Anatomia di un DAC (anzi di molti DAC)

[gfm]

riguardo al jitter, ci sono studi (seri) che ridimensionano parecchio il problema, ad es

della BBC: https://www.bbc.com/rd/publications/rdreport_1974_11 

[domenico80]

1 ora fa, ago ha scritto:

Siamo pure al ...tu non sai chi è lui..(tra l'altro @captainsensible è persona corretta ed educata e non avrebbe assolutamente bisogno di avvocati)

mo te spiego l'escursus , letto che proprio non ci .............

certe risposte random , dovrebebro , talvolta , considerare che il proprio interlocutore possa essere uno che ne sa o come te o più di te , o , nel mio caso , assai meno , quindi , generalizzare certe risposte piccate non la vedo una gran uscita 

[Zap67]

1 ora fa, ago ha scritto:

L'appello al rispetto delle persone da parte del più grande ripetitore seriale di prese in giro cumulative con sparate a piombo fine alla " 'ndo cojo cojo" porta   al più classico dei classici " bue che dice cornuto all'asino"

 

 

applausi

[Andrea Mori]

Riprendo l'analisi tecnologica dai filtri utilizzati nei DAC. Nei commenti precedenti ho accennato ai filtri analogici di ricostruzione o anti-immagine posti all'uscita del DAC, adesso descriverò i filtri digitali, che di fatto lavorano in simbiosi con quelli analogici.

L'unica differenza fondamentale è che i filtri analogici operano per mezzo delle caratteristiche reattive dei componenti (induttori e condensatori), mentre i filtri digitali non sono altro che operazioni matematiche implementate nel dominio digitale. Lo scopo però è lo stesso.

Come si vede dalla prima immagine allegata, l’effetto del filtro digitale è quello di smussare gli spigoli della forma d’onda discreta di ingresso, producendone una più dettagliata, che meglio approssima il segnale originario che è stato campionato. In a) è rappresentato il segnale numerico all'ingresso del filtro, mentre in b) è rappresentato il segnale all'uscita del filtro.

I filtri digitali si dividono in due grandi categorie, i filtri FIR (Finite Impulse Response) ed i filtri IIR (Infinite Impulse Response).

Accennerò soltanto ai filtri FIR, normalmente utilizzati nei DAC, poiché:

- hanno un'uscita sempre finita e stabile

- hanno una risposta in fase lineare

- non richiedono particolare precisione nella scelta dei coefficienti del filtro

I filtri FIR sono circuiti ad anello aperto, ovvero non hanno alcuna retroazione tra ingresso e uscita.

Come si vede nella seconda immagine, il segnale digitale all'ingresso del filtro viene inviato ad una serie di linee di ritardo (T, 2T, 3T, NT), che rappresentano i Taps del filtro. I segnali risultanti vengono pesati con dei coefficienti (C0, C1, C2, CN) e sommati determinando l'uscita del filtro. Di fatto il filtro opera la media mobile di un certo numero di valori in ingresso.

In pratica con i filtri FIR la risposta viene fissata a zero in un periodo di tempo finito (da qui deriva il nome di questi filtri). In altre parole, il filtro dell’ennesimo ordine genera n+1 campioni prima di essere fissato a 0.

Il risultato finale è che il segnale originario viene ricostruito interpolando nuovi campioni che lo rendono più dettagliato.

Oltre a questo, dato che per implementare questi filtri digitali è strettamente necessario lavorare a frequenze più alte rispetto alla frequenza di campionamento in ingresso (altrimenti non si potrebbero inserire nuovi campioni), si ottiene anche il cosiddetto sovra-campionamento che sposta le immagini di conversione sempre più lontane dalla banda campionata (si allontanano in base ad una legge lineare rispetto al raddoppio della frequenza). Con evidenti benefici sul sistema DAC, dato che, allontanando le immagini dalla banda passante, si potranno utilizzare filtri analogici all'uscita con pendenze più basse e rotazioni di fase ridotte. 

 

[Ligo]

14 minuti fa, gfm ha scritto:

riguardo al jitter, ci sono studi (seri) che ridimensionano parecchio il problema, ad es

della BBC: https://www.bbc.com/rd/publications/rdreport_1974_11 

Anche prove sul campo serie ne hanno ridimensionato l'impatto in ambito audio.

Ma la posizione di @Andrea Mori è per me condivisibile, è un hobbista, non ha vincoli di budget e quindi il suo scopo è ottenere il meglio a prescindere.

La domanda potrebbe essere se i prodotti commerciali, che sono sviluppati con un budget che poi concorre a creare il costo all'utente, necessitano di altrettante soluzioni ingegneristiche o se queste sono solo una vetrina. Ma qui saremmo OT.

[gfm]

@captainsensible

16 minuti fa, Andrea Mori ha scritto:

"Il risultato finale è che il segnale originario viene ricostruito interpolando nuovi campioni che lo rendono più dettagliato"

 

A mio parere questo non e' esatto: l' upsampling non puo' aumentare la quantita' di informazione trasmessa.

I filtri digitali utilizzati nei DAC sono dei filtri passa-basso.

ad. es. nel  "sovracampionamento" x4 :

- tra un campione originale il successivo si inseriscono 3 campioni nulli

- si filtra il tutto con il filtro digitale: il filtro digitale crea i 3 nuovi campioni (non presenti nel segnale originale), richiesti dal nuovo sampling rate.

 

 

 

 

@captainsensible

16 minuti fa, Andrea Mori ha scritto:

"Il risultato finale è che il segnale originario viene ricostruito interpolando nuovi campioni che lo rendono più dettagliato"

 

A mio parere questo non e' esatto: l' upsampling non puo' aumentare la quantita' di informazione trasmessa.

I filtri digitali utilizzati nei DAC sono dei filtri passa-basso.

ad. es. nel  "sovracampionamento" x4 :

- tra un campione originale il successivo si inseriscono 3 campioni nulli

- si filtra il tutto con il filtro digitale: il filtro digitale crea i 3 nuovi campioni (non presenti nel segnale originale), richiesti dal nuovo sampling rate.

 

 

 

 

[Andrea Mori]

Tanto per dare un'idea visiva del risultato ottenibile applicando diverse tipologie di filtri, allego l'immagine relativa alla misurazione del segnale all'uscita del DAC Holo May in funzione dei vari filtri applicati.

La curva in magenta rappresenta l'uscita nel caso di funzionamento NOS del DAC (senza sovra campionamento), ossia senza alcuna applicazione di filtri digitali. In questo caso il filtraggio viene eseguito solo nel domini analogico dopo la conversione, e come si vede l'attenuazione fuori banda è assai limitata.

La curva blu rappresenta l'uscita nel caso di funzionamento con sovra-campionamento e uscita in PCM. In questo caso vengono applicati anche i filtri digitali e quindi la pendenza di attenuazione fuori banda è molto ripida, tuttavia senza rotazioni di fase dato che il filtri FIR non ne producono.

Infine, l'ultima curva rappresenta il segnale in uscita al DAC in caso di conversione in DSD, sovra-campionamento e modulazione sigma-delta. Dato il sovra-campionamento per mezzo dei filtri digitali, anche in questo caso la pendenza di attenuazione è molto ripida, anche se sale un po' sopra i 50 kHz.

Come ho già detto, le combinazioni sono pressoché infinite e quindi non è possibile descriverle tutte.

Come regola di base si può considerare che elevate pendenze (ordini elevati) di filtri digitali non producono rotazioni di fase, mentre elevate pendenze dei filtri analogici all'uscita producono rotazioni di fase sempre più elevate man mano che si aumenta l'ordine del filtro.

Personalmente, parere puramente soggettivo, preferisco l'utilizzo dei filtri digitali (sovra-campionamento) piuttosto che filtri analogici all'uscita di ordine elevato. 

[paolosances]

54 minuti fa, moos ha scritto:

mi chiedo dove sia la moderazione @Admin e quale obiettivo si sia posta per questo forum:

È una domanda da porre in Parla con lo  Staff,non in un thread che tratta un argomento tecnico ben determinato.

[captainsensible]

@gfm ???

[gfm]

1 minuto fa, captainsensible ha scritto:

@gfm ???

mi scuso, errore nella risposta

[Andrea Mori]

@gfm "A mio parere questo non e' esatto: l' upsampling non puo' aumentare la quantita' di informazione trasmessa.

I filtri digitali utilizzati nei DAC sono dei filtri passa-basso.

ad. es. nel  "sovracampionamento" x4 :

- tra un campione originale il successivo si inseriscono 3 campioni nulli

- si filtra il tutto con il filtro digitale: il filtro digitale crea i 3 nuovi campioni (non presenti nel segnale originale), richiesti dal nuovo sampling rate."

 

 

Evidentemente non mi sono espresso bene, cercando di esporre in modo più sintetico concetti complessi.

I filtri digitali sono filtri passa-basso esattamente come quelli analogici utilizzati all'uscita.

Inizialmente vengono inseriti i campioni a zero richiesti dalla nuova frequenza di campionamento.

L'applicazione del filtro passa-basso FIR a media mobile produce i campioni necessari per integrare il segnale originario dei campioni mancanti richiesti dalla nuova frequenza di campionamento.  

Con i risultati visibili nell'immagine che ho postato a proposito del DAC Holo May.

 

[paolosances]

@Zap67 evitiamo le polemiche!

[Andrea Mori]

Per chiarire ulteriormente, i coefficienti applicabili ai filtri possono essere positivi o negativi.
Se il segno è positivo il filtro lavora in modalità passa‐basso, ossia nella modalità solitamente usata nei DAC, anche se talvolta si trovano filtri "DC free", che quindi lavorano come passa-banda.

Praticamente, è una linea di ritardo che processa il segnale in ingresso, ritardandolo appunto per un numero finito di campioni (da qui il nome Finite Impulse Response) pari al numero degli stadi implementati, ovvero alla lunghezza della linea di ritardo.

Raggiunta la fine della linea di ritardo, il processo è terminato per un dato campione, e l’uscita del filtro è data dalla somma di tutte le linee di ritardo che lo compongono.

[Zap67]

@paolosances hai ragione, non voleva essere una polemica ma un apprezzamento a chi ha fatto notare che prima di chiedere rispetto bisogna dare rispetto

[Andrea Mori]

Per concludere l'analisi dei filtri digitali ed analogici utilizzati nei DAC allego un diagramma a blocchi che la riassume.

Il diagramma descrive l'implementazione di un DAC PCM R2R che implementa il sovra-campionamento digitale ed il filtro analogico all'uscita, praticamente l'architettura utilizzata nella parte PCM nel DAC Holo May.

Come si vede il segnale PCM in ingresso viene processato da un filtro passa-basso FIR (Digital filter) che provvede al sovra-campionamento.

L'uscita sovra-campionata del filtro digitale viene applicata alla rete resistiva (Ladder) che provvede a convertire il segnale digitale in analogico.

Infine, il segnale di uscita viene applicato ad un filtro passa-basso analogico (Analog filter) che provvede a ricostruire il segnale e ad attenuare le immagini che si creano nella conversione.

Come già detto, un sovra-campionamento digitale elevato permette di utilizzare filtri analogici all'uscita con frequenza di taglio più elevata (ft) e minore pendenza di attenuazione fuori banda (ordine più basso), con evidenti benefici sulle indesiderate rotazioni di fase.  

[pro61]

@Andrea Mori leggo con attenzione, ma da profano, capisco poco. Una cosa non mi è chiara;6 se il sovracampinatore agisce a livello digitale, e le immagini vengono create dalla conversione DA, i filtri digitali FIR, cosa filtrano a monte di questa?

Scusa per la mia ignoranza.

[Andrea Mori]

Aggiungo un parere personale, puramente soggettivo, sull'utilizzo dei filtri.

I migliori risultati con materiale redbook 16 bit / 44.1 kHz li ho ottenuti sovra-campionando in software con HQPlayer a 176.4 kHz e 352.8 kHz e con filtro di uscita analogico molto blando, passa basso del primo ordine con pendenza di attenuazione fuori banda pari a 6dB/ottava.

[Andrea Mori]

3 minuti fa, pro61 ha scritto:

@Andrea Mori leggo con attenzione, ma da profano, capisco poco. Una cosa non mi è chiara;6 se il sovracampinatore agisce a livello digitale, e le immagini vengono create dalla conversione DA, i filtri digitali FIR, cosa filtrano a monte di questa?

Scusa per la mia ignoranza.

Il filtro digitale, grazie al sovra-campionamento, allontana le immagini che si creano nella conversione dalla banda passante audio. 

Per fare un esempio, se si usa materiale 16bit/44.1kHz, le prime immagini vengono create a metà della frequenza di campionamento, ossia a partire da 22,05kHz.

Se lo stesso materiale viene sovra-campionato 4X con i filtri digitali (quindi 176,4kHz), le immagini nella conversione verranno create a partire dalla metà della nuova frequenza di campionamento, ossia a partire da 88,4kHz, assai più lontane dalla banda audio di 20kHz.

Ricordo che il filtri digitali FIR sono filtri a fase lineare, ossia non introducono alcuna rotazione di fase.

E questo permette di utilizzare filtri analogici all'uscita con frequenza di taglio più elevata (più lontana dalla banda audio) e con minor pendenza nella banda di attenuazione, proprio perché le immagini da attenuare iniziano ad una frequenza assai più lontana dalla banda audio.