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