V minulej časti seriálu sme sa oboznámili s rôznymi typmi signálov, ktoré sa vyskytujú v rozhlasových štúdiách s tým, že v tomto dieli sa podrobnejšie pozrieme na súčasný trend - digitalizáciu analógových signálov. V texte budú použité dve tabuľky a dokonca aj vzorec, preto odporúčam pánovi, ktorý sa na použitie tabuľky a vzorca z tretej kapitoly sťažoval, aby si išiel čítať inú stránku, napríklad túto. Na začiatku seriálu som písal, že je určený čitateľom, ktorých problematika zvukovej techniky zaujíma a budeme sa jej venovať z pohľadu vzdelaného zvukára a nie ufrflaného vševedúceho dedinského dídžeja.
Prenos zvukových signálov v digitálnej forme
S rastúcou dostupnosťou a nasadením digitálnych štúdiových zariadení rastie aj potreba tieto zariadenia navzájom prepájať spojmi s adekvátnou kvalitou. Všeobecne totiž platí - ak raz máme signál v digitálnej forme snažíme sa ho tak už nechať a všetko spracovanie robíme digitálnymi metódami. Každý zbytočný prevod analógového signálu na digitálny, a naopak, do systému totiž vnáša degradáciu parametrov použitých zariadení. O zmene vzorkovacej frekvencie ani nehovoriac.
Základnou vlastnosťou digitálnych spojov je, že signál prenášajú ako dáta, teda k samotným vzorkám sa dá pribaliť aj množstvo iných informácií, ktoré slúžia napríklad na komunikáciu zariadení medzi sebou. Skôr, ako sa budeme podrobnejšie venovat dátovým formátom, povieme si niečo o digitalizácii analógových signálov.
Vzorkovanie signálov
Proces prevodu analógového signálu na číslicový je veľmi jednoduchý a nazýva sa vzorkovanie. V princípe ide o to odobrať zo signálu vzorky, ktoré ho budú ďalej reprezentovať v číslicovej forme. Pravidlám ako matematici prišli na to, koľko a akých vzoriek treba odobrať sa veľmi venovať nebudem, dajú sa nájsť v každej učebnici venovanej signálom a sústavám. Vezmime ľubovolný analógový signál, napríklad ten z obrázku 5-1.
Obr. 5-1: Pôvodný signál [klikni pre originálnu veľkosť]
Vidíme, že analógový signál je spojitý, teda môže mať v ľubovoľnom časovom okamihu ľubovoľnú hodnotu [napríklad napätia]. Takýto signál nazývame spojitý v čase aj v hodnote. Pre digitálne zariadenia by to však znamenalo rozlišovať nekonečne veľa úrovní, čo predstavuje nekonečne veľké množstvo dát. Tieto sú jednak nespracovateľné a ako neskôr uvidíme aj zbytočné.
Preto budeme v presne definovaných okamihoch [daných vzorkovacou frekvenciou] odoberať vzorky tohoto signálu, čím ho prevedieme na signál síce spojitý v hodnote, ale už nespojitý [diskrétny] v čase, ako vidíme na obrázku 5-2. V pozadí je pôvodný signál a modré krížiky sú odobrané vzorky.
Obr. 5-2: Vzorkovanie signálu v pravidelných časových intervaloch
[klikni pre originálnu veľkosť]
Vzorkovacia frekvencia je veľmi dôležitý parameter analógovo číslicového prevodu. Určuje totiž maximálne frekvenčné pásmo, ktoré sa bude dať digitálnym signálom prenášať. Bez matematickej analýzy, ktorú v minulom storočí urobili matematici Shanon, Kotelnikov alebo Nyquist, len uvediem pravidlo, že vzorkovacia frekvencia musí byť minimálne dvojnásobkom frekvencie hociktorej frekvenčnej zložky vzorkovaného signálu. Ak sa v signále nachádzajú zložky s frekvenciou vyššou ako fVZORK/2, budú spôsobovať skreslenie, konkrétne sa objavia zrkadlené okolo pomyselnej osi fVZORK/2. Tento jav sa nazýva "aliasing."
Na potlačenie alias efektu sa používajú rôzne techniky, spomeniem dve. Prvá je aj historicky pôvodné riešenie. Na vstup prevodníka sa vradí dostatočne strmý dolno priepustný analógový filter [anti-alias filter], ktorý obmedzí frekvenčné spektrum na maximálne polovicu vzorkovacej frekvencie. Toto riešenie je pomerne tažkopádne, lebo postaviť kvalitný a strmý analógový filter je problematické a hlavne drahé. Druhý spôsob vychádza z poznatku, že ak už raz máme polovodičový čip, pridať naň dalšie tranzistory nič nestojí. Preto sa zrealizuje rýchleší prevodník, ktorý vzorkuje signál s niekolkonásobne vyššou vzorkovacou frekvenciou, tento sa následne číslicovo filtruje [aj najstrmší číslicový filter je len matica čísel] a digitálne prevádza na signál so žiadanou vzorkovacou frekvenciou. Táto metóda sa volá prevzorkovanie [oversampling]. Nároky na vstupné filtre sú ovela menšie, takže sú vhodné aj na masovú výrobu.
Bežne používané vzorkovacie frekvencie sú uvedené v nasledujúcej tabuľke.
Spojitosť v hodnote ale stále znamená potrebu nekonečne vysokej rozlišovacej schopnosti prevodníka, ktorý by produkoval nekonečne veľké množstvo dát. Preto pokračujeme dalším krokom, urobíme signál diskrétny aj v hodnote. Tento proces sa nazýva kvantovanie. Tu maximálny rozsah [full scale, FS], rozdelíme na určitý počet pásiem, ktorým pridelíme príslušné číslo [resp. všeobecne nejaký kód].
Potom prevodník už len sleduje v ktorom "políčku" sa okamžitá hodnota kvantovaného signálu nachádza a pridelí mu dané číslo [odborníci prepáčia populárnejšie vysvetlenie aj pre laikov]. Takto sme odstránili aj spojitosť signálu v hodnote, takže máme už len konečné množstvo dát, ktoré sa dá spracovávať.
Počet úrovní analógovo číslicového prevodníka sa obyčajne volí ako binárne [dvojkové] číslo s určitým počtom bitov [bit je najmenšia jednotka informácie, jeden bit môže mat hodnotu len "áno", alebo "nie" (v elektrickej forme 0, alebo 1)]. V nasledujúcej tabuľke je prehľad používaných rozlíšení prevodníkov a vypočítaný počet rozlišovaných úrovní.
Od počtu úrovní, ktoré vie prevodník rozlíšiť, závisí kvalita navzorkovaného signálu. Všeobecne platí, že čím viac úrovní prevodník rozlišuje, tým je vzorkovanie presnejšie a skreslenie signálu spôsobené kvantovaním menšie. Ako to vyzerá v praxi môžeme vidieť na obrázkoch 5-3 až 5-6.
Obr. 5-3: Signál kvantovaný s rozlíšením 2 bity
[klikni pre originálnu veľkosť]
Obr. 5-4: Signál kvantovaný s rozlíšením 3 bity
Obr. 5-5: Signál kvantovaný s rozlíšením 4 bity
Obr. 5-6: Reálna reprezentácia číslicového signálu, ako postupnosti vzoriek
Rozdiel medzi skutočnou hodnotou signálu a jeho kvantovaným ekvivalentom vnáša do digitálneho signálu chybu, ktorá sa nazýva kvantizačný šum. Jeho hodnota je tým nižšia, čím vyššie je rozlíšenie prevodníka [to je nakoniec logické]. Pokiaľ tento šum vyjadríme vo forme odstupu signál/šum, možno povedať, že zvýšením počtu bitov o jeden sa zlepší odstup s/š spôsobený kvantizáciou o 6 dB. Podrobnosti sú uvedené v nasledujúcej vsuvke, pozornému čitatelovi iste neujde, že je v anglickom jazyku...
Quantization noise is inherent in the amplitude quantization process and occurs in the analog-to-digital converter, ADC. The noise is additive and independent of the signal when the number of levels L >= 16. This is equivalent to B >= 4 bits. For a signal that has been converted to electrical form and thus has a minimum and maximum electrical value, eq. is the appropriate formula for determining the SNR. If the ADC is adjusted so that 0 corresponds to the minimum electrical value and 2B-1 corresponds to the maximum electrical value then quantization noise SNR = 6*B+11 (dB) For B >= 8 bits, this means a SNR >= 59 dB. Quantization noise can usually be ignored as the total SNR of a complete system is typically dominated by the smallest SNR.
Zvyšovanie počtu bitov však nepomáha donekonečna, lebo pri určitej hodnote už nezvyšuje kvalitu signálu, ale len zahlcuje systém zbytočnými dátami. Preto, keď človek, ktorý naozaj rozumie tejto problematike vidí reklamy na hypermoderné zariadenia s 24-bitovými prevodníkmi, nad ktorými slintajú všetci audiofili sa len usmeje, prípadne pocíti súcit nad ich penaženkou. Tieto bity sa v odborných kruhoch výstižne volajú "komerčné bity."
Na seminári firmy Analog Devices šéf aplikačný inžinier tejto firmy rozprával zopár príkladov z praxe. Zákazník potreboval od nich 32 bitový prevodník. Po otázke načo to potrebujete odpovedal "máme 32 bitový signálový procesor, tak ku nemu potrebujeme 32 bitový prevodník." Prečo je táto požiadavka nezmysel? Všimnite si posledný údaj z tabuľky, označený hviezdičkou. Napätie 149nV je hodnota jedného kroku prevodníka a zároven aj šumové napätie tepelného šumu 50 ohmového rezistora pri izbovej teplote a šírke pásma 27kHz. V 24 bitovom systéme teda bude už len z tohoto dôvodu niekolko posledných bitov úplne zbytocných a budú plávat v šume [netreba zabudnúť, že audio zariadenia väcšinou pracujú na vyšších impedanciách]. O další príklad sa postará obyčajný ohmov zákon, predstavme si, že máme nasledovnú konfiguráciu:
Jednosmerný odpor cesticky na plošnom spoji vytvorí úbytok napätia [teda chybu] jedného bitu(!) už v 16-bitovom systéme.
Samozrejme úplne iná situácia je pri šírke slova aritmetickej jednotky u signálových procesorov. Tu sa vyšší počet bitov podpíše na presnejších výpočtoch, ktoré sa prejavia ako kvalitnejší a čistejší zvuk. Na prevod vzoriek s rôznymi počtami bitov [napríklad výstup z výpočtu 32 bitov na štandardný 16-bitový signál] sa používajú špeciálne algoritmy, v praxi sa stretneme s označením "dithering."
Protokoly používané pre digitálny prenos dát
Existuje celý rad protokolov používaných pri digitálnom prenose zvuku, ktoré si väčšinou vyvinula a používa konkrétna firma pre svoje konkrétne zariadenia. Ako príklad by som pre jednoduché prenosy uviedol formáty AES-EBU [EBU] a SPDIF [Sony, Philips], a pre viackanálové prenosy ADAT [firma Alesis], T-DIF [firma Tascam]. Ďalej sa budeme venovať asi najrošírenejšiemu profesionálnemu formátu AES-EBU a jeho komerčnej verzii SPDIF.
Formát AES-EBU
Rozhranie AES/EBU bolo vyvinuté za účelom prepojenia rôznych audio zariadení v digitálnej forme. Jednoduchšia verzia AES/EBU sa používa aj pre komerčné zariadenia a má označenie SP-DIF. V nasledujúcom texte je stručne popísaný prenosový protokol a podrobnejšie informácie spolu s obrázkami sa dajú nájsť v priloženej technickej špecifikácii [pozornému čitateľovi určite neujde, že je v anglickom jazyku].
Všeobecné parametre
Rozhranie AES/EBU sekvenčne vysiela dáta formované do blokovej štuktúry po jednoduchom prenosovom vedení. Je schopné naraz preniesť 2 kanály s možnosťou pridania riadiacich informácií a chyby opravujúceho protokolu. Riadiace informácie sú prenášané s frekvenciou 1 bit na jednu vzorku signálu. Dáta sú kódované bifázovou moduláciou, ktorá umožňuje zrekonštruovať hodinový signál v prijímači. Pri kódovaní dát sa uplatňujú určité obmedzenia, ktoré umožňujú prijímaču rozlíšit začiatok jednotlivej vzorky, alebo celého bloku.
Rámce, podrámce a bloky
Ucelená dátová jednotka [niečo na spôsob paketu, známeho z počítacových sietí] sa nazýva blok a obsahuje 192 rámcov, každý zložený z dvoch podrámcov [vid obrázok 5-7].
Obr. 5-7: Dátová štruktúra rámca [klikni pre originálnu veľkosť]
Audio dáta sú uložené v podrámcoch. Jeden podrámec sa skladá zo štvorbitovej hlavičky, štyroch pomocných bitov, 20 bitov audio vzorky, "validity" bitu, užívateľom definovaného bitu, jedného stavového bitu a jedného paritného bitu [obrázok 5-8].
Obr. 5-8: Štruktúra podrámca
Hlavička [preamble] je zakódovaná ako výnimka z bifázovej modulácie, čo umožnuje prijímaču identifikovať začiatok bloku, rámca, alebo podrámca. V protokole sa rozlišujú 3 typy hlaviciek, X, Y a Z. X označuje začiatok podrámca s dátami prvého kanála, Y začiatok podrámca s dátami druhého kanála a Z začiatok celého rámca. Kódovanie hlavičky je znázornené na obrázku 5-9.
Obr. 5-9: Kódovanie hlavičky, systémom výnimky z bifázovej modulácie
Dĺžka zvukovej vzorky môže dosiahnut až 24 bitov a vysiela sa najmenej významným bitom napred. Ak sú audio dáta dlhšie ako 20 bitov, zvyšné 4 bity sa prenášajú namiesto pomocných bitov [obrázok 5-8a, 5-8b].
Užívateľom definované bity a stavové bity sa vysielajú s frekvenciou 1 bit na jednu vzorku a spracovávajú sa až po prijatí celého bloku. Stavové bity prenášajú informácie o prenášaných dátach a prenosovej linke. Po prijatí celého bloku 192 vzoriek teda môže byť stavová informácia obnovená. Vždy dve vzorky tvoria rámec a 192 rámcov tvorí jeden blok.
Bifázová modulácia
Dáta sa po linke prenášajú zakódované bifázovou moduláciou [obrázok 5-10], ktorá odstraňuje jednosmerný offset signálu [vhodné napríklad pre prenos cez transformátory] a umožnuje extrakciu hodinových impulzov zo signálu.
Obr. 5-10: Bifázová modulácia signálu
Komerčný formát SP-DIF
Komerčná verzia formátu AES/EBU má trochu jednodušiu dátovú štruktúru a je veľmi obľúbená v komerčných audio zariadeniach [minidisky, cd prehrávače]. Na prenos signálu sa používa koaxiálny kábel s konektormi typu cinch, alebo optický kábel s konektormi typu TOS-link [obrázok 5-11]. Výhodou týchto káblov je ich veľmi nízka cena [u predajcov elektronických súčiastok metrový kus cca. 150Sk, u predajcov hifi techniky asi 5-10 krát viac].
Obr. 5-10: Optický konektor systému TOS-link
Popis jednotlivých bitov označujúcich vzorkovacie frekvencie, zdroje signálu, alebo ochranu voči kopírovaniu je veľmi obsiahly a je mimo rozsah tohoto textu. Všetky podrobnosti sa dajú nájsť v priloženej technickej špecifikácii protokolu AES/EBU.
Toľko k problematike digitálnych signálov. V budúcom, šiestom dieli, sa budeme venovať architektúre vysielacieho štúdia a povieme si aj o tom ako by mal vyzerať profesionálny vysielací mixážny pult.
