Welche Schnittstellen werden für die digitale Audioübertragung verwendet?


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Welche Schnittstellen werden für die digitale Audioübertragung verwendet?

Digital Audio Transmission

S / PDIF (Sony / Phillips Digital Interface Format, ein digitales Schnittstellenformat von Sony und Phillips) ist eine digitale Schnittstelle für Consumer-Funkgeräte.

Digital Audio Transmission

AES / EBU (Audio Engineers Society / Europäische Rundfunkunion) ist eine digitale Schnittstelle für Studiofunkgeräte.

Beide Schnittstellen sind seriell und verwenden dasselbe Signalformat und Codierungssystem, BMC (Biphasic Mark Code) mit automatischer Synchronisation, und können Signale im PCM-Format von bis zu 24 Bit mit Abtastraten von bis zu 48 kHz übertragen.

Jeder Abtastwert des Signals wird als 32-Bit-Wort übertragen, in dem 20 Bits zum Übertragen des Abtastwerts und 12 Bits zum Bilden der Synchronisationspräambel, Übertragen zusätzlicher Informationen und des Paritätsbits verwendet werden. Die 4 Bits der Überlastgruppe können verwendet werden, um das Beispielformat auf 24 Bit zu erweitern.

Zusätzlich zum Paritätsbit enthält das Wort Overhead das Gültigkeitsbit, das für jede gültige Stichprobe Null sein muss. Im Falle des Empfangs eines Wortes mit einem einzelnen Gültigkeitsbit oder mit einer Paritätsverletzung im Wort interpretiert der Empfänger die gesamte Stichprobe als falsch und kann wählen, sie durch den vorherigen Wert zu ersetzen oder basierend auf mehreren benachbarten gültigen Stichproben zu interpolieren. Ungültige Messwerte können von CD-Playern, DAT-Rekordern und anderen Geräten übertragen werden, wenn während des Lesens der Trägerinformationen die während des Lesevorgangs aufgetretenen Fehler nicht korrigiert werden konnten.

Standardmäßig ist das Codierungsformat für die Übertragung eines Ein- und Zweikanalsignals vorgesehen; Wenn jedoch die Dienstbits zum Codieren einer Kanalnummer verwendet werden, kann ein Mehrkanalsignal übertragen werden.

Auf der elektrischen Seite ermöglicht S / PDIF den Anschluss mit einem Koaxialkabel mit einer charakteristischen Impedanz von 75 Ohm und Cinch-Steckern (“Tulpe”), die Amplitude des Signals beträgt 0,5 V. AES / EBU ermöglicht den Anschluss mit Ein zweiadriges, abgeschirmtes symmetrisches Kabel mit Isolierung vom Transformator über die RS-422-Schnittstelle mit einer Signalamplitude von 3-10 V, Anschlüsse – dreipoliger XLR-Kanonentyp. Es gibt auch Optionen für optische Transceiver: TosLink (Kunststofffaser) und AT & T Link (Glasfaser).


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Was sind die Vor- und Nachteile von digitalem Audio?

Was sind die Vor- und Nachteile von digitalem Audio?

Digital Audio

Die digitale Darstellung von Ton ist vor allem für die Möglichkeit der endlosen Speicherung und Wiedergabe ohne Qualitätsverlust wertvoll; Die Umstellung von analog auf digital und umgekehrt führt jedoch zwangsläufig zu einem teilweisen Verlust.

digital audio

Die unangenehmsten Verzerrungen, die in der Digitalisierungsstufe eingeführt werden, sind das granulare Rauschen, das auftritt, wenn das Signal aufgrund der Rundung der Amplitude auf den nächsten diskreten Wert durch den Pegel quantisiert wird. Im Gegensatz zu einfachem Breitbandrauschen, das durch Quantisierungsfehler verursacht wird, ist granulares Rauschen die harmonische Verzerrung des Signals, die im oberen Teil des Spektrums am deutlichsten erkennbar ist.

Die Leistung des körnigen Rauschens ist umgekehrt proportional zur Anzahl der Quantisierungsschritte; Aufgrund der logarithmischen Charakteristik des Hörens mit linearer Quantisierung (konstanter Schrittwert) haben leise Töne weniger Quantisierungsschritte als laute Töne, und infolgedessen fällt die Hauptdichte nichtlinearer Verzerrungen in den Bereich der Töne. Leise. Dies führt zu einer Begrenzung des Dynamikbereichs, die idealerweise (ohne Berücksichtigung der harmonischen Verzerrung) dem Signal-Rausch-Verhältnis entspricht. Die Notwendigkeit, diese Verzerrung zu begrenzen, verringert jedoch den Dynamikbereich für die 16-Bit-Codierung auf 50-60 dB. Die Situation hätte durch logarithmische Quantifizierung gerettet werden können, aber ihre Implementierung in Echtzeit ist sehr schwierig und teuer.

Die durch granulares Rauschen verursachte Verzerrung kann verringert werden, indem dem Signal normales weißes Rauschen (zufälliges oder pseudozufälliges Signal) mit einer Amplitude von der Hälfte des niedrigstwertigen Bits hinzugefügt wird; Eine solche Operation wird Dithering genannt. Dies führt zu einem leichten Anstieg des Rauschpegels, schwächt jedoch die Korrelation von Quantisierungsfehlern mit den Komponenten des Hochfrequenzsignals und verbessert die subjektive Wahrnehmung. Anti-Aliasing wird auch angewendet, bevor die Samples durch Verringern ihrer Bittiefe gerundet werden. Dithering und Rauschformung sind im Wesentlichen Sonderfälle derselben Technologie, mit dem Unterschied, dass im ersten Fall weißes Rauschen mit einem flachen Spektrum und im zweiten Fall Rauschen mit einem Spektrum mit einer “Form” verwendet wird “Besondere.

Beim Wiederherstellen von Audio von digital auf analog besteht das Problem, die gestufte Wellenform zu glätten und die durch die Abtastrate eingeführten Harmonischen zu unterdrücken. Aufgrund der Unvollkommenheit des Frequenzgangs der Filter kann eine unzureichende Unterdrückung dieser Störung oder eine übermäßige Dämpfung nützlicher Hochfrequenzkomponenten auftreten. Schlecht unterdrückte Oberwellen der Abtastrate verzerren die Form des analogen Signals (insbesondere im Hochfrequenzbereich), was zu einem “rauen” und “schmutzigen” Klang führt.

Wie funktionieren und funktionieren ADCs und DACs?

Wie funktionieren und funktionieren ADCs und DACs?

ADC and DAC

Es gibt hauptsächlich drei ADC-Designs:

ADC DAC

Parallel – Das Eingangssignal wird gleichzeitig mit den Referenzpegeln durch eine Reihe von Vergleichsschaltungen (Komparatoren) verglichen, die am Ausgang einen Binärwert bilden. In einem solchen ADC ist die Anzahl der Komparatoren gleich (2 zur Potenz N) – 1, wobei N die Ziffernkapazität des digitalen Codes ist (für einen 8-Bit-Code – 255), wodurch die Kapazität von nicht erhöht werden kann Ziffern über 10-12.
Sukzessive Approximation: Der Wandler, der einen Hilfs-DAC verwendet, erzeugt ein Referenzsignal, das mit dem Eingangssignal verglichen wird. Das Referenzsignal wird nach dem Prinzip der mittleren Division (Dichotomie), das in vielen konvergenten Suchmethoden der angewandten Mathematik verwendet wird, sequentiell geändert. Dies ermöglicht es, die Umwandlung in einer Anzahl von Taktzyklen durchzuführen, die der Länge des Wortes entsprechen, unabhängig von der Größe des Eingangssignals.
mit Zeitintervallmessung: Eine große Gruppe von ADCs, die verschiedene Prinzipien der Umwandlung von Pegeln in proportionale Zeitintervalle verwenden, um das Eingangssignal zu messen, dessen Dauer von einem Hochfrequenztaktgenerator gemessen wird. Dies wird manchmal als ADC-Zählung bezeichnet.
Unter ADCs mit Zeitintervallmessung überwiegen die folgenden drei Typen:

Sequentielle Zählung oder Single Slope – Bei jedem Umwandlungszyklus wird ein linear ansteigender Spannungsgenerator gestartet, der mit der Eingangsspannung verglichen wird. Typischerweise wird diese Spannung in einem Hilfs-DAC erhalten, ähnlich einem ADC mit sukzessiver Approximation.
Dual Slope: In jedem Umwandlungszyklus lädt das Eingangssignal einen Kondensator auf, der dann mit der gemessenen Entladungsdauer auf eine Referenzspannung entladen wird.
Tracking – Eine Variante des ADC mit sequentieller Zählung, bei der der Referenzspannungsgenerator nicht bei jedem Zyklus zurückgesetzt wird, sondern ihn vom vorherigen auf den aktuellen Wert ändert.
Die beliebteste Version des Tracking-ADC ist Sigma-Delta, das mit einer Frequenz Fs arbeitet, die signifikant (64-mal oder mehr) höher ist als die Abtastfrequenz Fd des digitalen Ausgangssignals. Der Komparator eines solchen ADC erzeugt Werte mit reduzierter Bittiefe (im Allgemeinen ein Bit – 0/1), deren Summe im Abtastintervall Fd proportional zum Wert der Abtastung ist. Eine Folge von niedrigen Bitwerten wird digital gefiltert und dezimiert, was zu einer Reihe von Abtastwerten mit einer gegebenen Bittiefe und Abtastrate Fd führt.

Um das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern und den Effekt von Quantisierungsfehlern zu verringern, der sich im Fall eines Ein-Bit-Wandlers als ziemlich hoch herausstellt, wird ein Rauschformungsverfahren durch digitale Filter- und Rückkopplungsschaltungen verwendet. Error. Infolge der Anwendung dieses Verfahrens ändert sich die Form des Rauschspektrums, so dass die Hauptrauschenergie in den Bereich oberhalb der Mitte der Frequenz Fs verschoben wird, ein kleiner Teil in der unteren Hälfte verbleibt und fast das gesamte Rauschen Es wird aus dem ursprünglichen analogen Signalband entfernt.

DACs basieren hauptsächlich auf drei Prinzipien:

Gewichtung: mit der Summe der gewichteten Ströme oder Spannungen, wenn jedes Bit des Eingangsworts einen seinem Binärgewicht entsprechenden Beitrag zum Gesamtwert des empfangenen analogen Signals leistet; Diese DACs werden auch als Parallel oder Multibit (Multibit) bezeichnet.
Sigma-Delta mit vorläufiger digitaler Überabtastung und Lieferung von Low-Bit-Werten (normalerweise Ein-Bit-Werten) an die Referenzladungsformungsschaltung, die dem Ausgangssignal mit derselben hohen Frequenz hinzugefügt werden. Diese DACs werden auch als Bitströme bezeichnet.
Pulsweitenmodulation (PWM), wenn Impulse mit konstanter Amplitude und variabler Dauer an das analoge Abtast- und Haltesignal gesendet werden, um die Dosierung der am Ausgang entladenen Last zu steuern. Die MASH-Konverter (Multi-stAge Noise Shaping) von Matsushita arbeiten nach diesem Prinzip. Diese DACs erhielten ihren Namen aufgrund der Verwendung verschiedener sequentieller Rauschformer.
Wenn eine Überabtastung um einen Faktor von zehn (typischerweise – 64x..512x) verwendet wird, ist es möglich, die DAC-Kapazität ohne merklichen Verlust der Signalqualität zu reduzieren; DACs mit weniger Bits haben auch eine bessere Linearität. Am Limit kann die Anzahl der Downloads auf eins reduziert werden. Die Ausgangswellenform solcher DACs ist ein nützliches Signal, das von einer signifikanten Menge an Hochfrequenzrauschen umgeben ist, das jedoch durch ein gleichmäßiges Analogfilter mittlerer Qualität wirksam unterdrückt wird.

DACs sind “Straight-Through” -Geräte, bei denen die Konvertierung einfacher und schneller ist als bei ADCs, bei denen es sich meist um langsamere und serielle Geräte handelt.

Was ist Oversampling?

Was ist Oversampling?

Oversampling

Dabei wird das Signal mit einer höheren Rate als der Basisabtastrate abgetastet. Überabtastung kann analog sein, wenn das ursprüngliche Signal mit einer erhöhten Frequenz abgetastet wird, oder digital, wenn zusätzliche Abtastwerte, die durch Interpolation berechnet wurden, zwischen vorhandene digitale Abtastwerte eingefügt werden. Eine andere Möglichkeit, Zwischenabtastwerte zu erhalten, besteht darin, Nullen einzufügen, wonach die gesamte Sequenz digital gefiltert wird. Der ADC verwendet analoges Oversampling, der DAC digital.

oversampling

Oversampling wird verwendet, um ADC- und DAC-Designs zu vereinfachen. Entsprechend den Problembedingungen sollte am Eingang des ADC und am Ausgang des DAC ein Analogfilter mit einem linearen AFC im Betriebsbereich installiert werden, der stark herausfällt. Die Implementierung eines solchen analogen Filters ist recht komplex; Gleichzeitig werden, wenn die Abtastfrequenz erhöht wird, die Reflexionen des von ihr eingeführten Spektrums proportional zum Hauptsignal kompensiert, und das Analogfilter kann eine viel geringere Grenzsteigung aufweisen.

Ein weiterer Vorteil der Überabtastung besteht darin, dass die Amplitudenquantisierungsfehler (Quetschrauschen), die über das gesamte Spektrum des zu quantisierenden Signals verteilt sind, beim Abtasten über eine größere Bandbreite verteilt werden, so dass weniger Rauschen vorhanden ist. auf dem Haupt-Audiosignal. Jede Frequenzverdopplung reduziert den Quantisierungsrauschpegel um 3 dB; Da ein Bit 6 dB Rauschen entspricht, reduziert jedes Vierfache der Frequenz die Kapazität des Wandlers um eins.

Das Überabtasten ermöglicht zusammen mit dem Erhöhen der Abtastbittiefe, dem Interpolieren der Abtastwerte mit größerer Präzision und dem Ausgeben an einen DAC mit der geeigneten Bittiefe eine leichte Verbesserung der Rekonstruktionsqualität des Audiosignals. Aus diesem Grund verwenden selbst 16-Bit-Systeme häufig 18-Bit- und 20-Bit-Oversampling-DACs.

Überabtastung ADCs und DACs können auf Abtast- und Halteschaltungen verzichten, indem die Konvertierungszeit erheblich verkürzt wird.