5.3. Скоростная выборка сигнала

Уже было отмечено, что в процессе кодирования КД скорость осу­ществления выборки аудиосигнала составляет 44,1 кГц, что более чем достаточно для типичного звукового диапазона от 0 до 20 кГц. Про­игрыватели КД с реальной скоростью выборки снимают цифровую информацию с той же тактовой частотой (44,1 кГц), с которой про­водилась выборка при записи аудиосигнала. Однако в таких проиг­рывателях необходимы аналоговые фильтры с очень крутыми фрон­тами для фильтрации цифровой составляющей выходного сигнала с ЦАП со всеми присущими таким фильтрам недостатками. Для то­го, чтобы упростить фильтрацию аналоговых сигналов, восстанавли­ваемых ЦАП проигрывателя КД, в настоящее время используется спо­соб скоростной выборки (oversampling), осуществляемый с помощью цифровых фильтров и выполняющий функцию предварительной фильтрации.

При использовании способа скоростной выборки (OS) сигнал при воспроизведении считывается с кажущейся более высокой так­товой частотой, чем частота, с которой проводилась выборка при за­писи. Тактовая частота при двухкратном OS составляет 88,2 кГц (44,1х2=88,2 кГц). Соответственно тактовая частота при четырехкрат­ном  176,4 кГц, при 8-кратном  352,8 кГц.

Разумеется, дополнительные величины при OS не считываются с компакт-диска, так как они на него просто не занесены. Эти ве­личины, возникающие дополнительно при OS, вставляются между первоначальными снимаемыми значениями (интерполируются).

При двухкратном OS после ЦАП в проигрывателях КД необхо­дим более простой ФНЧ, который дает возможность избежать неже­лательных воздействий фильтрации в области высоких частот. Но так как возникающий спектр помех в этом случае требует еще соответствующей фильтрации, так как он лежит вплотную к слышимому диапазону, вполне понятно стремление еще более по­вышать частоту считывания (выборки) при воспроизведении. Кро­ме всего прочего, шумы квантования при OS распределяются по го­раздо большей частотной области, что после фильтрации приводит к повышению отношения сигнал/шум. Аналоговый ФНЧ можно использовать со значительно меньшей крутизной фронта.

Увеличение динамического диапазона за счет снижения шумов квантования происходит из-за того, что помеховые шумы сдвигают­ся в область более высоких частот из-за соответственно увеличенной частоты выборки (88,2, 176,4, или 352,8 кГц). При частоте 88,2 кГц первая разностная частота составляет 88,220=68,2 кГц, так что по­следующий ФНЧ может иметь малую крутизну фронта (среза) и при этом не оказывает влияния на качество звучания.

При 8- и 16-кратных скоростях выборки необходимые ЦАП долж­ны обладать очень высокой скоростью преобразования, так как они имеют дело с повышенной плотностью потока преобразуемых в ре­альное время данных. Так как в настоящее время таких скоростных (353 или 705 кГц) преобразователей нет, весь поток данных делит­ся. Это означает, что в реальное время каждая часть содержит ко­личество данных, снятых с частотой 176 кГц.

5.4. Демультиплексирование и цифро-аналоговая обработка сигналов

Между проигрывателями компакт-дисков имеются различия в обработке цифровой информации на последних этапах. Например, существует возможность цифровую информацию для левого и пра­вого каналов обрабатывать одним ЦАП последовательно, друг за другом, а затем сигналы подавать на канальные фильтры по отдель­ности. Такой вариант имеет, однако, тот недостаток, что приводит к запаздыванию сигнала в одном из каналов примерно на 4 мкс. Другой вариант дает возможность исключить такое запаздывание на 4 мкс и заключается в том, чтобы использовать и для левого, и для правого каналов собственный ЦАП.

Последовательные данные содержат попеременно информацию правого и левого каналов. Демультиплексирование аудиоинформа­ции происходит по заднему фронту 24-го импульса тактового сигна­ла (BCLK) и по переднему фронту 25-го импульса BCLK. Сигнал тактирования слов данных (WCLK), выполняющий функцию передачи данных внутреннего счетчика, попеременно подключает последовательные данные к соответствующему ЦАП. В функцио­нальном отношении этот процесс аналогичен процессу переключе­ния видеоголовок в видеомагнитофоне.

Цифро-аналоговое преобразование  последний шаг в последо­вательности обработок до усиления звукового стереосигнала.

Если осуществлять преобразование квантованных выборок в ана­логовую величину, то возникают выбросы. Хотя ие­рархическая структура (контур) выбросов соответствует форме зву­кового сигнала, постоянная двухпозиционная коммутация производит бесконечный ряд частот-гармоник. Для того чтобы избежать этого эффекта на качество воспроизведения каждая выборка сохраняется, пока не начнет осуществляться последующая. Образуется ступенчатая форма сигнала. Такое представле­ние более соответствует первоначальной форме аналогового сигна­ла, чем ряд выбросов. Эта функция УВХ выполняется в цифро-аналоговых преобразователях.

Слово данных, занесенное в 16-разрядный приемный регистр, преобразуется в одно из 2¹⁶ = 65536 аналоговых значений.

В настоящее время в некоторых проигрывателях КД использует­ся 18-ти разрядный цифровой фильтр для того, чтобы обеспечить 8-кратную скорость выборки. В связи с этим применяется также и 8-разрядный ЦАП. Применение такой системы обеспечивает максимальное приближение (точность преобразования) выходного сигнала, которое оказывается в 4 раза выше (2¹⁸=262144), чем при использовании обычных 16-разрядных ЦАП. 18-разрядный цифровой фильтр в схеме может предшествовать 16-разрядному ЦАП. В этом случае последние (17-й и 18-й) биты просто отбрасываются как ненужные и не обрабатываются.

Для того чтобы при подключении других цифровых устройств не надо было бы заново осуществлять цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразования, цифровая шина стандартизируется. Эту функцию выполняет последовательное устройство сопряжения с высокой скоростью передачи данных. У сигнала на контакте гнезда цифрового выхода проигрывателя КД отсутствует постоянная составляющая, так как переменный сигнал (цифровой) развязан че-рез соответствующий транслятор.

Для того, чтобы подавить шумы квантования, которые тем сильнее, чем выше частота исходного аудиосигнала, в канал обработки налогового звукового сигнала, восстановленного в ЦАП, вводятся схемы коррекции внесенных при записи предыскажений и ФНЧ. Дополнительный ФНЧ отфильтровывает имеющиеся остатки несу­щей частоты (44,1 кГц). Управление включением схемой предыскажений происходит по информации в Q-канале субкода.