Edukacja w EdW dla szkół i uczelni - wykład 39: Upsampling w audio

Jos Verstraten

Kursy

9 kwietnia 2026

Pojęciem, z którym często można się spotkać w specyfikacjach cyfrowych urządzeń audio, jest upsampling. Upsampling opisuje interesującą, ale jednocześnie złożoną technikę, której celem jest poprawa jakości dźwięku cyfrowego.

Poprzednia część

Spis treści

Następna część

Rozwiń cały spis treści Zwiń spis treści

Powrót do podstaw: odtwarzacz audio CD

44 100 · 2 · 16 bit – zamiana na sygnały analogowe

Na pierwszy rzut oka zadanie analogowej części elektroniki w odtwarzaczu płyt audio CD wydaje się skrajnie proste, zwłaszcza w porównaniu ze skomplikowanymi funkcjami elektroniki cyfrowej. Należy jedynie zamienić szerokie na 16 bitów kody cyfrowe, pojawiające się z częstotliwością 44 100·2 próbek na sekundę, na odpowiadające im sygnały napięciowe w postaci analogowej. Trudno wyobrazić sobie coś prostszego. Wystarczy zastosować dwa 16-bitowe przetworniki C/A, a następnie wygładzić schodkowy przebieg ich sygnałów wyjściowych za pomocą filtrów dolnoprzepustowych – i gotowe. W praktyce jednak sprawa wcale nie jest taka prosta! To właśnie w tej analogowej części toru sygnałowego kryją się zasadnicze różnice pomiędzy odtwarzaczem CD typu A firmy B a odtwarzaczem typu X firmy Y. Specjaliści twierdzą wręcz, że potrafią rozpoznać markę i model odtwarzacza wyłącznie na podstawie barwy dźwięku, jaki on generuje.

Niedoskonałości analogowe mają znaczenie

Podczas przetwarzania kodów cyfrowych na napięcia analogowe projektanci muszą zmierzyć się ze wszystkimi niedoskonałościami wpisanymi w elektronikę analogową, takimi jak zniekształcenia sygnału, różnice czasów propagacji, przeregulowania oraz przesunięcia fazowe. Są to wielkości, których idealna wartość – równa zeru – w praktyce może być jedynie przybliżana. Są to jednak także parametry, których wartości można coraz lepiej zbliżać do ideału poprzez drobne, stopniowe udoskonalenia istniejących układów.

Nie brakuje systemów

Doprowadziło to do powstania dziesiątek różnych systemów stosowanych do przetwarzania cyfrowych kodów audio na napięcia analogowe. Producenci odtwarzaczy CD wciąż opracowują nowe rozwiązania i układy, które mają generować jeszcze mniejsze zniekształcenia i zapewniać jeszcze bardziej transparentne brzmienie niż wszystko, co było dotychczas dostępne na rynku.

Poniżej przedstawiono krótki, choć niepełny przegląd stosowanych systemów przetworników C/A (DAC):

14-bitowy przełączany system próbkowania rzeczywistego (switched real sampling),
14-bitowy system próbkowania rzeczywistego (real sampling),
16-bitowy przełączany system próbkowania rzeczywistego,
16-bitowy system próbkowania rzeczywistego,
16-bitowy kaskadowy system próbkowania rzeczywistego,
14-bitowy system podwójnego upsamplingu (dual upsampling),
16-bitowy system podwójnego upsamplingu,
14-bitowy system poczwórnego upsamplingu (quadruple upsampling),
16-bitowy system poczwórnego upsamplingu,
adaptacyjny upsampling o zmiennoprzecinkowej reprezentacji dziesiętnej,
konwersja z modulacją szerokości impulsu (PWM),
1-bitowa konwersja z wykorzystaniem przełączanych kondensatorów.

Jak widać, pojęcie upsampling pojawia się tu bardzo często. Nie ma jednak sensu omawiać go szczegółowo bez wcześniejszego, dogłębnego przedstawienia fundamentalnych ograniczeń tradycyjnej konwersji cyfrowo-analogowej w technice audio.

Tradycyjny przetwornik C/A

Na poniższym rysunku przedstawiono zasadę działania tradycyjnego, 3-bitowego przetwornika cyfrowo-analogowego. Układ składa się z trzech źródeł prądowych, generujących bardzo stabilne prądy o precyzyjnie ustalonych wzajemnych proporcjach 1:2:4. Prądy te, za pośrednictwem elektronicznych przełączników od MSB do LSB, doprowadzane są do wejścia przetwornika prąd–napięcie. Układ ten jest zrealizowany w klasyczny sposób – z wykorzystaniem wzmacniacza operacyjnego z rezystorem sprzężenia zwrotnego RF. Przełączniki są sterowane przez trzy bity cyfrowego kodu wejściowego. Gdy dany bit ma stan „H”, odpowiadający mu przełącznik jest zamknięty. Przy kodzie „L-L-L” (od MSB do LSB) wszystkie przełączniki pozostają otwarte i do wejścia wzmacniacza operacyjnego nie dopływa żaden prąd. Napięcie wyjściowe wynosi wówczas zero. Jeżeli kod zostanie zwiększony do „L-L-H”, zamyka się przełącznik LSB i do wejścia wzmacniacza operacyjnego zaczyna płynąć prąd I. Prąd ten zostaje przetworzony na napięcie ΔU. Po dalszym zwiększeniu kodu do „L-H-L” zamyka się drugi przełącznik, a pierwszy ponownie się otwiera. Do wzmacniacza operacyjnego dopływa wówczas prąd 2·I, co powoduje powstanie na wyjściu napięcia 2·ΔU. Można zatem stwierdzić, że przy stopniowym zwiększaniu kodu na wejściu cyfrowym od „L-L-L” do „H-H-H” na wyjściu przetwornika C/A pojawia się napięcie o przebiegu schodkowym, przy czym każdy kolejny stopień ma wartość o ΔU większą od poprzedniego.