quad versterker, quad luidspreker, revisie, ombouw, reparatie
Armand van Ommeren
Kerkstraat 56
4854 CG Bavel
The Netherlands
0161-432451
armand@quadrevisie.nl
KvK Breda 20064173



<< Terug
 

Digitale verkenningen
Geflipte flop ... of blits van de bits?

© 1976 Henri A. van Hessen


Opmerking van de Redactie: hier en daar zijn wat kleine correcties aangebracht en de videotechniek die om de hoek komt kijken is niet meer actueel. In de tijd dat dit werd geschreven werd digitaal geregistreerd met een processor (de bekendste is de Sony PCM-F1) en een videorecorder, bijna altijd een Sony Betamax, b.v. de SL-F1, omdat Betamax het beste systeem met het grootste frequentiebereik was. Voor de principiële werking is dit niet erg, in een cd-speler werkt het net zo.

Juli 2003


Zelden heeft een zich aftekenende ontwikkeling in de audiowereld zoveel opschudding veroorzaakt als de komende digitalisering van onze vertrouwde analoge muziekdragers, de magnetische band en de plaat. Nu zowel de eerste hard- als software (aan vakjargon ontbreekt het niet) aan hun eerste schuchtere opwachting toe zijn, kunnen we een voorlopige balans opmaken. Voor zover dat nu al mogelijk is, kunnen we daarbij tegelijk proberen de war- van de digi-taal te scheiden.

Revolutie
Bij vorige audiorevoluties was even rustig nadenken meestal al voldoende om in te zien dat de begeleidende opschudding niet meer was dan een storm in een glas water. Immers, voordat quadrafonie op de plaat haar zegetocht zou kunnen gaan beginnen, zou daar toch op zijn minst een overeenkomstige ontwikkeling in de bandrecorder aan vooraf moeten zijn gegaan. Want voor vierkanaalsweergave op de band is geen enkel technisch hoogstandje nodig. En de Elcasset ging er van uit dat de gewone cassette toch nooit de 15 kHz norm van de omroep zou halen, en kon dus weer ijlings worden afgevoerd.

Lokker
De vooruitzichten op digitale opslag en verwerking van onze audiosignalen staan heel wat steviger in hun schoenen, al was het alleen maar omdat de aangrenzende vakgebieden als de satelliet en de glasvezel, bol staan van digitalisering. En in plaats van een op het eerste gezicht formidabele barrière staat nu aan de horizon een onweerstaanbare lokker te werken, de videorecorder, de hoogst ontwikkelde vorm van technologie die ooit onze huiskamer is binnengeschreden. Het apparaat is niet alleen kant en klaar voor de opslag van digitale audiosignalen, het hoeft daarvoor geen eens van topklasse te zijn. Een zwart-wit recorder is al goed genoeg. Met zo’n ijzersterke rugdekking hebben we alleen nog maar een digitale processor nodig om ons audiosignaal om te zetten in een stroom nullen en enen, en presto: we zijn voor goed verlost van wow en flutter, band- en modulatieruis, overspraak, spetters en tikken, slijtage, faseverschuivingen en kopieerverliezen. De compact disc met vergelijkbare technologie belooft ons ruim een uur studiokwaliteit zonder krassen of angst voor vette vingers of omvallende sherry. Althans, zo luiden de eerste opgewonden berichten.

Goeroes
Vermoedelijk is het allemaal nog waar ook. Alleen, omdat we niet voldoende te horen krijgen over de nadelen die er toch ook moeten zijn, worden we alsmaar wantrouwiger. En dat opent de deur voor allerlei onheilgoeroes, die vaak blijken niet het minste besef blijken te hebben van het verschil tussen de komeet van Halley en het sterrenbeeld waaronder ze geboren zijn.

Laten we beginnen met af te spreken dat digitale overbrenging van berichten allesbehalve nieuw of revolutionair is. Integendeel. Voordat Edison ons de Phonograph schonk, als opvolger van de digitale speeldoos, was er zelfs eeuwenlang geen andere manier om muziek te transporteren dan via de partituur, een codering van de muziek dus, zelfs wanneer je keurvorst van Pruisen of zoiets was, en het hele orkest bij je thuis kon laten komen. Maar nieuw of oud, als we ons een oordeel willen vormen van de digitale omweg, dan zullen we gewoon zeer veel aan de weet moeten zien te komen. Het zal de lezer wellicht sterken te vernemen dat de auteur niet bepaald overloopt van digitaal begrip, zodat zijn worsteling met de materie zich niet in de nok van het circus zal afspelen, maar in het zaagsel van de piste, in het volle licht dat ook de andere clownnummers genadeloos omlijst.

Het bos en de bomen
Op het eerste gezicht lijkt de nieuwe techniek een beetje op een herleving van de morsecode, alleen wel een stuk vlugger. En dan werkt morse met kort en lang, maar digitaal alleen met aan en uit, wit en zwart, licht en donker, alles of niets, flip of flop, nul of een. Maar met de vaststelling dat een computer niet veel meer is dan een collectie knipperlichten komen we niet verder.

De essentie van digitale techniek is trouwens niet zozeer de bit, waar iedereen de mond van vol heeft, maar de besturing door klokken. Met die klokken kunnen we iets dat morse niet kon, we kunnen onze bits bot achter elkaar breien, en de klok maakt wel uit om hoeveel bits het eigenlijk gaat. Digitale transmissie lijkt zodoende meer op het verhuizen van een bos door de bomen bovenstrooms in het water te gooien en ze benedenstrooms weer op te vissen. We kunnen die bomen bundelen tot vlotten zodat ze beter hanteerbaar worden. En we kunnen de bomen van weerszijden aanvoeren, als we ze maar even met een lik verf merken zodat ze beneden weer naar links of rechts gesorteerd kunnen worden.

Bit, bitter, bits
Bij het woord bit moeten we trouwens al direct een bittere aantekening maken: ondanks de prille jeugd van de digitale techniek is het de technici voor de zoveelste keer weer niet gelukt verwarring te vermijden. Een bit is niet alleen een schakelaar, het is ook een schakelstand, en dan ook nog eens de elektrische stroom die van die schakelstand het gevolg is. Of je van een bos eerst papier maakt, daarvan weer een krant, en in die krant een houtskooltekening van een boom en dan tevreden opmerkt: zo, dat is tenminste een boom. Voor een kind van 3 een prachtredenering. Margriet tekende al in 1928 een pijp en zette er voor alle zekerheid bij: dit is geen pijp. Gelijk had hij. Onze digitale technici lijken meer in het bedenkelijke zog van McLuhan te varen, en zo is de bit dus zowel de boodschap als de boodschapper geworden. Maar, we moeten verder.

Het kwarts en de klokken
In de digitale processor treffen we honderden chips aan (dat zijn IC’s – geïntegreerde schakelingen) kleine rechthoekige blokjes met een heleboel pootjes die ieder honderden of duizenden transistors bevatten. Vrijwel al deze transistors fungeren als aan/uit schakelaar. Het leeuwendeel van deze chips is belast met de aanmaak en de zuivering van allerlei klokfrequenties. Al die frequenties worden afgeleid van één enkele moederklok of master-oscillator, een kwartskristal dat in een zeer constante frequentie van ettelijke MHz (megaherz) trilt. Alle andere frequenties worden door deling van de moederfrequentie verkregen, zodat ze in een vaste verhouding tot elkaar staan. Zoals er ook in een ‘gewoon’ uurwerk een vaste koppeling is tussen de verschillende tandwielen die voor de aandrijving van de wijzers zorgen. Er komt uiteindelijk toch heel wat voor kijken om een audiosignaal pasklaar te maken voor opslag in een videorecorder: de frequentiedelers zijn in dit geval ingericht voor het NTSC systeem, met een beeldfrequentie van 60 Hz en een lijnfrequentie van 15.750 Hz. Voor ons West-Europese PAL systeem wordt een lijnfrequentie van 15.625 Hz en een beeldfrequentie van 50 Hz gebruikt. Processoren die voor beide systemen zijn ingericht dienen dan zowel een bemonsteringsfrequentie van 44,1 kHz als 44,056 kHz te kunnen verwerken. Als dit verschil verwaarloosd wordt is dat echter geen ramp: op een speeltijd van één uur bedraagt het tijdverschil iets meer dan 3 seconden.

Als het u niet op slag duidelijk is wat al die televisietechniek met geluidsweergave te te maken heeft:

Even geduld aub

dat gaan we zo goed mogelijk uitleggen, voorzover het nodige inzicht onszelf gegeven is. We zullen u verder niet lastig vallen met dit uurwerk, maar u kunt hier en daar zelf teruggrijpen als u wilt weten hoe bepaalde digitale trucs in elkaar zitten.

Centrale meld- en regelkamer
Het hart van de processor is een LSI, (Large Scale Integrated Circuit), een superchip van enorme complexiteit, die in zijn eentje meer dan honderd alledaagse chips vervangt. Dit commandocentrum stuurt en regelt de hele gang van zaken in de processor. Het ontwerpen van zo’n gigant kost jaren en de ontwikkeling is dan ook alleen maar lonend als een omzet van ettelijke miljoenen stuks verzekerd is. De komst van de compact disc bijvoorbeeld heeft moeten wachten op zo’n ontwikkeling door Philips en Sony gezamenlijk. Nu deze chip er is, kunnen allerlei andere ontwikkelingen op hun beurt daar weer van profiteren.

Microprocessor

Een andere belangrijke rol is weggelegd voor de 16-bits microprocessor, die de eigenlijke omzetting van het audiosignaal verricht. De aanduiding 16-bits slaat in dit geval niet op het aantal bits dat verwerkt kan worden, maar op het bezit van 16 elektronische schakelaars, die elk aan of uit kunnen staan, zeg maar in de stand 0 of 1. Met 2 schakelaars kunnen we 4 combinaties maken: 00-01-10-11. Met 3 schakelaars komen we al aan 8: 000-001-010-011-100-101-110-111. Met 16 schakelaars halen we 2 tot de macht 16, dat zijn 65.536 combinaties. Die kunnen we gebruiken om 65.536 verschillende spanningsniveaus aan te duiden.

We hoeven dan niet meer het steeds veranderende niveau van onze audio-informatie zelf over te seinen, maar we kunnen volstaan met het overseinen van de steeds veranderende standen van de schakelaars. En de ontvanger, die ook zo’n stel schakelaars heeft, stelt dan telkens het niveau samen uit het ontvangen recept. Daar is niet alleen een klok voor nodig, aan elke kant, maar ook nog een signaal waarop de beide klokken in de pas met elkaar gehouden worden, een synchronisatiesignaal. Dat is meestal een zeer scherpe puls die in het jargon dan ook syncpuls heet.

Dank zij de syncpuls kunnen we nu rustig combinaties overseinen die uit louter nullen of enen bestaan, want onze klok meet de tijd uit die nodig is voor 14 of 16 bits, en de klok van de ontvanger hakt de binnenkomende gelijkstroom weer in 14 of 16 partjes. We spreken bijvoorbeeld af (die afspraken worden in de techniek standaards genoemd) dat we onze bits 1 V positief maken, dan kunnen we nog allerlei andere signalen meezenden, bijvoorbeeld een positieve puls van zeg 2 V, en kortere of langere pulsen, zonder de eigenlijke informatie in de war te sturen.

Van deze vrijheid maken we gebruik om het audiosignaal aan te vullen tot een imitatie videosignaal, want dat bevat syncpulsen die de videorecorder nodig heeft om zijn werk goed te kunnen doen.

Waarom zo moeilijk?
Edison legde muziek vast op een draaiende wasrol door zijn artiesten in een trechter te laten roepen of blazen, en bracht op deze eenvoudige manier een membraan in beweging waaraan een naald bevestigd was. De latere verfijningen en de tussenkomst van de elektronica hebben in deze gang van zaken geen wezenlijke verandering gebracht. Waarom dan nu ineens die onafzienbare omweg?

Zelfs uit de sterk vereenvoudigde beschrijving van het digitale proces komen een aantal niet te versmaden voordelen naar voren. We hebben bijvoorbeeld al afgerekend met de kwaliteit van de lijnverbinding en het optreden van storingen daarin. Laten we aannemen dat de kwaliteit van de lijnverbinding (daar valt ook de omweg via band en recorder onder) niet erg best is. Misschien geeft die lijn een signaal van 1 V door als een van 3/4 V en een signaal van 1/2 V als 1/4 V. En een signaal van 0,1 V zal misschien niet meer doorkomen omdat het verdrinkt in de ruis van de lijnverbinding of de band die we gebruiken. Dat is dan een erbarmelijk slechte verbinding, analoog gesproken. Maar digitaal is er niets aan de hand. Zolang de verbinding goed genoeg is om onderscheid te kunnen maken tussen de aanwezigheid van een signaal en de ruis van de lijn, kunnen we onze bits alle 16 overseinen. En de schakelaars aan de ontvangkant kunnen dan weer het spanningsniveau opbouwen dat oorspronkelijk aanwezig was.

Blitsende Bits
Hoe komen we nu aan zo’n digitaal signaal? Dat gebeurt in de processor. Aan de ene kant komt ons analoge muzieksignaal binnen, aan de andere kant verlaat een stroom bits het apparaat met een productie van 2.643.000 bits per seconde. Elke seconde worden er 44.100 monsters van elk der beide audio-kanalen genomen en elk monster wordt als een combinatie van 14 of 16 bits doorgegeven. Zo vlot werd nog nooit een bos verhuisd. Het bemonsteren gaat in stapjes, dus ongeveer zoals u euro 16,38 zou betalen: eerst een tientje, dan 5, dan een euro, een kwartje, een dubbeltje, en tenslotte 3 centen. Als u geen centen hebt, neemt u het kwartje terug en legt 4 dubbeltjes neer.

De processor werkt (tenminste in ons voorbeeld want het kan ook anders) in stapjes die steeds de helft van de voorgaande stap zijn. Allereerst kijkt de microprocessor, in opdracht van de ‘commandochip’, of het signaal zich onder of boven de nullijn bevindt, dus of het positief of negatief is. Dat kost 1 bit, en we hebben er nog 15 over om de eigenlijke grootte aan te geven. De processor kijkt of het signaal groter of kleiner is dan 1/2 V. Als het kleiner is, schrijft hij een 0 op (de tweede schakelaar gaat open), en kijkt vervolgens of het signaal groter of kleiner is dan 1/4 V. Als het groter is schrijft hij een 1 (de tweede schakelaar gaat dicht) en zo gaat hij verder tot de laatste stap, die nog maar 30 microvolt groot is; de waarde die je krijgt door 1 V 15 maal door 2 te delen.

Raster
Die laatste stap is dus onze cent, het oplossend vermogen van het raster waarin we ons signaal onderbrengen. In tegenstelling tot het grote belang van de laatste stap, kreeg deze de naam LSB, of Least Significant Bit. We zullen nog het nodige met deze linke broeder te stellen krijgen. Die microprocessor moet dus wel een beetje voortmaken zult u zeggen, om dat allemaal in 1/44.000ste seconde voor elkaar te krijgen. Het is nog veel erger dan u denkt, want voor stereo moeten beide kanalen beurtelings bemonsterd worden, zodat voor elke meting maar 1/88.000ste seconde ter beschikking staat. Een periode van 1/44.000ste seconde levert dus 2 x 16 bits op, en we hebben ook nog een aanduiding nodig om te vertellen uit welk kanaal de bits afkomstig zijn. We hebben trouwens nog meer aanduidingen nodig, maar laten we niet op ons verhaal vooruit lopen.

Elke schakelaaromzetting wordt doorgegeven aan een buffergeheugen. Dat is een RAM, voor Random Access Memory, wat de aanduiding is voor een kaartenbak waar je van alles in kunt stoppen en weer uithalen. Wel moet je elke kaart van een adres voorzien anders kun je later niets meer terugvinden. Stelt u zich zo’n RAM maar voor als een rek dat aan twee kanten open is. Aan de ene kant stopt Jan er als een razende kaarten in, aan de andere kant haalt Piet ze er in sneltreintempo weer uit. Een beetje zinloze bezigheid, denkt u misschien, maar de lol is dat Piet in een heel ander tempo kan werken en in een andere volgorde dan Jan.

Het buffergeheugen ‘leest’ de om en om binnenkomende bits in stereogroepen uit. Tevens worden de nodige hulpsignalen toegevoegd die voor verwerking door de videorecorder nodig zijn. Tenslotte verschijnen er met de TV-lijnfrequentie (15.625 Hz) keurige pakketjes van 3 monsters (samples) van elk 16 bits plus de toegevoegde coderingen, syncpulsen en zelfs nog een code die later foutcorrectie mogelijk maakt.

Noot: Bij registratie op CD of DAT vervalt die video lijnfrequentie, maar dat doet aan het principe van die pakketjes niets af; alleen zijn ze dan anders verdeeld.

Als analoog opgegroeid mens zult u allicht enige moeite hebben met de industriële verwerking van zoiets puurs als een vioolsolo. Kan dat allemaal zo maar, zonder de muziek butsen en deuken te bezorgen ? Alweer, het is al1emaal nog veel erger dan u denkt, want de videorecorder verspilt aan de boven- en onderzijde van elk beeld nog eens een behoorlijk aantal beeldlijnen om de nodige synchronisatie tot stand te brengen. We moeten er dus ook nog voor zorgen dat op die weggegooide lijnen geen audio informatie terecht komt, willen we onze audio-boodschap niet onherstelbaar verminken.

De Digitale Supermarkt
We stellen u dan ook maar wat nader voor aan de reeds ten tonele gevoerde digitale ordebewaker, het buffergeheugen, in de eenvoudigste vorm in de videorecorder ook bekend als de vertragingslijn. Zo’n geheugen verleent de digitale informatie een mate van elasticiteit, zodat we de bits kunnen uitrekken of samenpersen en allerlei trucs uithalen die analoog totaal niet denkbaar zijn. U bent a1 goed bekend met de vertragingslijn, uit de supermarkt. U komt met uw boodschappen bij de uitgang, waar uw bits ‘achter elkaar’ door de processor, de kassa, worden verwerkt. Tijdens die verwerking worden ze doorgeschoven naar een buffer, met twee afdelingen. Zodra u betaald hebt wordt de schuif omgezet en terwijl de volgende klant bemonsterd wordt kunt u op uw gemak, in uw eigen tempo uw bits uitlezen en in de volgorde die u het beste schikt. De supermarkt kan nog allerlei informatie toevoegen, die u thuis weer weggooit. De uitgang zou best twee klanten tegelijk kunnen verwerken, als maar bij elke boodschap de schuif wordt omgezet.

Vertragingstactiek
Een probleem is dat het PAL TV-systeem gebruik maakt van een vertragingslijn van 63 microseconde, de tijd waarin lijn van het TV-beeld geschreven wordt. Dit systeem corrigeert kleurfouten door de voorgaande lijn met de binnenkomende lijn te vergelijken en tevens om te polen, zowel aan zender- als aan ontvangerkant. Door de ompoling kan de fase van het kleursignaal worden gecontroleerd en zonodig gecorrigeerd. Hier ligt de essentiële vinding van professor Walter Bruch van Telefunken die als effect heeft dat de kleuren in Europa vele malen beter zijn dan met het NTSC systeem in Amerika en Japan. Het Franse Secam doet hetzelfde maar gebruikt hiervoor een extra hulpdraaggolf – die ompoling is het geniale van Bruch. Hoe geniaal deze vinding voor video ook mag zijn, voor onze digitale registratie is deze techniek niet bruikbaar en dient te worden uitgeschakeld. De digitale foutcorrectie is vele malen effectiever.

Dwangbuis met grendels
Het laatste videomechaniek waarmee we u zullen vermoeien is geen chip maar een vorm van tegenkoppeling, de ‘locked loop’, of vergrendeling. Een servomechanisme komt te hulp als iets dat niet mag afwijken, wil gaan afwijken. Uitgangspunt is de overweging dat zodra een afwijking meetbaar is, er een mechaniek te verzinnen valt dat die afwijking corrigeert.

De videorecorder staat evenals de processor onder controle van een kwartsklok, en de pulsen van het uurwerk worden bij het opnemen door een apart kopje op een randje van de band gezet, dit keer analoog. (De andere rand van de band kan eveneens analoog benut worden, b.v. voor commentaar o.i.d.

Bij weergave wordt niet de eigen klok van de recorder voor de digitale besturing gebruikt, maar de op de band opgetekende pulsen. Op die pulsen gaat de recorder nu de aftasting van de band synchroniseren tot de zaak correct draait, en dan pas wordt de signaalweg vrijgegeven. Daar moet u dus steeds een paar seconden op wachten.

De koppentrommel met de beide koppen (bij Betamax) fungeert in dit proces als vliegwiel, en tussen de syncpulsen kan nog maar een minimale afwijking voorkomen. Wat er eventueel nog aan ongelijkmatigheid overblijft, speelt echter geen rol meer, want de uitlezing van de weer te geven bits geschiedt weer onder toezicht van de kwartsreferentie van de processor, dezelfde klok die ook de opname bewaakte. Of de bits iets te vroeg of iets te laat kamen, maakt niet uit zolang er maar een bit is op het korte moment dat de processor ‘kijkt’ of er ja dan nee een bit is. Een speciale chip is dan weer belast met het fatsoeneren van de brokstukjes tot hun oorspronkelijke gedaante. Wow en flutter (jank) zijn daarom niet meer meetbaar bij digitale transmissie via band of schijf, want de jankmeter beschikt over een zelfde soort kwartsreferentie als de vergrendelingen waar de recorder en de processor mee werken.

<< Terug