Анализ методов синхронизации устройств с источником цифрового сигнала в системах цифровой обработки аудиоданных



В статье автор анализирует возможные схемы синхронизации источника цифрового сигнала и выносного блока цифро-аналогового преобразования. Рассмотрен вопрос синхронизации устройств с различающимися частотами дискретизации. Приведены достоинства и недостатки каждого из методов синхронизации. Приведены способы устранения недостатков. Автор уделяет особое внимание проблеме возникновения нежелательных отклонений передаваемого цифрового сигнала. Рассмотрены способы устранения этих отклонений. Исходя из анализа методов синхронизации, был сделан вывод о том, какая из схем синхронизации позволяет достичь минимальные искажения аналогового сигнала на выходе.

Ключевые слова: синхронизация, цифровая обработка, аудиоданные.

При передаче цифрового сигнала от источника сигнала к выносному блоку ЦАП требуется синхронизировать принимающее и передающее устройства таким образом, чтобы искажения сигнала были минимальны. Все способы передачи тактового сигнала можно разделить на три группы [1]:

1. Централизованная синхронизация системы;
2. Распределенная синхронизация системы;
3. Асинхронное построение системы.

Централизованная система предполагает наличие единого задающего тактового генератора, который подает синхросигнал на все части схемы.

Распределенная синхронизация подразумевает, что тактовая частота, необходимая для работы конкретной части схемы, тем или иным образом выделяется из внешнего сигнала. Схема выделения тактового сигнала состоит как правило из генератора (ГУН), охваченного петлей ФАПЧ. В случае, когда тактовый сигнал регенерируется с помощью ГУН, параметры вновь синтезированного тактового сигнала определяются несколькими факторами — параметрами самого ГУН, полосой ФАПЧ, качеством опорного сигнала.

В случае асинхронного построения, тактовые частоты источника и приемника не равны, т. е. требуется высококачественное тактирование блока ЦАП.

Каждый из рассмотренных ниже принципов синхронизации является комбинацией трех перечисленных выше принципов.

1. Использование тактового сигнала, восстановленного из SPDIF потока.

Источником тактирования является генератор, установленный в источнике цифрового сигнала. Величина джиттера, т. е. величина нежелательных фазовых случайных отклонений, передаваемого на выходе, будет зависеть от стабильности источника тактирования. В наилучшем случае это температурно-компенсированный кварцевый резонатор. В массовой продукции источник тактирования, как правило, выполнен на логическом элементе, являющемся частью СБИС [2].

Рис. 1. Схема тактирования с использованием сигнала тактирования, восстановленного из SPDIF потока

Таким образом тактовый сигнал проходит следующие устройства:

1. Генератор тактового сигнала;
2. Передатчик формата SPDIF, в котором происходит формирование композитного цифрового сигнала (Манчестерский код) для передачи данных по однопроводной линии;
3. Линия передачи: оптическая, коаксиальная или витая пара;
4. Приемник SPDIF. На этом этапе тактовая сетка восстанавливается из принимаемого сигнала. Для восстановления тактового сигнала используется внутренний ГУН, охваченный петлей ФАПЧ. Однако при такой организации системы для захвата и синхронизации с одной из трех стандартных частот (32 кГц, 44.1 кГц, 48 кГц) дискретизации требуется большая ширина полосы ФАПЧ. Спектр восстановленного сигнала в полосе ФАП (около 20 кГц) полностью определяется спектром входного композитного сигнала, являющегося опорным для внутреннего генератора. В более дальней зоне, спектр восстановленного сигнала определяется собственным спектром ГУН;
5. В некоторых микросхемах приемниковSPDIFиспользуется узкополосная, около 1 кГц, ФАПЧ. Это позволяет подавить более высокочастотные фазовые отклонения композитного цифрового сигнала;
6. Необходимо заметить, что обеспечение более узкой полосы ФАПЧ ограничивается не только и не столько требованиями перестройки ГУН, сколько собственной нестабильностью локального генератора;
7. Цифровой фильтр передискретизации.

К достоинствам данного способа можно отнести простоту реализации. Подавляющее большинство источников ориентировано на этот подход. Недостатками является то, что каждый элемент в цепочке от тактового генератора до входа ЦАП добавляет фазовых искажений.

В качестве улучшения данного способа можно предложить передачу данных от источника к приемнику по интерфейсу I2S, одной из линий которого является линия тактирования. Таким образом все блоки системы будут тактироваться от одного источника и причины фазовых искажений будут устранены. Однако на рынке отсутствуют массовые устройства, имеющие интерфейс I2S.

Другим решением проблемы может послужить использование высококачественного ГУН, синхронизированного с частотой источника. Т. е. встроенный в микросхему приемника ГУН должен быть заменен на внешний высококачественный. Петля ФАПЧ, охватывающая ГУН, отслеживает только медленные изменения тактовой частоты. Однако, недостатком данного метода является то, что любой ГУН имеет отклонения больше чем температурно-стабилизированный кварцевый резонатор. Кроме того, реализация потенциала ГУН может быть достигнута только при соответствующем качестве элементов петли ФАПЧ и топологии печатной платы. Данный вариант предполагает работу только с одним источником цифровой информации (например,CD, 44.1 кГц), поскольку высококачественный ГУН имеет, как правило, узкий диапазон перестройки по частоте.

2. Использование буферизации входных данных вОЗУ.

Вопрос с передачей данных между двумя асинхронными устройствами можно решить, применив буфер (ОЗУ), запись в который производится с частотой, определяемой источником, а считывание, обработка в ЦФ и работа ЦАП — с частотой локальноговысокостабильного источника тактирования, например, температурно-стабилизированного кварцевого резонатора. Объем буфера определяется максимальной разностью частот дискретизации, разрядностью одного отсчета, и временем работы без переполнения.

Рис. 2. Схема тактирования с использованием буферизации входных данных в ОЗУ

При формате данных 16 бит, максимальном отклонении частот 400 ррм, и временем непрерывной работы 80 мин, объем ОЗУ должен составлять приблизительно 700 килобайт. Иными словами, для реализации данного подхода необходимо наличие 700 килобайт ОЗУ и схемы управления процессом записи/считывания отсчетов. Несмотря на громоздкость, данный вариант также решает проблему возникновения джиттера.

3. Использование асинхронного преобразователя частоты.

Асинхронный преобразователь частоты дискретизации был разработан для применения в аппаратуре при передаче данных между двумя устройствами с различающимися частотами дискретизации (к примеру, при конвертации из формата 48 в 44.1 кГц). Внутреннее построение и алгоритм работы устройства достаточно сложны, но в первом приближении его можно рассматривать как сверхвысокочастотный интерполятор с последующей вторичной дискретизацией [3, 4].

Рис. 3. Схема тактирования с использованием асинхронного преобразователя частоты

Данные записываются в преобразователь частоты с частотой, определяемой источником сигнала, а считываются с частотой, определяемой локальным тактовым генератором. При этом необходимо иметь в виду, что устройство производит цифровую обработку данных (интерполяцию), и значения отсчетов на выходе могут не соответствовать значениям отсчетов на входе. Данное устройство позволяет в значительной мере решить вопрос с синхронизацией источника цифрового сигнала и выносного блока ЦАП. Как положительное свойство данного подхода, можно указать на возможность использования данного преобразователя для повышения частоты дискретизации в 2…4 раза (up-sampling) вместо традиционного цифрового фильтра. Кроме того, достоинство данного метода построения заключается в возможности иметь только один тактовый генератор (к примеру частотой 12,288 МГц) при приеме данных от разных цифровых источников информации (32, 44.1, 48, 96 … кГц), в силу асинхронности работы устройства.

4. Использование асинхронного преобразователя частоты стактированием источника от блока ЦАП

Если источник имеет возможность синхронизации от внешнего источника, то такая конфигурация также позволяет достичь низких величин джиттера на входе микросхемы ЦАП. Данные от источника к блоку ЦАП передаются по традиционному интерфейсуSPDIF, а сигнал синхронизации может подаваться либо по коаксиальной, либо по оптической линии связи.

Рис. 4. Схема тактирования с использованием асинхронного преобразователя частоты с тактированием источника от блока ЦАП

Недостаток данного варианта состоит в том, что для работы с различными цифровыми источниками (32, 44.1, 48 кГц) необходимо либо иметь несколько отдельных генераторов, либо строить перестраиваемый генератор. В последнем случае, величина фазовых искажений может быть неудовлетворительной. Поэтому для использования с различными цифровыми источниками в схеме должны присутствовать несколько кварцевых резонаторов, рассчитанных на разную частоту тактирования [5, 6].

Заключение.

Таким образом каждый из способов синхронизации имеет свои достоинства и недостатки. Простой в реализации вариант использования тактирования, восстановленного из SPDIF потока, может обеспечить достаточно низкое значение джиттера при использовании качественных компонентов. Для достижения лучших результатов требуется использовать другой подход: ввести буферизацию входного SPDIF потока или построить схему по принципу централизованного тактирования. Можно сделать вывод о том, что в качестве синхронизирующего сигнала необходимо использовать наиболее стабильный из имеющихся в устройстве тактовых сигналов. Если же источник имеет вход для тактового сигнала, то наиболее оправдано использование централизованной системы тактирования.

Литература:

1. Семенцов С. Г. Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи в системах активного управления акустическими полями // Вестник Московского государственного технического университета им. Н. Э. Баумана. Серия: Приборостроение. 2008. № 4. С. 88–102.
2. Семенцов С. Г., Власов А. И. Влияние конечной разрядности в системах цифровой обработки // Датчики и системы. 2009. № 6. С. 39–43.
3. Власов А. И., Стешенко В. Б., Нестеров В. А., Мысловский Э. В. Методы цифровой обработки сигналов тактильных чувствительных элементов мембранного типа // Наука и образование: научное издание. 2012. № 5. С. 37.
4. Shakhnov V. A., Vlasov A. I., Knyazev V. S. Hardwareandsoftwareintegratedsystemforprocessingsignalsformonitoringsignalsandanalyzingthestateofdifferentleveltechnicalsystems // Сб. док. 3-я международная конференция «Компьютерные методы и обратные задачи в неразрушающем контроле и диагностике». — Москва. 2002. С. 123.
5. Мысловский Э. В., Власов А. И., Кузнецов А. С. Цифровые сигнальные процессоры с фиксированной точкой семейства ADSP21XX — Москва, Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2003. Том 2. 75 с.
6. Мысловский Э. В., Власов А. И., Меньшов К. А. Цифровые сигнальные процессоры с плавающей точкой семейства ADSP2106X — Москва, Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2003. Том 3. 75 с.