Szűrővizsgálat



    Sávhatárolás a CD-játszókban


        Ez a cikk a CD-játszók egyik  fontos  részével,  a  digitál/analóg
    átalakítóval foglalkozik. Nem ígérünk könnyű olvasmányt -  de  érdemes
    áttanulmányozni, mert a jövőben gyakran  kell  majd  hivatkoznunk  rá.
    Sőt,  már  jelen  számunkban  is  hasznát  vesszük:  a  Philips  CD150
    CD-játszó tesztje érthetőbbé  válik  a  CD-játszók  szűrőtechnikájának
    ismeretében.


                                      *

        Mintegy tíz évi fejlesztő munka után három  évvel  ezelőtt  indult
    hódító útjára az ezüstös kompaktlemez. Az  első  éveket  a  zeneértők,
    művészek és műszakiak ádáz vitájának "zaja" kíséri, világszerte  és  a
    nagy magyar  alföld  lapályain  egyaránt.  Digital  timbre,  digitális
    elszíneződés, "stress of ihe digital  audio",  elég-e  vagy  kell-e  a
    tizenhat bites felbontás, miért olyan alacsony (44,1kHz) a mintavételi
    frekvencia, elviselhetetlenül zeneietlen  a  kompakt  lemez  hangzása,
    soha többé nem tudok a  kompakt  lemez  után  egy  hagyományos  lemezt
    meghallgatni... hogy csak néhányat idézzünk a leggyakrabban hallott és
    olvasott állításokból, kijelentésekből.
        Eközben a CD-lemezek és CD-játszók gyártása  a  nagy  tapasztalatú
    piackutatók prognózisait is  messze  felülmúlva,  viharos  sebességgel
    emelkedett, és az érdeklődők igényeit még így  sem  sikerült  tartósan
    kielégíteni. Az elmúlt évben mintegy  hatvan  cég  száz  lemezjátszója
    volt kapható, és az egész világon  körülbelül  hatvanmillió  CD-lemezt
    adtak el. Ez a mennyiség a világ hagyományos, fekete lemez forgalmának
    10, árbevételének 20 százalékára tehető,  tehát  máris  számottevő.  A
    repertoár  hozzávetőleg  négyezer  lemezt  és   többlemezes   kazettát
    tartalmaz.
        (A Hungaroton-nál is, az elmúlt öt év alatt kiépítettük klasszikus
    zenei stúdióinkban a digitális hangfelvételi parkot, és  egy  évvel  a
    világpremier után - bérmunkában gyárttatott -  saját  CD-lemezeink  is
    megjelentek a nemzetközi lemezpiacon.  Két  év  alatt  kereken  190000
    CD-lemezt  exportáltunk.  Ez  0,25%   részesedést   jelent   a   világ
    CD-forgalmából,    szemben    fekete    lemez    exportunk    0,04%-os
    részesedésével. E számok azonban messze nem fejezik ki azt az erkölcsi
    hasznot, amellyel a világ  hanglemez-sajtója  honorálja  a  Hungaroton
    jelenlétét a világ hanglemez-életében.)
        A prognózisok a következő néhány évre is szokatlanul derűsek,  évi
    50-100%-os  emelkedésre  számítanak.  A  továbbiakban  azt  szeretnénk
    megvizsgálni, hogy a mennyiségi növekedésen kívül  minőségi  fejlődést
    is tapasztálunk-e.  (A  lemez  kódolási  formátuma  természetesen  nem
    változott,  hiszen   akkor   használhatatlanná   válnának   a   "régi"
    CD-játszók.)
        Ma  már  a  CD-játszók  harmadik  generációja  virít  az   üzletek
    kirakataiban. No persze tíz-húsz évvel ezelőtt még  természetes  volt,
    hogy a nagy autógyárak szinte évenként terveztek  új,  még  divatosabb
    karosszériát,  anélkül,  hogy  a   szerkezeti   részeken   bármit   is
    változtattak volna (hol van már ez a benzinnel-olajjal folyó Kánaán!).
    Az új CD-játszók azonban külsőben sem igen  különböznek  elődeiktől  -
    itt a divat nem változik gyorsan. Természetesen  a  dekódolás  alapjai
    sem változtak.
        Megnövekedett azonban a készülék áramköreinek integráltsági  foka:
    a   korábbi   készülékek   integrált    áramköreinek    összevonásával
    harmadára-negyedére csökkentették a  tokok  számát.  Gyorsabb  fett  a
    lemezjátszó  működése  is.  A  lézer-hangszedőnek  mindig  időre   van
    szüksége, hogy a műsor vagy a beprogramozott szám  elejét  megtalálja.
    Ez az idő az első generációs készülékekben 5-10mp volt -  a  korszerű,
    legújabb kompakt  játszókban  a  lemezfelület  bármelyik  pontját  egy
    másodpercen belül eléri a hangszedő. Ez a fejlődés a  szervorendszerbe
    épített mikroelektronikai áramkörökön kívül a lézerhangszedő  méreteit
    felére-negyedére    csökkentő    optoelektronikai,     mikromechanikai
    fejlesztésnek  köszönhető.  Emlékeztetőül  röviden  felsoroljuk,  hogy
    miből is áll a ma  már  valóban  miniatűr  lézerhangszedő:  egy  (két)
    lézerdióda;  két  irányban  mozgatható   optikai   rendszer   (barázda
    finomkövetés,  fókuszálás);  négy-hét   fotodióda;   elektromechanikai
    átalakítók, azaz "motorok" (hangszedő előtolás, barázda  finomkövetés,
    fókuszolás).

    

    1. ábra. A CD-játszó lejátszó csatornája

    2.    ábra.   A   D/A   átalakitó   kimenetén   az   amplitúdómodulált
    impulzus-sorozat hordozza az információt

    3.  ábra. a) a lemezre rögzített műsor szimbolikus spektruma; b) a D/A
    átalakitó   kimenetén  megjelenő  amplitúdó-modulált  impulzus-sorozat
    spektruma, fM a mintavételifrekvencia


        A CD-játszók három generációja azonban főleg a  digitális  jeleket
    analóg  jelekké  visszaalakító  D/A  átalakítónak   és   környezetének
    áramköri megoldásában különbözik egymástól. Az 1. ábrán megrajzoltuk a
    CD-játszó csatornájának leegyszerűsített blokkdiagramját.  Az  optikai
    lejátszó fotodiódáinak jelét erősítőkből és  logikai  hálózatból  álló
    rádiófrekvenciás  áramkör  dolgozza   fel,   ez   választja   szét   a
    lejátszócsatorna, a szervorendszer és a segédkód, azaz időkód csatorna
    jelfolyamát. A lejátszó csatorna jeleit egy bonyolult dekódoló áramkör
    dolgozza fel, amely (a  hangjelekkel  együtt  továbbított,  hibajavító
    kódok felhasználásával) kijavítja az esetleges hibákat, és a kimenetén
    előállítja a dekódolt digitális hangjelet. Ez  utóbbi  (hacsak  valami
    katasztrofálisan nagy  hiba  nem  történik)  matematikai  egzaktsággal
    megegyezik a  felvevő  berendezés  A/D  kimenetén  megjelenő,  kódolás
    előtti, digitális jellel.
        A D/A átalakító amplitúdó  modulált  impulzusokat  állít  elő  (2.
    ábra). Ezek az eredetileg rögzíteni kívánt  hangjelen  kívül  egy  sor
    nemkívánatos  jelet  is  tartalmaznak  -   lásd   őket   a   3.   ábra
    spektrumsűrűség ábráin. A  3/a  ábrán  szimbolikusan  megrajzoltuk  az
    analóg jel spektrumát. Ez a spektrum elvileg a mintavételi  frekvencia
    feléig terjedhet. Az e feletti  összetevők  intermodulációs  torzítást
    okoznak, ezért előbb elfogadható mértékűre csillapítják  őket  az  A/D
    átalakító  előtti  sávhatároló  (antialiasing)   szűrővel.   A   szűrő
    meredeksége véges, emiatt  a  felvett  jel  spektruma  a  gyakorlatban
    mindig kisebb az elméletileg megengedhetőnél, a CD-lemezeken  22,05kHz
    helyett kb. 20kHz. A 3. ábrán a D/A átalakító  kibocsátotta  amplitúdó
    modulált  impulzusok  spektrumát  láthatjuk.  Jól  látszik,   hogy   a
    nemkívánatos jelek az fM/2 félmintavételi frekvencia fölött
    helyezkednek  el,  ezeket  egy  olyan   aluláteresztő   simítószűrővel
    távolítják el, amely hasonló a már említett A/D átalakító szűrőhöz.

    

    4. ábra. A lejátszó csatorna simító szűrőjének amplitúdó és futási idő
    karakterisztikája


        Ezt a szűrőt valóban megtaláljuk minden  CD-játszóban,  és  persze
    más digitális berendezések D/A átalakítója után is.  Egy  ilyen  szűrő
    átviteli karakterisztikáját a 4a ábra mutatja be. Közismert,  hogy  az
    ilyen induktivitásokból  és  kapacitásokból  álló  (vagy  aktív,  azaz
    félvezetős)   szűrőknek   fáziskarakterisztikájuk   is   van.    Annak
    kiértékelését azonban  meglehetősen  nehéz  volna  áttekinteni,  ezért
    helyette  inkább  a  vele  szoros   kapcsolatban   levő   futási   idő
    karakterisztikát rajzoltuk meg (4b ábra). Ez  azt  ábrázolja,  hogy  a
    különböző frekvenciájú összetevők  mennyi  idő  alatt  haladnak  át  a
    szűrőn. Mint látjuk, kis  és  közepes  frekvenciákon  állandó  50-60µs
    késéssel kell számolni, ez a nagy frekvenciák felé  rohamosan  nő,  és
    eléri a 150-180µs-ot is. Ezt a hibát ki  lehet  egyenlíteni  a  futási
    idő-korrektorokkal - habár ilyet az első generáció lemezjátszóiba  nem
    építettek  be.  A  digitális  jelfeldolgozás  pontosságát  még  ma  is
    elsősorban az A/D és D/A átalakítók áramköri pontossága határozza meg.
    A 16 bites felbontáshoz ezekben az áramkörökben  olyan  ellenállásokat
    kell használni (vagy  félvezető  technológiával  létrehozni),  amelyek
    hibája nem haladja  meg  a  névérték  egymilliomod  részét.  A  normál
    ellenállás  gyártási  technológiában  már  az  1%  is  átlagon  felüli
    feladat, az ezreléket pedig evvel a technológiával már  nem  is  lehet
    túllépni.
        Az első CD-játszók többségébe 16 bites D/A átalakítót építettek  a
    japán  gyárak,  a  Philips  azonban   csak   14   bites   átalakítóval
    rendelkezett, lemezjátszója tehát a 16 bitnek megfelelő (16x6dB=) 96dB
    elméleti  dinamikatartomány  helyett  csak  (14x6dB=)  84   decibelnyi
    dinamikatartományt  használt  volna  ki.  Ennek  kereskedelempolitikai
    következményeit természetesen  a  Philipsnél  is  felmérték,  és  hogy
    visszanyerjék az elveszett 12dB-t, egy, az űrtávközlésben már korábban
    is alkalmazott zajcsökkentő módszerhez folyamodtak. Ezt a két  részből
    összetevődő eljárást túlmintavételezésnek  és  zajspektrum-alakításnak
    nevezik. Lássuk, mit kell ezeken a fogalmakon érteni.

        (Az alábbiakban a szerző  olyan  műszaki  részleteket  tekint  át,
    amelyek  meglehetősen  nagy  összpontosításra  késztetik  az  Olvasót.
    Akinek  a  képletek  nehézséget  okoznak,  olvasás  közben   nyugodtan
    átugorhatja őket. A szerk.)

        A  digitális  felvételkészítés  során  a  mintavételezést   követő
    kvantáláskor elhagyjuk a jelnek azt a részét, amelyet  a  tizenhatodik
    bináris helyértéket követő bitekkel írhatnánk le: ezzel  a  művelettel
    véletlenszerűen változó jelet, zajt  adunk  a  hasznos  jelhez.  Ez  a
    kvantálási zaj a digitális jelátvitel elválaszthatatlan része. Relatív
    teljesítményét a

    

        összefüggés  adja,  ahol:  q:  a   szóhosszúság   (kvantálás).   A
    véletlenszerűen  változó  zaj-jel  spektrumsűrűsége  a  félmintavételi
    frekvencia alatti sávban egyenletes, ez tehát "fehér"  zaj.  A  simító
    szűrő  ennek  csak  egy  részét  engedi  át,  így  e  szűrő   után   a
    zajteljesítmény

    

        ahol   ff:   a   simító    szűrő    effektív    felvevő
    határfrekvenciája. A túlmintavételezésnek az alapgondolata  ez  utóbbi
    egyenletből következik: növeljük meg a mintavételi frekvenciát és vele
    együtt a zaj sávszélességét: Akkor  a  20kHz  alatti  sávra  már  csak
    csekélyebb zajteljesítmény jut.

    

    5.     ábra.    Az    új    minták    előállítása    interpolációval a
    túlmincavételezésnél;   a)   elsőfokú,   lineáris   interpoláció;   b)
    harmadfokú interpoláció

    6.  ábra. Az amplitúdó modulált impulzus-sorozat spektruma; a) eredeti
    mintavételezéssel;  b) négyszeres túlmintavételezéssel (ideális); fM a
    mintavételi frekvencia

    7.  ábra.  A  túlmintavételezésre  használható  digitális  szűrő  elvi
    felépítése.  T:  mintavételi  idejű  (22,6  ćs)  késleltető; *: szorzó
    áramkör; +: összeadó áramkör

        A     Philips     elsőgenerációs     készülékeiben      négyszeres
    túlmintavételezést használtak. Hogyan kell ezt elképzelni? Az 5. ábrán
    x(n), x(n+1), x(n+2)...-vel  jelöltük  az  eredeti  mintákat.  Ha  meg
    akarjuk  négyszerezni  a  minták  számát,  az  a   legegyszerűbb,   ha
    megtartjuk az eredeti mintákat, és minden két minta  között  három  új
    mintát helyezünk el.  Az  eredeti  analóg  jel  ismeretének  hiányában
    természetesen nem tudjuk megállapítani, hogy ezeknek az  új  mintáknak
    mi  lenne  a  pontos  értéke,  de  a  meglévő  mintákat   felhasználva
    interpolációval előállíthatjuk az új minták  becsült  értékét.  Pl.  a
    legegyszerűbb lineáris interpoláció használata esetén akár  geometriai
    szerkesztéssel is meg lehet állapítani az új  minták  értékét.  Kössük
    ugyanis össze két szomszédos minta  csúcspontját.  Negyedeljük  meg  a
    minták közötti T=1/fM mintavételi időt, és válasszuk meg az új  minták
    értékét aszerint, ahogy ezt  a   ferde   összekötő   egyenes   az   új
    mintavételi időpontokban kijelöli. Alapfokú  geometriai  összefüggések
    ismeretében  fel  lehet  írni,  hogy  az  y(m)-y(m+3)  új  mintákat  a
    következőképpen lehet meghatározni:

    

        Természetesen mindenkiben felmerülhet az a  gondolat,  hogy  ez  a
    lineáris interpoláció nem  valami  pontosan  becsüli  fel  az  eredeti
    jelalakot, hiszen az biztosan nem egyenes szakaszokból állt. Pontosabb
    becslést  akkor  kaphatunk,  ha  nem  lineáris,   hanem   magasabbfokú
    hatványgörbével  közelítjük  az   eredeti   görbét.   A   magasabbfokú
    polinómmal történő közelítés egyenletének a  felírása  már  nem  ilyen
    egyszerű, bár nem is  túlzottan  bonyolult  feladat.  Erről  itt  elég
    ennyit megjegyezni, hogy  az  új  minták  kiszámításához  eggyel  több
    mintára van szükség, mint  a  közelítő  görbét  leíró  hatványfüggvény
    fokszáma.  Az  előző  példánkban  például  az  első   fokú,   lineáris
    közelítéshez  két  mintát  használtunk  fel.  Általában   a   háromnál
    magasabbfokú interpolációs egyenletek alakja a következő:

    

    Hogy  hányadfokig  érdemes  elmenni  -  ezt  nehéz   meghatározni.
    Tulajdonképpen a  3.  ábrát  kell  értelmeznünk  a  túlmintavételezett
    állapotokra. Gondoljuk  meg,  hogy  négyszeres  mintavételezés  esetén
    milyen spektrumra számíthatunk (6. ábra). Ekkor a 20kHz-ig sávhatárolt
    alapsávi   spektrum   mellett   a   4fM;    8fM;
    12fM... frekvenciák  körül  jelenik  meg  a  nemkívánt  jel
    spektruma. Összehasonlítva a 6a és 6b ábrát, könnyű belátni,  hogy  az
    egyikből a másikba egy olyan aluláteresztő  szűrővel  is  eljuthatunk,
    amely a 20kHz fölötti  összetevőket  lecsillapítja.  Ezt  a  szűrőt  a
    digitális áramkörben, digitális szűrő formájában kell elkészíteni - és
    ekkor  jelentős  előnyhöz  jutunk  az  analóg  szűrőkkel  szemben.   A
    digitális szűrőket ugyanis úgy is meglehet tervezni, hogy ne  csak  az
    amplitúdó, hanem a futási idő  karakterisztikájára  is  tartalmazzanak
    előírásokat. Így ez a digitális szűrő mentes  lesz  az  analóg  szűrők
    futásiidő-hibáitól. Működését egy ugyanolyan egyenlet  írja  le,  mint
    amit  az  interpolációs  szűrőknél  láttunk,   csak   az   együtthatók
    meghatározásának módja és  természetesen  az  értéke  lesz  más.  Elvi
    működését a legutóbb felírt egyenlet alapján a 7. ábrán láthatjuk. Jól
    felismerhetők a T mintavételi időnek megfelelő  idejű  késleltetők,  a
    minták és a hozzájuk tartozó együtthatók szorzását végrehajtó  szorzók
    és az ai*x(n+i) részletszorzatokat  összeadó  áramkörök szimbólumai.
        A túlmintavételezéssel megnégyszereztük a mintavételi frekvenciát.
    Feltételezve,  hogy   eközben   a   kvantálási   zajteljesítmény   nem
    növekedett, a relatív zajteljesítmény csak  negyede  lesz  az  eredeti
    zajteljesítménynek, mivel

    

        Ez 6dB zajszint csökkenést jelentene - de csak jelentene,  mert  a
    menyasszonynak egy kis szépséghibája van. A digitális szűrőben ugyanis
    szintén  korlátozni   kell   a   részletszorzatok   és   az   eredmény
    szóhosszúságát. Ezt kerekítéssel végzik, s  az  újabb  ("aritmetikai")
    zajteljesítményt hoz magával.
        Részben e  többletzaj  ellensúlyozására,  részben  a  zaj  további
    csökkentésére (hiszen a 12dB veszteségből eddig csak nem egészen 6dB-t
    sikerült ellensúlyozni) tovább alakítjuk a zajspektrumot.  Az  alapelv
    továbbra is az, mint a túlmintavételezésnél:  a  zajteljesítményt  nem
    tudjuk csökkenteni, csak arról lehet szó, hogy a  túlmintavételezéssel
    megnégyszerezett  (88,2kHz)  sávszélességen  belül  a  hangfrekvenciás
    (22,05kHz   alatti)   tartományon   kívülre   csoportosítsuk   át    a
    zajspektrumot,  illetve  annak  minél   nagyobb   hányadát.   Erre   a
    zajspektrum-alakításra az  első  Philips  CD-játszók  túlmintavételező
    szűrőjében a 8. ábrán vázolt számítástechnikai eljárást alkalmazták.

    

    8. ábra. Zajspektrum-alakítás a hangfrekvenciás zaj csökkentésére


        A különféle túlmintavételező szűrők működését leíró  egyenletekben
    azt láttuk, hogy a számítás a  bemeneti  mintáknak  egy  együtthatóval
    való szorzását és a részletszorzatoknak az összeadását jelenti.  A  16
    bit  hosszúságú  mintát  12  bit  hosszúságú  együtthatóval   szorozva
    legfeljebb 28 bit hosszúságú szorzatot kapunk  (gondoljunk  a  tizedes
    törtek szorzási szabályára és figyeljük a 7. ábrán is a folyamatot.) A
    második lépésben  a  szűrő  fokszámának  megfelelő  számú  szorzatokat
    hozzáadjuk az előző szorzatok összegéhez. A végeredményt  tekinthetjük
    az egzakt kimeneti mintának.  Elvileg  az  összeadás  is  megnöveli  a
    szóhosszúságot (a legrosszabb esetben összeadásonként egy bittel),  de
    így is biztos, hogy az eredő kimeneti jel nem lesz lényegesen nagyobb,
    mint a bemeneti (ennek  részletesebb  vizsgálatától  ezért  tekintsünk
    el.)
        Eddig lényegében a  futási  hiba  mentes  sávhatárolást  hajtottuk
    végre a túlmintavételezett jelen. A tulajdonképpeni  spektrum-alakítás
    most jön. Vonjuk ki a jelből az előző minta kerekítésekor visszamaradt
    maradékot, és az így kapott összeget kerekítsük 14 bitre. A kerekített
    rész  a  D/A  átalakítóra  kerülő  kis  zajú,   176,4kHz   mintavételi
    frekvenciájú kimeneti  minta,  a  kerekítéskor  levágott  maradékot  a
    következő mintából fogjuk kivonni a kerekítés előtt. A spektrumformáló
    áramkör működési vázlatát a 9. ábrán láthatjuk, a zajspektrum-alakítás
    elvét a 10. ábrán szemléltetjük. Felrajzoltunk egy  tetszőleges  alakú
    jelet és annak egy, a mintavételi idővel eltolt másolatát. Képezzük  e
    két jel különbségét, és azonnal szembeötlik,  hogy  a  különbségi  jel
    amplitúdója, legalábbis kis frekvenciákon lényegesen  kisebb  mint  az
    eredeti jelé (jeleké).

    

    9. ábra. Digitális zajcsökkentő szűrő

    10. ábra. Jelspektrum-alakítás időben eltolt jelek összeadásával

    11.   ábra.   A  zajspektrum  változása  a  túlmintavélelezésnél  és a
    spektrum-alakításnál

    12.  ábra. A lejátszócsatorna felépítése a különböző CD-játszókban. A)
    Hagyományos,   B)   Túlmintavélelezés   és   zajspektrum-alakítás,  C)
    Digitális  futási  idő  korrektor,  D)  Túlmintavételezés és digitális
    sávhatárolás


        A  11.  ábrán  a  zaj-jel  spektrális  összetételének   alakulását
    kísérhetjük figyelemmel. A  kvantálási  zajspektrum  a  félmintavételi
    frekvenciáig   terjed.   Ez   az    eredeti    jelen    22,05kHz.    A
    túlmintavételezett zajjel sávszélessége négyszeres,  azaz  88,2kHz.  A
    20kHz  alatti  szint  a  negyedére  csökkent;   a   spektrum   további
    alakításával a nagyfrekvenciák felé  megemeltük,  ennek  következtében
    "kis  frekvenciákon"  azaz  20kHz   alatt   tovább   csökkentettük   a
    zajszintet. A három zajspektrumban  a  görbe  alatti  terület  elvileg
    azonos. A valóságban e területek valamennyit növekednek.
        A zajspektrum-alakítással további 7dB-vel sikerült  csökkenteni  a
    14 bites D/A átalakító kimenetén megjelenő zajszintet, így  a  Philips
    lemezjátszók dinamikája is  elérte  a  16  bites  átalakítóval  működő
    lemezjátszók dinamikáját, illetve zajszintjét.
        A  fejlesztés   eredetileg   a   kompakt   játszók   zajszintjének
    csökkentését  célozta,  de  volt  egy  egyáltalán  nem  elhanyagolható
    mellékeredménye  is.  Mint  láttuk,  a   túlmintavételezést   úgy   is
    felfoghatjuk,  hogy  a  magasabb  mintavételi   frekvenciával   működő
    rendszerben 20kHz-es digitális aluláteresztő szűrőt alkalmazunk, ennek
    futásiidő-hibája csekély. A D/A átalakító utáni jelben a  nemkívánatos
    összetevők a négyszeres mintavételi frekvencia környezetében  jelennek
    meg, kiszűrésükre ezért egy  lényegesen  kisebb  levágási  meredekségű
    szűrő is elegendő. Így ennek a  szűrőnek  a  határfrekvenciáját  30kHz
    környékére tehetik, és már harmadfokú analóg szűrő is elegendő.  Ennek
    a szűrőnek a futásiidő-hibája kívül esik a hangfrekvenciás  sávon.  Az
    analóg simító szűrő futásiidő-hibáját természetesen más módszerrel  is
    csökkenteni lehet.
        A Sony második generációs lemezjátszóiban azáltal javítják a szűrő
    futásiidő-hibáját, hogy a  dekóder  és  a  D/A  átalakító  között  egy
    digitális futásiidő korrektort helyeztek el.  Ezt  szintén  kombinálni
    lehet a zajspektrum-alakítással, és akkor a CD-játszó ismét  kis  zajú
    és egyenletes futásiidő-karakterisztikájú lesz.
        Végül  a  múlt  évben  megjelentek  azok  a  kompakt  játszók  is,
    amelyekben a D/A átalakító 16 bit felbontású, de azért (hogy "lazább",
    kisebb  meredekségű  analóg  simítószűrőt  alkalmazhassanak)  ebbe  is
    beépítik a digitális túlmintavételező  szűrőt.  Ezekben  azonban  csak
    kétszeres   túlmintavételezést   alkalmaznak,   hiszen   itt   nem   a
    jel-zajviszony javítására törekednek, hanem első  sorban  az  átviteli
    lejátszási karakterisztikát  kívánják  kiegyenlíteni,  mind  amplitúdó
    átvitelre, mind futási időre.
        A 12. ábrán összefoglaltuk az eddig ismertetett rendszereket, úgy,
    hogy az egymáshoz csatlakozó fokozatok oszlopa között  feltüntettük  a
    mintavételi frekvencia és szóhosszúság aktuális  értékét  is.  A  négy
    rendszer fontosabb adatait az I. táblázat  szemlélteti.

    

    I-II. táblázat


        Miben nyilvánul meg a hagyományos és a másik három típusú lejátszó
    közötti  különbség?  Megvizsgálhatjuk  például  a   négyszög-hullámmal
    gerjesztett kimeneti jelet. Ezt a  mérést  CD-játszókon  is  el  lehet
    végezni, mivel ma már rendelkezésünkre  állnak  a  szinuszjelen  kívül
    négyszögjelet is tartalmazó,  számítógéppel  generált  CD-mérőlemezek.
    (Önmagában is érdekes, hogy ezeken a  lemezeken  vajon  hogyan  hoznak
    létre - sávhatároló szűrő nélkül - sávhatárolt négyszögjelet, és miért
    tér  el  még  a  szinusz  jelek  nagy  részének  a   frekvenciája   is
    negyedik-ötödik számjegyében a kerek értéktől.)
        A 13a ábrán a Sony CDP101 típusú lemezjátszó kimeneti jelét látjuk
    egy  Philips  SBC421  CD  mérőlemez  egy  kiloherzes  négyszögjeléről.
    Jellegzetesek a négyszögjel élei után megjelenő tranziens lengések. Az
    ugrás környezetét alul időben széthúzva is láthatjuk. Mellette  a  13b
    ábrán a négyszögjel spektrumvonalait látjuk,  ezek  az  alapfrekvencia
    páratlan  többszöröseit  tartalmazzák  1-től  21kHz-ig,  az   elméleti
    számításoknak megfelelően fokozatosan csökkenő amplitúdóval.  Fölöttük
    a 23kHz-es összetevő még felismerhető (épp hogy kiemelkedik a zajból),
    a nagyobb frekvenciás-összetevők a simítószűrő meredek levágása  miatt
    már nem láthatók.
        A 13c ábrán a Philips CD-202  lemezjátszó  kimeneti  jelét  látjuk
    ugyanerről a  lemezről.  A  kimeneti  jel  finomszerkezete  lényegesen
    különbözik az előzőétől, az átmeneti (tranziens)jelingadozás az  ugrás
    előtt is megjelenik, az ugrás középvonalára szimmetrikusan.  Alul  itt
    is bemutatjuk az időben széthúzott jelalakot.  Végül  a  13d  ábrán  e
    jelnek  a  kimeneti  spektrumát  mutatjuk  be:  21kHz-ig   a   vonalak
    amplitúdója alig különbözik a  136  ábrán  láthatóktól.  Tehát  a  két
    jelalak közötti különbség döntően a futási  idő  karakterisztikájától,
    azaz a harmonikusok közötti fázisviszonyoktól függ.  Azt,  hogy  ez  a
    jelalak  az  ideális,  számítással  is  be   lehet   bizonyítani.   Ha
    meghatározzuk egy ideális négyszögjel spektrumvonalait, és  azokból  a
    22,05kHz-nél nagyobb frekvenciájú összetevőket elhagyva kiszámoljuk  a
    jelalakot, akkor a Philips készüléken mért jelet  kapjuk.  A  számítás
    Fourier,   illetve   inverz   Fourier   transzformációval   már    kis
    személyi-számítógéppel is elvégezhető.

    

    14.  ábra.  CD-játszók  impulzus-átvitele  mérőlemezről.  A mérőlemez:
    Philips  SBC 421, Tr. 23. Frekvencia: 344,5312 Hz. a) Sony CDP 11S, b)
    Sony CDP 502 ES, c) Philips CD-202


        A 14. ábrákon három különböző típusú készülék  keskeny  impulzusra
    adott válaszát láthatjuk. A mérőlemezen minden 128-ik minta a tizenhat
    helyértékes   (0111111111111111=+32768)   legnagyobb    számmal    van
    ábrázolva, a közbenső minták zérusok. A három  egymás  alatti  jelalak
    sorrendben az A, B és C típusú készülékekhez tartozik. Ezek2n  is  azt
    láthatjuk, hogy az A típusú, futási hibára nem kiegyenlített  készülék
    kimenő jelében az első  főimpulzust  csillapodó  rezgések  követik,  a
    többi típusnál viszont a  főimpulzust  kísérő  rezgések  (az  elméleti
    számítások   alapján   várhatóan)   a   főimpulzusra    szimmetrikusan
    helyezkednek el.
        Az Audio 1985. októberi számában  a  CD-játszókról  közölt,  kissé
    hézagos  összeállítás  szerint  a  jelfeldolgozás  módja   szerint   a
    lemezjátszókat a II. táblázat szerint csoportosíthatjuk.
        Befejezésül néhány tömör megjegyzés. A  digitális  szűrőnek  a  7.
    ábrán lerajzolt működési elve  annyi  szorzót  és  összeadót  igényel,
    ahányad rendű a szűrő. Ez drága  mulatság  lenne,  hiszen  például  az
    egyik legújabb készülékbe 96-od rendű szűrőt építettek. E célra  tehát
    inkább  speciális  jelfeldolgozó  áramköröket  (DSP:  Digital   Signal
    Processor) fejlesztettek ki, gyors aritmetikai egységekkel  (5  millió
    szorzás   másodpercenként).   Ezek   a   jelfeldolgozási    feladatnak
    megfelelően programozhatóak. Használatuk hasonlít a ma már  több  mint
    egy évtizedes múltra visszatekintő mikroprocesszorokéra, de a működési
    sebességük   több    nagyságrenddel    nagyobb    (a    szorzás    egy
    mikroprocesszorban  10-50µs-ot  is  igénybe  vehet),  és   felépítésük
    kifejezetten a  jelfeldolgozási  feladatok  megoldását  teszi  könnyen
    programozhatóvá. Használatuk néhány év múlva éppoly általános  lesz  a
    hang-,  a  kép-  és  az   egyéb   jelfeldolgozásban,   mint   ma   egy
    potenciométeres hangszínszabályozóé.
        A cikkben leírt futási idő hibás sávhatárolás nem csak a digitális
    rendszerek   sajátja:   ez   természetesen   a   hagyományos    analóg
    berendezésekben is megvan. Ha a kedves olvasó áttekinti a Hifi Magazin
    Bemutatjuk   rovatának   mérési   eredményeit,    számtalan    hasonló
    négyszögjel-átviteli ábrát  találhat.  (Például:  18.  szám,  Akai  és
    Pioneer lemezjátszók - 84. oldal, Orion és Videoton  erősítők  -  106.
    oldal; 19. szám, Ortofon és Sharp hangszedők -  80.  oldal,  Sharp  és
    Uher erősítők - 106. oldal, Sharp hangsugárzók -108. oldal). E  példák
    azt sugallják, hogy a digitális hangátvitel minősége körüli viták  nem
    elsősorban az e cikkben tárgyalt futási idő hibákra vezethetők vissza.

    

    13.  ábra.  CD-játszók  kimeneti négyszögjel-átvitele, mérőlemezről. A
    mérőlemez: Philips SBC 421, Tr. 20. Frekvencia: 1002,2727 Hz
    a) a Sony CDP 101 négyszögjel-átvitele; egy vízszintes osztás = 200 ćs,
    b) a kimeneti jel spektruma; egy vízszintes osztás = 5 kHz,
    c)  Philips CD202 négyszögjel átvitele; egy vízszintes osztás = 200 ćs
    d) a kimeneti jel spektruma; egy vízszintes oaztás = 5 kHz


        Végül annak az olvasónak, aki még mindig nem lapozott  túl  ezeken
    az oldalakon, hadd mondjuk el, hogy e cikknek nemcsak az volt a célja,
    hogy az elmúlt tíz év egyik legnagyobb műszaki teljesítményét  jelentő
    CD-játszó  egyik   részletéről   beszéljünk,   hanem   az   is,   hogy
    felvillantsuk a digitális jelfeldolgozásnak (ezt az új fogalmat is meg
    kell  tanulnunk!)  azokat   a   sokszínű   lehetőségeit,   amelyek   a
    stúdiótechnikában és általában a szórakoztató-elektronikában rövidesen
    rohamosan elterjednek és amelyek már a jövő évezred zenéjét  jelentik.
    Ezúton mondok köszönetet Dr. Ferenczy Pálnak, a  BME  Híradástechnikai
    Intézete   professzorának,   aki   a   13.   ábra   képet   tartalmazó
    méréssorozatát  rendelkezésemre  bocsátotta,  valamint   Erki   György
    fejlesztő mérnök kollegámnak, aki a 14. ábra görbéit felvette.

                                                         Dr. Takács Ferenc