VOORTPLANTINGSSNELHEDEN VAN HET GELUID
BIT STREAM CONVERSIE
Bij Bit Strcam conversie, dat met 256-voudige ovcrsampling werkt, is komt zero-cross niet voor. De chip (SAA-7320) die Philips hiervoor ontwikkelde, bevat een digitaal filter met 4-voudigc ovcrsampling. Vervolgens wordt 32- voudige oversampling gerealiseerd met lineaire interpolatie en tenslotte 2- voudige oversampling door ‘sample & hold’ techniek. Tevens wordt hier
‘dither’ (-20 dB, 352 kHz) ruis aan het signaal toegevoegd, om bij lagere signaalniveau’s kwantiseringsfouten te verkleinen. Hierdoor wordt het sig
naal groteren uitgebreid met 1 MSB. Het verkregen signaal bestaat nu uit woorden van 17 bit met een sampling frequentie van 11,2896 MHz (256 x
dige oversampling 16x8= 128 maal beter dan van een 16 bit speler zonder oversampling. Het voordeel is echter zuiver theoretisch omdat een hogere resolutie niet automatisch een hogere nauwkeurigheid inhoudt. Daarin spe
len onder meer ook 1 incariteit van de convcrters en instelling van het MSB (Most Significant Bit) een rol. Bij een 16 bit woord is de MSB 2 tot de macht 15 = 32.768 maal groter dan de LSB. Dus zelfs een uiterst geringe fout in het MSB zal de waarden van de laatste bits in het woord volkomen onbruikbaar maken. Essentieel is dus dal de MSB optimaal wordt gerepro
duceerd, hetgeen door hel technisch principe, de 16 stroombronnen van de ladder convertcr (binary weighed currcnt dividcr), moeilijk is te realiseren.
Sommige typen ladder convcrters hebben een inslelmogelijkhcid van de MSB en soms ook van de eerste vier SB’s (MSB, 2SB, 3SB en 4SB). Bo
vendien ontstaat bij een niet optimale MSB-instelling op de nuldoorgang
‘digitale vervorming’ (zero-cross). Om bovengenoemde problemen zoveel mogelijk te elimineren, past Philips in haar ladder convcrters ‘Dynamic Element Matching’ (DEM) toe
In een ladder convertcr moeten alle stroombronnen dezelfde verhouding hebben omdat het stroomdclers zijn: 1,1/2,1/4, 1/8, enz. Om te zorgen dat die stroom goed gedeeld wordi, bevatten convcrters met ‘DEM’ tussen de deel-elemenlcn een schuifregister. Deze schakelt enorm snel om (een paar honderdduizend maal per seconde) en slaat de helft van de tijd in de ene richling en de andere helft van de tijd in de andere richting. Als nu het ene stroompje uit een deel-elemcnt iels groter is dan dat uit het andere dcel-ele- ment ontstaan de waarden 1/21+ I en 1/2 I - I. De vergelijking wordt dan {1/21+ 1} en {1/21- I (halve tijd)} en {1/21 - I} en {1/21+ I(halve tijd)}.
Op deze manier worden dus beide dcel-elementen onderling ‘gematched’, vandaar de naam. Afrcgcling van de MSB of volgende SB’s, is door DEM overbodig omdat de converter zich zelf continu afregelt.
S=?'
12 c c
;e c
■C
44,1 kHz). Deze worden door code conversie (PWM of pulsbrecdte modu
latie) omgezet in woorden van 1 bit, waarbij een 2e orde ‘noise shaper’ de kwantsaticruis die optreedt bij deze extreme woordlengte-reductie elimi
neert. De verkregen 1 bit informatiestroom wordt daarna omgezet in een analoog signaal in een 1 bit D/A converler. Deze bestaat uit een relatief eenvoudig netwerk van geschakelde condensatoren. De lineariteit (nauw
keurigheid) van een 1 bil converter is aanzienlijk groter dan die van ladder convcrtcrs, omdat door het ontbreken van de omzettertrappen de toleranties van componenten nog nauwelijks een rol spelen en omdat er slechts twee + en - volle schaal referentiepunten zijn. Belangrijk is dat een 1 bit converter geen MSB omschakeling heeft rond het nulpunt, aangezien nul wordt voor
gesteld door een gelijk aantal positieve en negatieve impulsen. Bij een klein signaal verandert slechts de verhouding van positieve en negatieve impul
sen.
mmi'C c
■ • i■Karaation uno larvi Jvnt ratoutK'
tuut linrti uit
-• -• ■ M « * -• 7U ■ m.100
• 112» im2
UKlWt OlGlUl rmtaiaci
l MUI UI^
|r suryt mxo S.ICJUI
caiinui
*<■100 (!/•« im/l u 3
1
5.7 uSUCmS
CUUCItaiSIIU -
. , . -l’-L
pk L. ..J.
iHmS
n I Ir» J iw-, ITTlfcUIltlOfttlTlCM
MASH
f«/6 fa/Z frequent ie (log )
1 ï
Bij het standaard principe van MASH (MullislAgc noise SHaping) wordt uitgegaan van een 18 bit digitaal filter met viervoudige ovcrsampling. De 18 bit uitgangswoorden worden toegevoerd aan de MASH processor die deze informatie omzet in 11 ‘data waarden’ met 32-voudige ovcrsampling.
De 11 data waarden worden gevormd door ‘rekwantisering’ van het in
gangssignaal in 7 waarden (+/-3, +/-2, +/-1 en 0) in de eerste noise shaping trap (main loop) en 5 waarden (+/-2, +/-1 en 0) in de tweede noise shaping trap (subloop). Wanneer deze waarden worden samengevoegd, ontstaat het MASH uitgangssignaal van 11 data waarden (de beide 0 waarden overlap
pen elkaar). Dit uitgangssignaal heeft in het hoorbare audiogebied tot 20 kHz een resolutie van 16 bit of meer (theoretisch 18 bit) en biedt een zeer nauwkeurige reproductie van het signaal.
De 11 data waarden van het MASH circuit worden hierna omgezet in een analoog signaal door omzetting in pulsen, die elk qua breedte overeenko
men met een van die waarden (Pulsbrcedte Modulatie of PWM). Bij PWM conversie zijn er slechts twee stappen in de amplitude as: hoog en laag.
Fouten zijn hierdoor in principe uitgesloten. Maar ook fouten over de tijdas (pulsbrcedte) zijn vrijwel uitgesloten, omdat het noodzakclijke kloksignaal wordt opgewekt dooreen kwartsgestuurdc oscillator. Aangezien de conver- ter PWM signalen afgeeft aan de uitgang, is het omzetten naar analoge golf- vorm een kwestie van een analoog eindfiltcr.
Op basis van de standaard MN6474 MASH chip zijn door Matsushita enke
le nieuwe generaties chips ontwikkeld. De huidige ‘top’ van de MASH lijn wordt gevormd door de 3e generatie MN64730 en MN64731 chips. De eer
ste bevat het digital filter (FIR = Finite Impulse Response) en de MASH processor, terwijl de MN64731 twee PWM convcrtcrs bevat. Het digitale filter heeft drie trappen: 153e orde, 29e orde en 17e orde. Aan het filter kunnen ingangswoorden tussen 16 en
20 bit worden aangeboden, waarbij de uitgangsinformatie 24 bit is. Ach
ter het filter bevindt zich een le orde noise shapcr, waarin de 24 bit infor
matie wordt gecomprimeerd tot 18 bit. De PWM converter in de MN64731 zet de 64-voudig overge- samplede informatie van 11 verschil
lende signaalniveau’s om in een
analoog signaal. Audloberdk 20 kHl
rttjttt t
O'C'iMl
jzf
123 P.E.M. D.D. CONVERTER
Dc P.E.M. D.D. convcrtcr is een ontwikkeling van JVC. Deze 1 bit conver- ter bestaat uit een digitaal filter met 8-voudige ovcrsampling, een vierde orde (!) noise shaper en een ‘P.E.M. D.D.’ (Pulse Edge Modulation Diffe- rential-Linearity-Errorless D/A) D/A convcrtcr (kortweg: Pulshoek Modu
latie D/A convcrtcr). Deze uiterst stabiele noise shaper wordt ‘VANS’
(Victor Advanced Noise Shaping) genoemd. JVC is de eerste die pulshoek modulatie (PEM) loepast in een D/A convcrter. Dc PEM convertcr zet de digitale informatie om in een uiterst nauwkeurige ‘pulstrein’ met een kwarlsgestuurdc klokfrequentie van 16,9344 MHz (Bitsream 11,289 MHz en MASH 33,868 MHz), uitsluitend bestaande uit ‘nullen’ (0) en ‘enen’ (1) en vervolgens in een analoog signaal. Bij het D/A conversie proces is daar
door alleen de amplitude van belang. De PEM D/A convcrtcr bestaat uit twee PEM converters, waaraan hetzelfde ingangssignaal wordt toegevoerd.
Deze geven twee uitgangspulsen, A en C, gebaseerd op de digitale ingangs- informalie. Een analoge schakeling trekt de uitgangspulsen A af van de uit
gangspulsen C, waardoor een composiet analoog uitgangssignaal wordt verkregen. Als er een ingangssignaal is, wordt de status van de pulsuitgang, A of C, bepaald door de hoeken van dc puls: de voorrand en de achterrand.
Dit betekent dat de breedte van een puls alleen wordt bepaald als twee in
gangssignalen worden gecombineerd. Hierdoor heeft de PEM D/A conver- ter in vergelijking met PWM D/A converters een meer dan dubbele resolutie (15 stappen of 3,9 bit). Zelfs als de pulsbrcedte groter is dan een klokperiode, hetgeen kan voorkomen bij hoge signaalniveau’s, kan de PEM convertcr nog de status van de puls detecteren. Een PWM systeem kan dat niet.
ttljttt
o 0)
■o
>
o
'■ó
□
<
ttTjttt
1—
"I___** Digitaal in
]
-(Direct digital sync
24
P L M type pulse converter