Построение аудио АЦП для себя любимого

[svolkovoy]

про ЦАПы уже 2 ветки наплодили - начнем про АЦП.
Итак первое - какие изделия из сигма дельт лучше? Вообше и из имеющегося в наличии (ад1871 и пцм1804).
если делать на АЦП последовательного приближения (есть ад7679 и адс8382) то надо ли делать передискретизацию и цифровую фильтрацию для понижения частоты до нужной? Пока все, потом начнем про входные каскады и т.д. и т.п.

[Lynx]

Для измерительных целей с быстрым отсчетом дльта-сигма совсем не подходит. Но мы то не меандры передаем и слушаем.

Костя, звук во многом похож на случайные сигналы, и, соответственно, желательно при оцифровке сохранять их стат. параметры. Но, к сожалению, SAR АЦП с разрядностью более 16...18 очень дороги, выдают данные поотсчетно в параллельном коде, т.е. требуется их дополнительное форматирование при записи на носители, и та же Sony пошла по пути наименьшего сопротивленя, выбрав из N зол наименьшее, по их мнению. А тут еще сроки лицензионного соглашения по CDDA поджимали, вот и родили в муках новый формат SACD на основе DSD потока. С точки зрения носителя, как канала передачи информации, формат данных безразличен, а вот при оцифривании сигналов с недетерминированными параметрами и их обратном преобразовании в аналог желательно исключить межотсчетную корреляцию, поскольку в данном случае АКФ выходного сигнала буде представлена сверткой АКФ входного с КФ преобразователей. недаром, в наиболее качественных DSD- системах применяют первоначальное преобразование DSD-PCM (специально для него были разработаны и выпускаются довольно дорогие децимационные фильтры SM5816 и SM5819) и далее параллельное преобразование цифра - аналог.

В итоге, я думаю, до пьдестала в 115-120 дб поднятся можно?

\

Можно. можно поступить и по-другому, использовать конвейерную обработку с разделением шкалы преобразования на 4 участка и на четырех 18-разрядных SAR получить 20-разрядный преобразователь с РЕАЛЬНЫМ НЕВЗВЕШЕННЫМ дин. диапазоном в 118...120дБ без роста пъедестала на высоких частотах и практически равномерным распределением спектральной плотности мощности шумов преобразования. Только в этом случае самым трудным будет не приобрести 4 SAR, а состыковать их по амплитудной характеристике шкалы в диапазоне температур хотя бы 10...30С (кстати, подобные вещи промышленного исполнения обычно термостатируют) и синхронизацию моментов преобразования и апертурные свойства их внутренних УВХ.

[vizzy]

А что профи скажут относительно PCM1750 ?

Кстати да. У меня тоже пара лежит

[Semigor]

Игорь, не только импульсных детерминированных, но, в бОльшей степени случайных.

Дмитрий, я согласен. Просто я привел пример из близкой мне по работе области, поскольку давно занимаюсь регистрацией и обработкой так называемых "быстропротекающих процессов"
Костя, дело мне представляется следующим образом.
Когда Сони делала выбор, не существовали SAR АЦП с с разрешением 24 бита и частотой дискретизации 100...200кГц. Их нет и сейчас.
Но, красивая идея о коротком тракте аналог-DSD-аналог натолкнулась на две проблеммы:
1. Цифровая информация в таком виде занимает гораздо больший объем, чем ИКМ.
2. На 99% математический аппарат обработки цифровых сигналов педназначен для работы с ИКМ сигналами.
В результате, DSD поток всегда переводится в ИКМ с помощью цифровых фильтров, характеристики которых, ИМХО, далеки от оптимальных для звука.

Конечно, мы не слушаем меандр, но мы тем более не слушаем и синусоиду. Я думаю, что импульсные и случайные сигналы гораздо ближе к музыкальным, чем периодические.
Что касается АЦП, выдающих DSD сигнал, то их производит и AD и другие фирмы. Но что ты будешь дальше делать с этим сигналом?

2 anli
Спасибо за ссылку. У меня есть эта книжка живьем. У кого нет - советую скачать. Грамотно и популярно излагаются все основные аспекты аналого-цирфрового преобразования: история, теория, терминогогия, классификация и применение.

[Костя Мусатов]

А тут еще сроки лицензионного соглашения по CDDA поджимали, вот и родили в муках новый формат SACD на основе DSD потока.

Так SACD - это просто популяризация их старого внутреннего формата, он не новость, в смысле формата данных, только приспособили новый ноститель.

У меня нет ни каких сомнений, что в динамических измерительных целях PCM вне конкуренции. А вот для звука преимущество PCM основывается только на широкой номенклатуре микросхем обработки данных. Ведь применение DSD-PCM преобразования в дорогих моделях делается не из-за плохих DSD ЦАП-ов, а из-за невозможности проведения обработки в DSD, а получив обработанный PCM, переводить его обратно в DSD смысла нет, опять будут потери. Видел, что в прошлом году пара фирм начали выпускать цифровые фильтры и еще что-то для обработки именно DSD потока. Странно, что Сони таких не выпускала.

Есть еще интересные моменты. Передача быстрых фронтов в DSD получается лучше из-за высокой частоты дискретизации. Второе, это уже из общей теории информации. В РСМ стоимость разных битов информационного потока отличается. Это означает и то, что потеря их приводит к разным последствиям и то, что код неоптимален. В DSD все биты имеют равную стоимость, это означает, что, в принципе, он способен передать больше реальной информации.

[Lynx]

Есть еще интересные моменты. Передача быстрых фронтов в DSD получается лучше из-за высокой частоты дискретизации.

Не совсем так. В идеальном случае нужно учитывать частоту дискретизации, отнормированную к количеству передаваемой информации. Для DSD эта величина составляет 88.2 или 176.4кГц в лучшем случае. Кроме того, время установления с точностью до МЗР у дельтасигма АЦП - еличина неопределенная и зависит от параметров семплируемого отсчета.

В РСМ стоимость разных битов информационного потока отличается. Это означает и то, что потеря их приводит к разным последствиям и то, что код неоптимален. В DSD все биты имеют равную стоимость, это означает, что, в принципе, он способен передать больше реальной информации.

В идеальном случае для произвольных сигналов они способны передать одинаковое количество информации. Для детерминированных сигналов DSD может оказаться более емким каналом, но звуковые сигналы в большей мере относятся к случайным. Более того, одинаковый вес единицы преобразованной информации в DSD является, скорее, недостатком, поскольку ошибка при обработке или передаче ЛЮБОГО бита вызывает похожий результат, в то время, как при обработке ИКМ сигнала ошибки в обработке младших разрядов принципиально менее весомы.

[Костя Мусатов]

Кроме того, время установления с точностью до МЗР у дельтасигма АЦП - еличина неопределенная и зависит от параметров семплируемого отсчета.

Абсолютно точно. Однако, как мы вспомним, хорошие усилители не обладают минимумом искажений, так и здесь, важна ли нам точная передача амплитуды и формальной структуры фронта сигнала, или нам интереснее временная точность, о чем сейчас часто говорят, рассказывая о чувствительности слуха вплоть до 1мкс.

Для детерминированных сигналов DSD может оказаться более емким каналом, но звуковые сигналы в большей мере относятся к случайным.

При указании, что DSD хуже передает случайный сигнал, опора идет на ошибки в фазочастотной области. Но при этом можно вспомнить, что слуху наплевать на соотношения фаз в гармониках сигнала. Попробуй взять меандр (как наиболее показательный сигнал) и измени фазы в гармониках. Форма исказится до неузнаваемости, а звучать будет абсолютно так же.

Я, в общем то, не являюсь аппологетом ни PCM ни DSD. Но мне кажется, что встречающиеся, в последнее время, нападки на SACD беспочвенны и мало кореллируют с реальностью. Напротив, от профессиональных людей я больше слышал хорошего в адрес SACD. Конечно речь идет о качественном оборудовании. Универсальный плеер, читающий и DVD-A и SACD конечно имеет обработку в формате PCM, и DVD-A на нем должен (обязан) играть лучше.

[aal]

Можно. можно поступить и по-другому, использовать конвейерную обработку с разделением шкалы преобразования на 4 участка...
...состыковать их по амплитудной характеристике шкалы в диапазоне температур хотя бы 10...30С (кстати, подобные вещи промышленного исполнения обычно термостатируют) и синхронизацию моментов преобразования и апертурные свойства их внутренних УВХ.

Прошу не бросать банановыми корками...
Вопрос. А если при Fд ~800кГц АЦП, во входной сигнал (с фильтром 2-3 порядка на 50-70 кГц) подмешать чистую синусоиду с частотой больше 100 кГц (можно и кратную Fд АЦП) и амплитудой -80..-100 дБ, формируемую цап-ом Fд <10 мГц и фильтром ~3 порядка (т.е. все отклонения чтоб у нас за -130 дБ ушли). Т.е. мы имеем входной сигнал + синус с точно определённым во времени уровнем. Используя эту информацию можно ли при пересчёте в Fд 192 кГц получить больше 18 бит? В одной из статей 80-х годов я видел выкладки, типа в 2 раза оверсемплинг +1 бит значащий. Ведь в дельта сигме подобный принцип и работает. А здесь 4х, т.е. +2 бита точнои ещё мы добавляем в исходный сигнал дополнительное возмещение, которое мало того, что можем легко вычесть из исходного сигнала, так ещё и отфильтровать легко, т.к. находится много выше полезного сигнала. Цель - как в цифровых осцилографах стробоскопический эфект, но не по частоте, а амплитуде.
И ещё как наворот: 2 АЦП. 1-й на 30 МГц 12 бит (со снятыми амплитудными параметрами с высокой точностью), 2-й 800кГц 18бит. Сигнал с первого АЦП подаём на ЦАП 30 МГц 12 бит (со снятыми амплитудными параметрами с высокой точностью) и вычитаем из входного сигнала. Усиленную разность подаём 2-й АЦП. После стоит ПЛИС, которая высчитывает реальное значение сигнала.

[Костя Мусатов]

Может я и ошибаюсь, но у меня не получилось просчитать такой вариант. Есть ограничение по точности исходного АЦП и как ее не умножай по частоте, она остается и вылазит у итогового. У дельта-сигмы один бит и в нем ошибки нет, потому умножение по частоте дает результат. Под ошибкой понимается разный реальный коэффициент между кодом и напряжением. Я исходил из вариантов параллельных АЦП с разраядностью 8 и тактовой частотой порядка 250-500МГц и так же хотел умножить разрядность и точность. Конечно есть один дурной способ, мультиплицировать всю шкалу, но тут возникают жуткие технические проблемы, учтя скорости.

[Gav]

Игорь, не только импульсных детерминированных, но, в бОльшей степени случайных. Дельтасигма АЦП сильно изменяют ту же АКФ сигнала, в то время, как SAR или параллельные не вносят изменений, бОльших, чем определяемые разрядностью\дискретизацией. Из-за этого мне не удалось применить в одной из разработок относительно недорогие и простые в применении АК5393 и пришлось использовать ГОРАЗДО более дорогие и требовательные к конструктиву AD7679

А в чем проявляется требовательность к конструктиву для SAR? Кстати, есть еще AD677,вроде не дельта-сигма И корпус поболее...

[Lynx]

А в чем проявляется требовательность к конструктиву для SAR?

В том, что из-за существенно меньших апертурных времен УВХ в SAR АЦП, последние гораздо более чувствительны к помехам, в том числе кратковременным и высокочастотным, выходящим далеко за область рабочих частот. И такие помехи могут создавать гораздо большие как систематические, так и случайные ошибки, чем в дельтасигмах. Поэтому при применении SAR или параллельных приборов помехозащищенность ОЧЕНЬ существенна.

[ADDED=Lynx]1125903376[/ADDED]

И ещё как наворот: 2 АЦП. 1-й на 30 МГц 12 бит (со снятыми амплитудными параметрами с высокой точностью), 2-й 800кГц 18бит. Сигнал с первого АЦП подаём на ЦАП 30 МГц 12 бит (со снятыми амплитудными параметрами с высокой точностью) и вычитаем из входного сигнала. Усиленную разность подаём 2-й АЦП. После стоит ПЛИС, которая высчитывает реальное значение сигнала.

Все упрется в точность и время вычитания. Такой способ применялся на заре АЦП-строения для получения приборов в 14...16 разрядов из 12-разрядных (даже в нашем журнале ПТЭ как-то описывалась подобная конструкция), но при требуемом ДД преобразования более 90...95дБ он уже неприменим. Конвейерная обработка, либо разделение всей шкалы на участки хоть тоже не сахар, но избавлены по крайней мере от динамических ошибок в аналоговых операциях, поэтому если уж "совсем приперло" применяются именно они.
Идеи с детерминированным дизерингом тоже хорошм до той поры, пока речь идет о детерминированных сигналах, с его помощью действительно можно восстановить детерминированный сигнал уровнем менее МЗР (чем, кстати, в середине - конце 80-х пользовались специалисты Nippon Columbia, создавая тестовые компакт-диски с сигналами -104дБ , но только синусоидальными), но для случайных сигналов этого не получается, хотя сигнал и может быть преобразован, но результат получается слабокоррелированным со входным сигналом и в бОльшей степени коррелирован с дизеринговым, т.е теряется полезная информация преобразуемого сигнала.

[aal]

2 Lynx
Так с Вашей точки зрения, что лучше для звука:
SAR 18 bit - 105 дБ
или
Дельтасигма - 123 дБ
Где более достоверная звуковая картинка получится? Или разница нивелируется?

[Lynx]

Так с Вашей точки зрения, что лучше для звука:
SAR 18 bit - 105 дБ
или
Дельтасигма - 123 дБ

А условия измерения этих параметров (полоса частот, взвешивающая функция, и т.п.) каковы?
Без указания оных эти цифры весьма непоказательны.
Но в любом случае я бы предпочел SAR из-за их однозначной статистической достоверности и короткой КФ.

[svolkovoy]

тогда все-таки хотелось бы оточнить как сделать ныжную частоту дискретизации. Я вот думаю чтобы выходная была 88.2 и САР ацп запустить с высокой частотой 88,2 * 4 = 352,8. что вполне реально для имеющихся АЦП. вопрос в том как правельнее понизить частоту. Простое усреднение 4-х отсчетов в 1 либо их суммирование мне видется не самым лучшим вариантом (хотя сложение 4х 18 разрядных слов дает 20 бит, что более чем помещается в 24х разрядные слова и2с интерфейса).

[Костя Мусатов]

Простое усреднение 4-х отсчетов в 1 либо их суммирование мне видется не самым лучшим вариантом

Если так поступить, то потеряешь главную фичу увеличения частоты - замену аналоговой фильтрации на цифровую. При увеличении частоты можно поставить более гладкий аналоговый фильтр и с запасом по частоте, а даунсамплинг производить с цифровой фильтрацией.

[svolkovoy]

во, а кокой именно можно применить алгоритм фильтрации? просто Ни один семпл рейт конвертор частот выше 200 не тянет, или не парится а сделать только 2х?
В принципе я собираюсь применть ПЛИС, так что в принципе можно сделать фильтр прямо там

[Lynx]

Можно сделать по-разному. самый простой способ - просто децимировать последовательность, игнорируя нужное количество "лишних" отсчетов. Но это грубый и не всегда корректный способ.
Лучше - усреднение, но для его реализации нужен аппаратный сумматор с разрядностью не менее 20 и умножитель на постоянный коэффициент.
Можно использовать весовое усреднение, но тогда нужно очень тщательно подумать о взвешивающей функции.
Но это уже получаются алгоритмы, соответствующие таковым ЦФ.
В ПЛИС серьезный фильтр не влезет (если только не использовать большие FPGA приборы). Хотя, для линейного усреднения, возможно хватит и 10К30.

[svolkovoy]

я предполагал acex1k на 30 или 50 тысяч вентилей, думаю сумматор и преобразователи интерфейсов должны влезть свободно

[Lynx]

В 30К должно влезть.

[pokos]

.... В ПЛИС серьезный фильтр не влезет ...

Ну, серьёзный вряд ли будет полезен, на пальцах прикинув, при 3-го порядка на входе и 4х должно более-менее хватить 63 отсчёта.

[Lynx]

Да, для рассматриваемого случая на вскидку должно хватить. Это, при желании, можно попробовать запихать и в 10К10. А уж в тридцатку точно влезет.
Я по привычке стараюсь выбирать микруху с большим запасом, ибо был у меня в практике один пренеприятнейший случай, когда в заложенную на 6-слойную плату EPF10K30 проект не влез...