegnie najczęściej przez wiele bramek, z których każda degraduje sygnał. Stwierdziliśmy, że już jedna, nawet bardzo szybka bramka logiczna może spowodować wyraźne pogorszenie sygnału. Wspólne zasilanie wielu układów, stosowanie tanich zasilaczy o dużym poziomie szumów powoduje dalszy wzrost wartości jittera. Czasami spotyka się generatory wykorzystujące elementy dyskretne. Jednak najczęściej także i tutaj zastosowane zasilacze, zbyt wolne tranzystory, czy też niezbyt precyzyjne oscylatory kwarcowe nie pozwalają osiągnąć całkowicie satysfakcjonujących rezultatów. Jakość zasilania jest niezwykle istotna, gdyż szumy zasilacza wywierają bardzo silny wpływ na fluktuacje czasowe generatora. Także kształt sygnału wyjściowego ma tu wielkie, często niedoceniane znaczenie, szczególnie przy bezpośredniej synchronizacji przetwornika. Zakładając minimalizację jittera sygnału zegarowego docierającego do przetwornika najlepszy efekt daje umieszczenie generatora wprost przy przetworniku C/A tak aby jego wyjście było bezpośrednio połączone z wejściem zegarowym przetwornika jak najkrótszą ścieżką. Umieszczenie takiego generatora przy procesorze CD jest bardziej niekorzystne ze względu na możliwość dostania się zakłóceń na drodze sygnału do przetwornika. Jeszcze gorszy przypadek będzie miał miejsce wtedy, gdy mimo użycia dobrego generatora synchronizujemy przetwornik z procesora. Jest to jednak często stosowane w przypadku innych częstotliwości taktowania przetwornika i procesora.
Jeżeli w urządzeniu jest więcej generatorów o różnych częstotliwościach (np. synchronizujących procesory sterujące itp.) może wystąpić niekorzystne sprzężenie pomiędzy nimi, powodujące wzrost bardzo niekorzystnie odczuwalnego jittera skorelowanego lub FM jittera. Dlatego najlepszym rozwiązaniem jest synchronizacja wszystkich układów z jednego generatora.
Przy użyciu zewnętrznego konwertera cyfrowo-analogowego sprawa jest jeszcze bardziej skomplikowana, gdyż dochodzi tu problem tzw. jittera interfejsowego. Najczęściej w takich rozwiązaniach generator umieszczony jest w transporcie, a jego częstotliwość jest odtwarzana w konwerterze za pomocą pętli fazowej PLL. Do błędów czasowych generatora transportu dochodzą tu dodatkowe błędy powstające na drodze przesyłu sygnału (głównie nadajnik sygnału, przewód cyfrowy i odbiornik) oraz własny jitter generatora pętli PLL. Największy udział w powstawaniu błędów ma tu kabel cyfrowy. Jest to głównie skutkiem efektów pojemnościowych i indukcyjnych tworzących filtr zniekształcający sygnał. Dochodzi do tego szum i inne zakłócenia docierające z zewnątrz. W tanich kablach optycznych sytuacja jest jeszcze gorsza z powodu dużej dyspersji światła. W standardach S/PDIF i AES/EBU, gdzie jednym kablem przesyła się zarówno dane jak i informacje o zegarze występuje zjawisko skorelowania odtwarzanego zegara z treścią sygnału muzycznego. Do zmniejszenia błędów czasowych wykorzystuje się zjawisko ich tłumienia pętlą PLL. Istotna jest tu konstrukcja pętli, gdyż od jej jakości zależy stopień tłumienia jittera. Dalszą redukcję tych błędów można uzyskać poprzez zastosowanie przestrajanego napięciem generatora kwarcowego VCXO (także pracującego na zasadzie pętli PLL) lub przez zastosowanie kolejnej pętli PLL. Bardzo dobrze skonstruowane pętle PLL mają tak dużą skuteczność, że w wielu przypadkach dają nawet lepszy efekt niż bezpośrednia synchronizacja z generatora. Dlatego też czasem spotyka się takie rozwiązania nawet w odtwarzaczach CD. Należy zastosować tu nowoczesne układy o dużym tłumieniu w szerokim oknie czasowym. Pozostaje niestety nierozwiązany problem jittera samego generatora pętli. Dlatego w bezkompromisowych rozwiązaniach minimalizuje się go czasami poprzez zastosowanie w konwerterze własnego generatora i dopiero z niego synchronizowanie transportu. Jest to więc sytuacja odwrotna do tradycyjnej i wymagająca wyprowadzeniu w konwerterze wyjścia generatora, a w transporcie jego wejścia. Niestety produkowane seryjnie transporty rzadko kiedy takie wejście posiadają (m. in. przewiduje je standard transmisji cyfrowej I2S enhanced opracowany przez firmę Ultra Analog i stosowany np. przez urządzenia Sonic Frontiers). Ostatnio, wraz z pojawieniem się nowej generacji upsamplerów czyli konwerterów częstotliwości próbkowania sytuacja radykalnie się zmieniła. Dzięki ich użyciu można znacznie ograniczyć jitter sygnałów taktujących w zewnętrznych konwerterach gdyż umożliwiają one bezpośrednie taktowanie przetwornika ze znajdującego się w pobliżu generatora. Jest to więc sytuacja podobna do tej z jaką mamy do czynienia w CD gdzie przetwornik jest także taktowany wprost z generatora (w najlepszym przypadku). Problem jaki się tu pojawia wynika z niedokładności filtracjii danych cyfrowych, która występuje w procesie upsamplingu, a jest źródłem zniekształceń. Najnowocześniejsze układy tego typu charakteryzują się jednak zakresem dynamiki powyżej 140dB i zniekształceniami THD+N rzędu -137dB co można uznać za wartości pomijalne.
Czytając różne publikacje na ten temat można często odnieść wrażenie, że jedynie jitter sygnału generatora docierającego do przetwornika jest odpowiedzialny za różnice dźwiękowe pomiędzy różnymi transportami. Zakłada się tu oczywiście, że nie powstają błędy binarne polegające na przekłamaniu informacji o poziomie napięcia co faktycznie w zdecydowanej większości przypadków ma miejsce (poprawnie działający transport, nieuszkodzona, poprawnie zapisana płyta). Wynikałoby z tego, że wyeliminowanie jittera powinno usunąć różnice pomiędzy transportami. Przy synchronizacji bezpośredniej transportu z konwertera można w prosty sposób sprowadzić wielkość jittera do wartości o pomijalnym znaczeniu i niezależnej od zastosowanego transportu. Jak jednak stwierdziliśmy w trakcie wielu doświadczeń oraz sesji odsłuchowych wpływ ten dalej istnieje. Wynika z tego, że na kształt sygnału analogowego mają wpływ także niektóre (lub też wszystkie) pozostałe sygnały cyfrowe - danych, synchronizacji danych, identyfikacji kanałów i je także należy uwzględnić na etapie projektowania sprzętu. Dlatego projektując CD, czy też konwerter należy uwzględnić wpływ na brzmienie wszystkich jego układów. Ostateczne brzmienie będzie zależało od optymalizacji ich wzajemnego współdziałania. Nie ma tu żadnego uniwersalnego, najlepszego w każdym przypadku rozwiązania. Może być ono za każdym razem inne. Najistotniejsze znaczenie ma tu zastosowanie takich rozwiązań, które pozwolą osiągnąć maksymalny efekt przy założonych kosztach (osiągnięcie maksymalnego stosunku jakości do ceny urządzenia) W naszych urządzeniach stosujemy generator zbudowany w na elementach dyskretnych. Używamy tu precyzyjnego generatora kwarcowego wykorzystującego szybkie tranzystory (o częstotliwościach granicznych rzędu GHz) oraz zasilacz o bardzo małym szumie i szybkiej odpowiedzi impulsowej. Dużą uwagę poświęciliśmy kształtowi sygnału wyjściowego, tak by uzyskać duże szybkości narastania i opadania sygnału niezależnie od obciążenia. Jest to jedno z najlepszych rozwiązań generatora uwzględniające szereg różnych aspektów, powstałe po analizie rozwiązań stosowanych przez różnych innych producentów w tym takich które określane są jako jedyne i najlepsze na świecie. Są firmy, które twierdzą że stosują w CD generator o niemierzalnym jitterze. Jak jednak odnieść się do faktu istnienia laboratoryjnych generatorów konstruowanych pod kątem minimalizacji jittera w cenie przekraczającej niejeden średniej klasy odtwarzacz CD, a jitter jest w nich jak najbardziej mierzalny.

Powrót do pytań

W jakich przypadkach zalecacie użycie konwerterów C/A?

Konwertery polecamy m. in. osobom posiadającym starsze modele odtwarzaczy CD wyposażonym w dobre transporty. W ostatnich latach nastąpił szybki rozwój układów konwersji sygnału, zaś nawet stare mechanizmy do odczytu płyty CD są często do dzisiaj bardzo dobre a nieraz nawet lepsze od współczesnych. Dlatego warto do takiego odtwarzacza CD dokupić konwerter, tym bardziej, że zapewniamy jego przyszłe upgread'y do nowszych wersji lub wyższych modeli. Korzystne może być także zastosowanie ich z nowymi tanimi CD, posiadającymi dobre mechanizmy. Bardzo dobrym rozwiązaniem jest także ich wykorzystanie z odtwarzaczami DVD, gdyż jakość ich dźwięku najczęściej pozostawia wiele do życzenia. W hi-endzie rozdzielenie przetwornika i transportu ma wiele zalet (o nich poniżej) uzasadniających użycie takiej konfiguracji już także nawet ze znacznie droższymi transportami. Z ekonomicznego punktu widzenia zaletą może być zakup konwertera do posiadanego CD (nawet jeśli posiada kiepski transport poprawa jakości dźwięku może być bardzo duża), a w późniejszym czasie dokupienie lepszego transportu.

Powrót do pytań

Jakie są zalety i wady rozdzielenia CD na transport i konwerter ?

Rozdzielenie CD na transport i konwerter ma tą zaletę, że uzyskujemy dobre odseparowanie wrażliwych stopni analogowych od przenikających zakłóceń z silników, procesora, wyświetlacza transportu itp. Inna zaletą jest radykalne zmniejszenie jittera którego źródłem są sprzężenia układów cyfrowych poprzez zasilanie, promieniowanie elektromagnetyczne itp. Powoduje to jednak wzrost ceny systemu, co czasem budzi wątpliwości w średniej i niskiej klasy systemach. Można jednak także tu można znaleźć rozwiązania o konkurencyjnym stosunku jakości do ceny w porównaniu z CD, szczególnie jeśli wykorzystujemy stosunkowo tani odtwarzacz z dobrym napędem. W hi-end'zie, gdzie koszty nie odgrywają już tak dużej roli rozwiązanie takie jest już niemali niezastąpione, tym bardziej, że dzięki temu zyskujemy sporo dodatkowego miejsca, które może zostać na przykład wykorzystane na bardziej rozbudowane układy zasilające, tory analogowe itd. Trzeba jednak zwrócić baczną uwagę na problem jitter`a. Najlepszy efekt da połączenie urządzeń magistralą I2S, lub inne rozwiązanie także zapewniające możliwość synchronizacji transportu z zegara konwertera (np. I2Se), ewentualnie zastosowanie upsamplera nowej generacji co jest najbardziej uniwersalnym rozwiązaniem.

Powrót do pytań

Dlaczego wykorzystujecie przetworniki jednobitowe?

Ukierunkowaliśmy się na nowej generacji przetworniki z przetwarzaniem multi-bit delta-sigma, które są rozwinięciem koncepcji przetworników jednobitowych. Nie można nazywać ich już jednobitowymi gdyż są one kilkubitowe. Z naszych doświadczeń wynika, że przy starannej aplikacji mogą one dać konkurencyjny dźwięk w stosunku do znacznie droższych wielobitowymi przetworników, pozwalając uzyskać znacznie lepszy stosunek jakości do ceny. Znamiennym faktem jest także to, że firmy produkujące przetworniki przestały inwestować w rozwój tradycyjnych wielobitowych układów. Doskonalone są  jedynie przetworniki typu delta-sigma oraz konstrukcje będące hybrydami różnych metod przetwarzania i to do nich należy przyszłość.
Z technicznego punktu widzenia standardowe konwertery wielobitowe mają wysoki stosunek sygnału do szumu i są prostsze w aplikacji, jednak mają kłopoty z liniowością w zakresie niskich poziomów oraz ich produkcja jest stosunkowo droga ze względu na konieczność laserowego dostrajania rezystorów. Przetworniki jednobitowe ze swej natury oferują perfekcyjną liniowość, zaś dużym problemem był w nich powstający szum kwantyzacji. Obecna technologia daje możliwość stosowania na szeroką skalę techniki filtracji cyfrowej, a także integracji precyzyjnych układów analogowych w jednym chip`ie. Dzięki temu rozpoczęto produkcję stosunkowo tanich przetworników delta-sigma, które wykorzystując nadpróbkowanie i filtrację cyfrową oferują bardzo wysoką jakość. Do ich zalet należy zaliczyć (oprócz przede wszystkim wymienionej już wyżej perfekcyjnej liniowości) wysoki stopień integracji, relatywnie niską cenę, oraz brak potrzeby stosowania skomplikowanych i niedoskonałych filtrów dolnoprzepustowych wysokiego rzędu o niskiej częstotliwości granicznej. Problem ich własności szumowych rozwiązano stosując metody dithering`u oraz jego rozwinięcie w postaci zaawansowanych technik kształtowania szumu. Jednak bardzo ważnym elementem przy aplikacji takiego typu przetwornika jest zwrócenie uwagi na prawidłowe projektowanie elektroniki towarzyszącej, synchronizację zegara, zasilanie, poziom jitter`a, źródła napięcia odniesienia, itp. Błędy tego typu mogą doprowadzić do powstania zniekształceń intermodulacyjnych, zmniejszenia separacji kanałów itd.

Powrót do pytań

Czy wykorzystujecie filtry HDCD?

Nie stosujemy tych filtrów. Jak dotąd uzyskaliśmy lepszy efekt stosując bardziej zaawansowane układy filtracji analogowej, niż inwestując w filtr HDCD. O jakości tego filtru krążą legendy, uważamy je za znacznie przesadzone, zresztą niektóre bardzo renomowane firmy (np. Wadia) z góry odrzucają zastosowanie filtru HDCD jako wprowadzającego zbyt duże tłumienie zaraz za pasmem przenoszenia co prowadzi do pogorszenia odpowiedzi impulsowej.

Powrót do pytań

Jakie czynniki mają największy wpływ na dźwięk odtwarzacza CD?

W CD najistotniejszą rzeczą wpływającą na dźwięk jest zespół przetwornika z filtrem analogowym i te dwie rzeczy należy traktować jako nierozerwalną całość, nie można ich rozpatrywać osobno. Jeśli jednak chcemy osiągnąć maksymalny efekt to równie wielką uwagę należy poświęcić jakości zasilania i mechanizmu. Często producenci nie doceniają  roli generatora taktującego. Zdarza się że nawet w stosunkowo drogich urządzeniach stosuje się kiepskie generatory, zasilane z zasilacza o dużym poziomie szumów. Prowadzi to nieuchronnie do powstania dużego jitter`a a tym samym znacznego pogorszenia ogólnie pojętego wyrafinowania brzmienia.

Powrót do pytań

Czy 24-bitowe przetworniki dają poprawę brzmienia przy korzystaniu z 16-bitowego formatu danych?

Poprawa jakości dźwięku w porównaniu z takim samym rozwiązaniem o mniejszej rozdzielczości istnieje i wynika głównie z większego zaawansowania technologicznego nowych 24-bitowych przetworników. Stosuje się w nich coraz bardziej zawansowane metody filtracji cyfrowej, nadpróbkowania, aproksymacji, dithering oraz jego rozwinięcie w postaci zaawansowanych technik kształtowania szumu. Dlatego ich zastosowanie nawet przy korzystaniu z nagrań zapisanych z 16-bitową rozdzielczością jest jak najbardziej uzasadnione. Nie jesteśmy niewolnikami audiofilskich mitów i kierujemy się po prostu jakością dźwięku.

Powrót do pytań

Tory cyfrowe wielu odtwarzaczy są bardzo podobne, a mimo to występują różnice brzmienia, dlaczego ?

Tory cyfrowe co prawda są podobne, jednak w szczegółach konstrukcyjnych często niedopracowane. Jako przykład można podać ich zasilanie, które często jest lekceważone poprzez stosowanie zasilaczy o zbyt niskim "zapasie" energetycznym, niskiej jakości stabilizatorów lub nawet ich braku. Prowadzi to do znacznych wahań napięć zasilających, modulowanych sygnałami zmiennymi pochodzącymi od silników, serwa, procesorów itp. Wahania te powodują silny wzrost błędów czasowych sygnału cyfrowego (jitter). Często wiele do życzenia przedstawia jakość wykonania generatora taktującego, wzmacniacza sygnału EFM, dokładność pracy serwa itd. Wpływ poszczególnych układów może być nawet niewielki jednak sumarycznie może on powodować istotne różnice w brzmieniu. Dobrze wykonany transport jest w stanie bezbłędnie - w sensie binarnej zawartości danych - przeczytać płytę bez dużych uszkodzeń, a jednak różnice w brzmieniu są wyraźnie uchwytne.

Powrót do pytań

Jakie efekty soniczne przynosi zastosowanie generatora taktującego o niskim poziomie jitter`a ?

Zastosowanie generatora o bardzo niskim poziomie jittera przynosi w porównaniu ze standardowymi rozwiązaniami poprawę brzmienia praktycznie we wszystkich aspektach. W szczególności zauważalne są:

Powrót do pytań

Jakie kable cyfrowe zalecacie do połączenia konwertera z transportem?

Wykorzystanie przewodów cyfrowych elektrycznych daje lepszy efekt niż optycznych (za wyjątkiem wysokiej klasy ze szklanym medium). Wynika to z mniejszego poziomu wprowadzanych zniekształceń. Kable optyczne charakteryzują się dużą dyspersją danych - są one mocno zniekształcone pod względem czasowym (jitter).

Powrót do pytań

Co to jest upsampler, jakie daje korzyści ?

Jako upsamplery stosujemy asynchroniczne konwertery częstotliwości próbkowania. Działają one na tej zasadzie, że tak modyfikują wejściowy sygnał cyfrowy, bez względu na to z jakiego źródła sygnału PCM pochodzi, aby na wyjściu uzyskać sygnał zgodny ze standardem DVD-Audio czyli o częstotliwoiści próbkowania 192 kHz i rozdzielczości  24 bit. Podstawową zaletą jaką daje zastosowanie upsamplera jest możliwość taktowania przetwornika cyfrowo-analogowego z precyzyjnego generatora zegarowego umieszczonego tuż przy przetworniku. W efekcie jitter (Co to właściwie jest ten "jitter" ?) sygnałów taktujących zależy wyłącznie od jakości generatora i nie ma na nią wpływu jakość transportu, okablowania cyfrowego, odbiornika sygnału cyfrowego itd. W przypadku odtwarzacza, a nie zewnętrznego konwertera ma to też znaczenie w przypadku gdy nie  można taktować przetwornika wprost z generatora taktującego procesor, co nierzadko ma miejsce, szczególnie w przypadku urządzeń multiformatowych. 

Powrót do pytań