Аналоговият сигнал е сигнал от данни, в който всеки от представящите параметри се описва с функция на времето и непрекъснат набор от възможни стойности.

Има две сигнални пространства - пространството L (непрекъснати сигнали) и пространството l (L е малко) - пространството на последователностите. Пространството l (L е малко) е пространството на коефициентите на Фурие (изброим набор от числа, дефиниращи непрекъсната функция на краен интервал от областта на дефиниране), пространството L е пространството на непрекъснатите (аналогови) сигнали в областта на дефиниция. При определени условия пространството L е еднозначно преобразувано в пространството l (например първите две дискретизационни теореми на Котельников).

Следователно аналоговите сигнали се описват чрез непрекъснати функции на времето аналогов сигналпонякога наричан непрекъснат звуков сигнал. Аналоговите сигнали се противопоставят на дискретните (квантувани, цифрови). Примери за непрекъснати пространства и съответните физически величини:

директно: електрическо напрежение

обиколка: позицията на ротора, колелото, зъбните колела, аналоговите стрелки на часовника или фазата на носещия сигнал

сегмент: положение на буталото, лост за управление, течен термометър или електрически сигнал, ограничен по амплитуда различни многоизмерни пространства: цвят, квадратурно модулиран сигнал.

Свойствата на аналоговите сигнали са до голяма степен противоположни на тези на квантувани или цифрови сигнали.

Липсата на ясно разграничаващи се едно от друго дискретни нива на сигнала води до невъзможност да се приложи концепцията за информация към нейното описание във формата, както се разбира в цифровите технологии. "Количеството информация", съдържащо се в една проба, ще бъде ограничено само от динамичния обхват на измервателния уред.

Без съкращения. От непрекъснатостта на стойностното пространство следва, че всяка интерференция, въведена в сигнала, е неразличима от самия сигнал и следователно първоначалната амплитуда не може да бъде възстановена. Всъщност филтрирането е възможно, например, чрез честотни методи, ако е известна допълнителна информация за свойствата на този сигнал (по-специално честотната лента).

Приложение:

Аналоговите сигнали често се използват за представяне на непрекъснато променящи се физически величини. Например аналогов електрически сигнал, взет от термодвойка, носи информация за температурните промени, сигнал от микрофон - за бързи промени в налягането в звукова вълна и т.н.

2.2 Цифров сигнал

Цифровият сигнал е сигнал от данни, в който всеки от представящите параметри се описва с функция за дискретно време и краен набор от възможни стойности.

Сигналите са дискретни електрически или светлинни импулси. При този метод целият капацитет на комуникационния канал се използва за предаване на един сигнал. Цифровият сигнал използва цялата честотна лента на кабела. Широчината на лентата е разликата между максималната и минималната честота, която може да се предава по кабела. Всяко устройство в такива мрежи изпраща данни в двете посоки, а някои могат едновременно да приемат и предават. Системите с основна лента предават данни като цифров сигнал с една честота.

Дискретният цифров сигнал е по-труден за предаване на дълги разстояния от аналоговия сигнал, поради което е предварително модулиран от страната на предавателя и демодулиран от страната на приемника на информация. Използването на алгоритми за проверка и възстановяване на цифрова информация в цифровите системи може значително да повиши надеждността на предаването на информация.

Коментирайте. Трябва да се има предвид, че истинският цифров сигнал е аналогов по своята физическа природа. Поради шума и промените в параметрите на предавателните линии, той има колебания в амплитудата, фазата/честотата (трептене), поляризацията. Но този аналогов сигнал (импулсен и дискретен) е надарен със свойствата на число. В резултат на това става възможно използването на числени методи за неговата обработка (компютърна обработка).

Обикновеният човек не мисли за естеството на сигналите, но понякога е необходимо да се мисли за разликата между аналогово и цифрово излъчване или формати. По подразбиране аналоговите технологии се считат за нещо от миналото и скоро ще бъдат напълно заменени от цифрови. Струва си да знаем от какво се отказваме в името на новите тенденции.

Аналогов сигнал- сигнал за данни, описан от непрекъснати функции на времето, тоест неговата амплитуда на трептене може да приеме всякакви стойности в рамките на максимума.

Цифров сигнал- сигнал за данни, описан от дискретни функции на времето, тоест амплитудата на трептенията приема стойности само строго определени.

На практика това ни позволява да кажем, че аналоговият сигнал е придружен от голямо количество шум, докато цифровият сигнал успешно ги филтрира. Последният е в състояние да възстанови оригиналните данни. Освен това непрекъснатият аналогов сигнал често носи много ненужна информация, което води до неговата излишност - вместо един аналогов могат да се предават няколко цифрови сигнала.

Ако говорим за телевизия и именно тази сфера тревожи повечето потребители с прехода си към „цифров“, тогава аналоговият сигнал може да се счита за напълно остарял. Досега обаче аналоговите сигнали се приемат от всяко оборудване, предназначено за това, а цифровото изисква специално. Вярно е, че с разпространението на "числа" аналогови телевизоривсе по-малко и търсенето на тях драстично намалява.

Друга важна характеристика на сигнала е безопасността. В това отношение аналогът демонстрира пълна беззащитност срещу влияния или прониквания отвън. Цифровият се криптира, като му се присвоява код от радиоимпулси, така че да се изключат всякакви смущения. Трудно е да се предават цифрови сигнали на дълги разстояния, следователно се използва схема за модулация-демодулация.

Сайт за заключения

1. Аналоговият сигнал е непрекъснат, цифровият е дискретен.
2. При предаване на аналогов сигнал рискът от запушване на канала със шум е по-висок.
3. Аналоговият сигнал е излишен.
4. Цифровият сигнал филтрира шума и възстановява оригиналните данни.
5. Цифровият сигнал се предава криптиран.
6. Вместо един аналогов сигнал могат да се изпращат няколко цифрови сигнала.

Средният потребител не трябва да знае какво е естеството на сигналите. Но понякога е необходимо да се знае разликата между аналоговия и цифровия формат, за да се подходи към избора на тази или онази опция с отворени очи, защото днес се говори, че времето на аналоговите технологии е отминало, те се заменят с цифрови . Трябва да разберете разликата, за да знаете какво напускаме и какво да очакваме.

Аналогов сигнале непрекъснат сигнал с безкраен брой данни, близки по стойност в рамките на максимума, всички параметри на който се описват от зависима от времето променлива.

Сигнал цифров- това е отделен сигнал, описан с отделна функция на времето, съответно във всеки момент от време, величината на амплитудата на сигнала има строго определена стойност.

Практиката показва, че при аналоговите сигнали са възможни смущения, които могат да бъдат премахнати с цифров сигнал. В допълнение, digital може да възстанови оригиналните данни. При непрекъснат аналогов сигнал преминава много информация, често ненужна. Вместо един аналогов могат да се предават няколко цифрови.

Днес потребителят се интересува от въпроса за телевизията, тъй като именно в този контекст фразата „преход към цифров сигнал". В този случай аналоговият може да се счита за реликва от миналото, но именно той е приет от съществуващата технология, а за цифровото приемане е необходима специална. Разбира се, във връзка с появата и разширяването от използването на "числа", те губят предишната си популярност.

Предимства и недостатъци на видовете сигнали

Безопасността играе важна роля при оценката на параметрите на конкретен сигнал. Различни влияния, прониквания правят аналоговия сигнал беззащитен. При цифровото това е изключено, тъй като е кодирано от радиоимпулси. За дълги разстояния предаването на цифрови сигнали е сложно, необходимо е да се използват модулационно-демодулационни схеми.

Обобщавайки, можем да кажем това разлики между аналогов и цифров сигналсе състои от:

• В непрекъснатостта на аналоговото и дискретността на цифровото;
• По-вероятно е да пречи на аналоговото предаване;
• Резервирането на аналоговия сигнал;
• Във възможността за цифрово филтриране на шума и възстановяване на оригиналната информация;
• При предаване на цифров сигнал в кодирана форма. Един аналогов сигнал се заменя с няколко цифрови.

Много често чуваме определения като „цифров” или „дискретен” сигнал, как се различава от „аналогов”?

Разликата е, че аналоговият сигнал е непрекъснат във времето (синя линия), докато цифровият сигнал се състои от ограничен набор от координати (червени точки). Ако всичко се сведе до координати, тогава всеки сегмент от аналогов сигнал се състои от безкраен брой координати.

За цифров сигнал координатите по хоризонталната ос са разположени на равни интервали, в съответствие с честотата на дискретизация. В общия формат Audio-CD това е 44 100 точки в секунда. Вертикално точността на височината на координатите съответства на цифровия капацитет на цифровия сигнал, за 8 бита е 256 нива, за 16 бита = 65536 и за 24 бита = 16777216 нива. Колкото по-висока е битовата дълбочина (брой нива), толкова по-близо е вертикалните координати до оригиналната вълна.

Аналоговите източници са винил и аудио ленти. Цифрови източници са: CD-Audio, DVD-Audio, SA-CD (DSD) и файлове във формати WAVE и DSD (включително производни на APE, Flac, Mp3, Ogg и др.).

Предимства и недостатъци на аналоговия сигнал

Предимството на аналоговия сигнал е, че именно в аналогова форма ние възприемаме звука с ушите си. И въпреки че нашата слухова система преобразува възприемания звуков поток в цифрова форма и го прехвърля в тази форма в мозъка, науката и технологиите все още не са достигнали възможността за свързване на плейъри и други източници на звук директно в тази форма. Такива изследвания сега се провеждат активно за хора с увреждания и ние се наслаждаваме на изключително аналогов звук.

Недостатъкът на аналоговия сигнал е способността да съхранява, предава и възпроизвежда сигнала. Когато записвате на лента или винил, качеството на сигнала ще зависи от свойствата на лентата или винила. С течение на времето лентата ще се размагнетизира и качеството на записания сигнал ще се влоши. Всяко четене постепенно разрушава носителя, а презаписването внася допълнително изкривяване, при което се добавят допълнителни отклонения от следващия носител (лента или винил), устройства за четене, запис и предаване на сигнал.

Да направите копие на аналогов сигнал е като да направите друга снимка, за да копирате снимка.

Предимства и недостатъци на цифровия сигнал

Предимствата на цифровия сигнал включват точността при копиране и предаване на аудио поток, при който оригиналът не се различава от копието.

Като основен недостатък може да се счита, че цифровият сигнал е междинен етап и точността на крайния аналогов сигнал ще зависи от това колко подробно и точно ще бъдат описани координатите на звуковата вълна. Съвсем логично е, че колкото повече точки има и колкото по-точни са координатите, толкова по-точна ще бъде вълната. Но все още няма консенсус относно това колко координати и точността на данните са достатъчни, за да се каже, че цифровото представяне на сигнала е достатъчно, за да се реконструира точно аналоговият сигнал, неразличим от оригинала от нашите уши.

По отношение на обема на данни, капацитетът на конвенционалната аналогова аудиокасета е само около 700-1,1 MB, докато обикновен CD съдържа 700 MB. Това дава индикация за необходимостта от носители с голям капацитет. И това води до отделна война на компромиси с различни изисквания за броя на описващите точки и точността на координатите.

Днес се счита за напълно достатъчно да се представи звукова вълна с честота на дискретизация от 44,1 kHz и битова дълбочина от 16 бита. С честота на дискретизация от 44,1 kHz можете да възстановите до 22 kHz. Както показват психоакустичните проучвания, по-нататъшното увеличаване на честотата на семплиране е малко забележимо, но увеличаването на битовата дълбочина дава субективно подобрение.

Как DAC изграждат вълната

DAC е цифрово-аналогов преобразувател, елемент, който преобразува цифров звук в аналогов. Ще разгледаме набързо основните принципи. Ако коментарите проявят интерес за разглеждане на редица точки по-подробно, тогава ще бъде пуснат отделен материал.

Многобитови ЦАП

Много често вълната се представя под формата на стъпки, което се дължи на архитектурата на първото поколение многобитови R-2R DAC, които работят по подобен начин на превключвател от реле.

Входът на ЦАП получава стойността на следващата координата по вертикала и във всеки свой цикъл превключва текущото (напрежение) ниво на съответното ниво до следващата промяна.

Въпреки че се смята, че човешкото ухо чува не повече от 20 kHz и според теорията на Найкуист е възможно да се възстанови сигнал до 22 kHz, остава въпросът за качеството на този сигнал след възстановяване. Във високочестотната област формата на получената вълна „стъпка“ обикновено е далеч от оригиналната. Най-лесният изход от ситуацията е да увеличите честотата на дискретизация при запис, но това води до значително и нежелано увеличение на размера на файла.

Алтернативен вариант е изкуствено да се увеличи честотата на дискретизация по време на възпроизвеждане в DAC чрез добавяне на междинни стойности. Тези. ние представяме пътя на непрекъсната вълна (сив пунктирана линия), плавно свързване на оригиналните координати (червени точки) и добавяне на междинни точки на тази линия (тъмно лилаво).

При увеличаване на честотата на дискретизация обикновено е необходимо да се увеличи битовата дълбочина, така че координатите да са по-близо до апроксимираната вълна.

Благодарение на междинните координати е възможно да се намалят "стъпките" и да се изгради вълната по-близо до оригинала.

Когато видите функция за усилване от 44,1 до 192 kHz в плейър или външен DAC, това е функция за добавяне на междинни координати, а не за възстановяване или създаване на звук в района над 20 kHz.

Първоначално това бяха отделни SRC микросхеми преди DAC, които след това мигрираха директно към самите DAC микросхеми. Днес можете да намерите решения, при които такава микросхема се добавя към съвременните DAC, това се прави, за да се осигури алтернатива на вградените алгоритми в DAC и понякога да се получи дори повече най-добър звук(както например се прави в Hidizs AP100).

Основният отказ в индустрията от многобитови ЦАП възникна поради невъзможността за по-нататъшно технологично развитие на качествени показатели с настоящи производствени технологии и по-висока цена в сравнение с "импулсни" ЦАП със сравними характеристики. Независимо от това, в продуктите на Hi-End често се дава предпочитание на стари многобитови ЦАП, а не на нови решения с технически по-добри характеристики.

Импулсен DAC

В края на 70-те години алтернативна версия на ЦАП, базирана на "импулсна" архитектура - "делта-сигма", стана широко разпространена. Технологията Pulse DAC направи възможна появата на свръхбързи превключватели и позволи използването на висока носеща честота.

Амплитудата на сигнала е средната стойност на амплитудите на импулса (импулсите с еднаква амплитуда са показани в зелено, а крайната звукова вълна е показана в бяло).

Например, последователност от осем тактови цикъла от пет импулса ще даде средна амплитуда (1 + 1 + 1 + 0 + 0 + 1 + 1 + 0) / 8 = 0,625. Колкото по-висока е носещата честота, толкова повече импулси ще бъдат изгладени и толкова по-точна ще бъде амплитудата. Това направи възможно представянето на аудио потока в еднобитова форма с широк динамичен диапазон.

Усредняването може да се извърши както обикновено аналогов филтъри ако такъв набор от импулси се приложи директно към високоговорителя, тогава на изхода ще получим звук и ултра високи честотиняма да се възпроизвежда поради голямата инертност на излъчвателя. ШИМ усилвателите от клас D работят на този принцип, където енергийната плътност на импулсите се създава не от техния брой, а от продължителността на всеки импулс (което е по-лесно за изпълнение, но не може да се опише с обикновен двоичен код).

Многобитов ЦАП може да се разглежда като принтер, способен да прилага цвят с мастила Pantone. Delta-Sigma е мастиленоструен принтер с ограничен набор от цветове, но поради възможността за нанасяне на много малки точки (в сравнение с принтер за рога), поради различната плътност на точките на единица повърхност, дава повече нюанси.

В изображението обикновено не виждаме отделни точки поради ниската разделителна способност на окото, а само средния тон. По същия начин ухото не чува импулсите поотделно.

В крайна сметка, с настоящите технологии в импулсните ЦАП, можете да получите вълна, близка до тази, която теоретично трябва да се получи при апроксимиране на междинни координати.

Трябва да се отбележи, че след появата на делта-сигма DAC, спешността да се начертае "цифрова вълна" със стъпки изчезна, т.к. така че съвременните DAC не изграждат вълна от стъпки. Правилно конструирайте дискретен сигнал с точки, свързани с гладка линия.

Идеални ли са превключващите DAC?

Но на практика не всичко е безоблачно и има редица проблеми и ограничения.

Защото огромният брой записи се съхраняват в многобитов сигнал, след което преобразуването в импулсен сигнал според принципа „бит за бит“ изисква ненужно висока носеща честота, която съвременните DAC не поддържат.

Основната функция на съвременните импулсни ЦАП е да преобразуват многобитов сигнал в еднобитов с относително ниска носеща честота с децимация на данни. По принцип тези алгоритми определят окончателното качество на звука на импулсните DAC.

За да се намали проблемът с висока носеща честота, аудио потокът се разделя на няколко еднобитови потока, където всеки поток е отговорен за своя собствена група разряди, което е еквивалентно на многократно увеличаване на носещата честота на броя на потоците . Тези ЦАП се наричат ​​многобитови делта-сигма ЦАП.

Импулсните ЦАП днес получиха втори вятър във високоскоростните микросхеми. с общо предназначениев продуктите на компаниите NAD и Chord поради възможността за гъвкаво програмиране на алгоритми за трансформация.

DSD формат

След широкото използване на делта-сигма ЦАП, появата на формата на запис беше съвсем логична. двоичен коддиректно делта-сигма кодирани. Този формат се нарича DSD (Direct Stream Digital).

Форматът не беше широко използван по няколко причини. Редактирането на файлове в този формат се оказа ненужно ограничено: не можете да смесвате потоци, да регулирате силата на звука и да прилагате изравняване. Това означава, че без загуба на качество, можете да архивирате само аналогови записи и да правите двумикрофонен запис на изпълнения на живо без допълнителна обработка. С една дума, наистина не можете да правите пари.

В борбата срещу пиратството SA-CD дисковете не се поддържат (и не се поддържат досега) от компютри, което им пречи да правят копия. Без копия - без широка аудитория. Беше възможно да се възпроизвежда DSD аудио съдържание само от отделен SA-CD плейър от марков диск. Ако за формата PCM има стандарт SPDIF за цифрово предаване на данни от източник към отделен DAC, тогава няма стандарт за DSD формата и първите пиратски копия на SA-CD дискове са дигитализирани от аналоговите изходи на SA -CD плейъри (въпреки че ситуацията изглежда глупава, но в действителност някои записи бяха пуснати само на SA-CD, или същият запис на Audio-CD беше специално направен лошо за популяризиране на SA-CD).

Повратната точка настъпи с пускането на игровите конзоли SONY, където SA-CD автоматично беше копиран на HDDпрефикси. От това се възползваха феновете на формата DSD. Появата на пиратски записи стимулира пазара да пусне отделни DAC за възпроизвеждане на DSD потоци. Повечето външни ЦАП с поддръжка на DSD днес поддържат USB трансфер на данни, използвайки DoP формат като отделно цифрово кодиране на сигнал през SPDIF.

Носещите честоти за DSD са сравнително малки, 2,8 и 5,6 MHz, но този аудио поток не изисква никакви преобразувания на децимация и е доста конкурентен с формати с висока разделителна способност като DVD-Audio.

Няма категоричен отговор на въпроса кое е по-добро, DSP или PCM. Всичко опира до качеството на изпълнение на конкретен DAC и таланта на звукорежисьора при запис на крайния файл.

Общо заключение

Аналоговият звук е това, което чуваме и възприемаме като света около нас с очите си. Цифровият звук е набор от координати, които описват звукова вълна и която не можем директно да чуем, без да я преобразуваме в аналогов сигнал.

Аналогов сигнал, записан директно върху аудиокасета или винил, не може да бъде презаписан без загуба на качество, докато вълна в цифров вид може да бъде копирана малко по малко.

Цифровите формати на запис са постоянен компромис между размера на точността на координатите спрямо размера на файла и всеки цифров сигнал е само приближение към оригиналния аналогов сигнал. В същото време обаче различните нива на технологии за запис и възпроизвеждане на цифров сигнал и съхраняване на носител за аналогов сигнал дават повече предимства на цифровото представяне на сигнала, подобно на цифров фотоапарат спрямо филмова камера.

Лекция 4. Методи за мрежова комуникация.

Мрежови комуникационни методи

Сигнали

Както бе споменато по-рано, има много начини за физическо създаване и предаване на сигнал, електрическите импулси могат да преминават през медна жица, светлинни импулси през стъклени или пластмасови влакна, радиосигналите се предават по въздуха, а лазерните импулси се предават в инфрачервена или видима светлина. Преобразуването на единици и нули, представляващи данни в компютъра, в импулси на енергия се нарича кодиране (модулация).

Подобно на класификацията на компютърните мрежи, сигналите могат да бъдат класифицирани въз основа на техните различни характеристики. Сигналите са както следва:

аналогови и цифрови,

модулиран и модулиран,

синхронни и асинхронни,

симплекс, полудуплекс, дуплекс и мултиплекс

Аналогови и цифрови сигнали

В зависимост от формата на електрическото напрежение (което може да се види на екрана на осцилоскопа), сигналите се разделят на аналогови и цифрови. Най-вероятно вече сте запознати с тези термини, тъй като те доста често се срещат в документацията на различни електронни устройства , като магнетофони, телевизори, телефони и др. и т.н.

В известен смисъл аналоговото оборудване представлява изходящата ера на електронните технологии, а цифровото оборудване е най-новото, което идва да го замени. Имайте предвид обаче, че един тип сигнал не може да бъде по-добър от друг. Всеки от тях има своите предимства и недостатъци, както и свои собствени области на приложение. Въпреки че цифровите сигнали се използват все по-широко, те никога няма да заменят аналоговите.

Параметри на аналоговия сигнал

Аналоговите сигнали се променят плавно и непрекъснато във времето, така че могат да бъдат графично представени като плавна крива (фиг. 4.1).

В природата по-голямата част от процесите са фундаментално аналогови. Например звукът е промяна във въздушното налягане, която може да се преобразува в електрическо напрежение с помощта на микрофон. Прилагайки това напрежение към входа на осцилоскопа, можете да видите графика, подобна на тази, показана на фиг. 4.1, т.е. можете да проследите как въздушното налягане се променя с течение на времето.

За по-добра представа за аналоговата информация, помислете за традиционен автомобилен скоростомер. С увеличаване на скоростта на превозното средство стрелката се движи плавно по скала от едно число към друго. Друг пример е настройката на станция в радиоприемника: когато завъртите копчето, приеманата честота се променя плавно.

Повечето аналогови сигнали са циклични или периодични, като радиовълните, които са високочестотни трептения на електромагнитно поле. Такива циклични аналогови сигнали обикновено се характеризират с три параметъра.

Амплитуда. Максималната или минималната стойност на сигнала, т.е. височина на вълната.

Честота. Броят на цикличните промени на сигнала в секунда. Честотата се измерва в херци (Hz); 1 Hz е един цикъл в секунда.

Фаза. Позицията на вълна спрямо друга вълна или спрямо определен момент от време, служеща като референтна точка. Фазата обикновено се измерва в градуси и се смята, че пълният цикъл е 360 градуса.

Параметри на цифров сигнал

Друго име на цифровите сигнали е дискретни.Доста често се среща терминът дискретни състояния.Цифровите сигнали преминават от едно дискретно състояние в друго почти мигновено, без да спират в междинни състояния (фиг.4.2).

Пример за цифров сигнал би било показанието на най-новия цифров скоростомер в автомобил (сравнете с примера за аналогов скоростомер в предишния раздел). Когато скоростта на превозното средство се увеличава, числата, показващи скоростта в километри в час, се превключват в скокове и стойността на сигнала е принципно дискретна: например няма междинни стойности между дискретните състояния "125 km / h" и "126 км/ч". Друг пример за цифрова информация е най-съвременното радио, в което потребителят въвежда точно число, равно на честотата на радиостанцията, за да се настрои на конкретна станция.

Цифровата схема е най-важната дисциплина, която се изучава във всички висши и средни учебни заведения, които обучават специалисти по електроника. Истинският радиолюбител също трябва да е добре запознат с този въпрос. Но повечето от книгите и учебни помагаланаписано на език, който е много труден за разбиране и ще бъде трудно за начинаещ инженер по електроника (вероятно ученик) да овладее нова информация... Серия от нови учебни материали от Master Kit е предназначена да запълни тази празнина: в нашите статии сложните концепции са описани с най-простите думи.

8.1. Аналогови и цифрови сигнали

Първо трябва да разберете как аналоговата схема обикновено се различава от цифровата. И основната разлика е в сигналите, с които работят тези схеми.
Всички сигнали могат да бъдат разделени на два основни типа: аналогови и цифрови.

Аналогови сигнали

Аналоговите сигнали са ни най-познати. Можем да кажем, че целият природен свят около нас е аналогов. Нашето зрение и слух, както и всички други сетивни органи, възприемат постъпващата информация в аналогова форма, тоест непрекъснато във времето. Предаване на звукова информация – човешка реч, звуци на музикални инструменти, рев на животни, звуци на природата и др. - също се извършва в аналогова форма.
За да разберем този въпрос още по-добре, нека нарисуваме аналогов сигнал (фиг. 1.):

Фиг. 1. Аналогов сигнал

Виждаме, че аналоговият сигнал е непрекъснат във времето и по амплитуда. За всеки момент от времето можете да определите точната стойност на амплитудата на аналоговия сигнал.

Цифрови сигнали

Нека анализираме амплитудата на сигнала не постоянно, а дискретно, на фиксирани интервали. Например веднъж в секунда или по-често: десет пъти в секунда. Колко често правим това се нарича честота на дискретизация: веднъж в секунда - 1 Hz, хиляда пъти в секунда - 1000 Hz или 1 kHz.

За по-голяма яснота, нека начертаем графиките на аналоговите (отгоре) и цифровите (отдолу) сигнали (фиг. 2.):

Фиг. 2. Аналогов сигнал (отгоре) и цифрово копие (отдолу)

Виждаме, че във всеки моментен период от време е възможно да се установи моментната цифрова стойност на амплитудата на сигнала. Какво се случва със сигнала (според какъв закон се променя, каква е неговата амплитуда) между интервалите на "проверка", ние не знаем, тази информация се губи за нас. Колкото по-рядко проверяваме нивото на сигнала (колкото по-ниска е честотата на дискретизация), толкова по-малко информация имаме за сигнала. Разбира се, вярно е и обратното: колкото по-висока е честотата на дискретизация, толкова по-добро качествопредставяне на сигнала. В лимита, увеличавайки честотата на дискретизация до безкрайност, получаваме практически същия аналогов сигнал.
Това означава ли, че все пак аналоговият сигнал е по-добър от цифровия? На теория може би да. Но на практика съвременните аналогово-цифрови преобразуватели (ADC) работят с толкова висока честота на дискретизация (до няколко милиона проби в секунда), така че описват аналогов сигнал в цифрова форма толкова качествено, че човешките сетива (очи, уши ) вече не може да усети разликата между оригиналния сигнал и неговия цифров модел. Цифровият сигнал има много значително предимство: по-лесно е да го предавате по проводници или радиовълни, смущенията не влияят значително на такъв сигнал. Следователно, всички модерни мобилна връзка, телевизионно и радиоразпръскване - цифрово.

Долната графика на фиг. 2 може лесно да се представи в друга форма - като дълга последователност от двойка числа: време/амплитуда. А числата са точно това, от което се нуждаят цифровите схеми. Истина, цифрови схемипредпочитат да работят с числата по специален начин, но ще говорим за това в следващия урок.

Сега можем да направим важни изводи:

Цифровият сигнал е дискретен, може да се определи само за определени моменти от времето;
- колкото по-висока е честотата на дискретизация, толкова по-добра е точността на представянето на цифровия сигнал.

Аналоговият сигнал е сигнал от данни, в който всеки от представящите параметри се описва с функция на времето и непрекъснат набор от възможни стойности.

Има две сигнални пространства - пространството L (непрекъснати сигнали) и пространството l (L е малко) - пространството на последователностите. Пространството l (L е малко) е пространството на коефициентите на Фурие (изброим набор от числа, дефиниращи непрекъсната функция на краен интервал от областта на дефиниране), пространството L е пространството на непрекъснатите (аналогови) сигнали в областта на дефиниция. При определени условия пространството L е еднозначно преобразувано в пространството l (например първите две дискретизационни теореми на Котельников).

Аналоговите сигнали се описват като непрекъснати функции на времето, така че аналоговият сигнал понякога се нарича непрекъснат сигнал. Аналоговите сигнали се противопоставят на дискретните (квантувани, цифрови). Примери за непрекъснати пространства и съответните физически величини:

директно: електрическо напрежение

обиколка: позицията на ротора, колелото, зъбните колела, аналоговите стрелки на часовника или фазата на носещия сигнал

сегмент: положение на буталото, лост за управление, течен термометър или електрически сигнал, ограничен по амплитуда различни многоизмерни пространства: цвят, квадратурно модулиран сигнал.

Свойствата на аналоговите сигнали са до голяма степен противоположни на тези на квантувани или цифрови сигнали.

Липсата на ясно разграничаващи се едно от друго дискретни нива на сигнала води до невъзможност да се приложи концепцията за информация към нейното описание във формата, както се разбира в цифровите технологии. "Количеството информация", съдържащо се в една проба, ще бъде ограничено само от динамичния обхват на измервателния уред.

Без съкращения. От непрекъснатостта на стойностното пространство следва, че всяка интерференция, въведена в сигнала, е неразличима от самия сигнал и следователно първоначалната амплитуда не може да бъде възстановена. Всъщност филтрирането е възможно, например, чрез честотни методи, ако е известна допълнителна информация за свойствата на този сигнал (по-специално честотната лента).

Приложение:

Аналоговите сигнали често се използват за представяне на непрекъснато променящи се физически величини. Например аналогов електрически сигнал, взет от термодвойка, носи информация за температурните промени, сигнал от микрофон - за бързи промени в налягането в звукова вълна и т.н.

2.2 Цифров сигнал

Цифровият сигнал е сигнал от данни, в който всеки от представящите параметри се описва с функция за дискретно време и краен набор от възможни стойности.

Сигналите са дискретни електрически или светлинни импулси. При този метод целият капацитет на комуникационния канал се използва за предаване на един сигнал. Цифровият сигнал използва цялата честотна лента на кабела. Широчината на лентата е разликата между максималната и минималната честота, която може да се предава по кабела. Всяко устройство в такива мрежи изпраща данни в двете посоки, а някои могат едновременно да приемат и предават. Системите с основна лента предават данни като цифров сигнал с една честота.

Дискретният цифров сигнал е по-труден за предаване на дълги разстояния от аналоговия сигнал, поради което е предварително модулиран от страната на предавателя и демодулиран от страната на приемника на информация. Използването на алгоритми за проверка и възстановяване на цифрова информация в цифровите системи може значително да повиши надеждността на предаването на информация.

Коментирайте. Трябва да се има предвид, че истинският цифров сигнал е аналогов по своята физическа природа. Поради шума и промените в параметрите на предавателните линии, той има колебания в амплитудата, фазата/честотата (трептене), поляризацията. Но този аналогов сигнал (импулсен и дискретен) е надарен със свойствата на число. В резултат на това става възможно използването на числени методи за неговата обработка (компютърна обработка).

Много често чуваме определения като „цифров” или „дискретен” сигнал, как се различава от „аналогов”?

Разликата е, че аналоговият сигнал е непрекъснат във времето (синя линия), докато цифровият сигнал се състои от ограничен набор от координати (червени точки). Ако всичко се сведе до координати, тогава всеки сегмент от аналогов сигнал се състои от безкраен брой координати.

За цифров сигнал координатите по хоризонталната ос са разположени на равни интервали, в съответствие с честотата на дискретизация. В общия формат Audio-CD това е 44 100 точки в секунда. Вертикално точността на височината на координатите съответства на цифровия капацитет на цифровия сигнал, за 8 бита е 256 нива, за 16 бита = 65536 и за 24 бита = 16777216 нива. Колкото по-висока е битовата дълбочина (брой нива), толкова по-близо е вертикалните координати до оригиналната вълна.

Аналоговите източници са винил и аудио ленти. Цифрови източници са: CD-Audio, DVD-Audio, SA-CD (DSD) и файлове във формати WAVE и DSD (включително производни на APE, Flac, Mp3, Ogg и др.).

Предимства и недостатъци на аналоговия сигнал

Предимството на аналоговия сигнал е, че именно в аналогова форма ние възприемаме звука с ушите си. И въпреки че нашата слухова система преобразува възприемания звуков поток в цифрова форма и го прехвърля в тази форма в мозъка, науката и технологиите все още не са достигнали възможността за свързване на плейъри и други източници на звук директно в тази форма. Такива изследвания сега се провеждат активно за хора с увреждания и ние се наслаждаваме на изключително аналогов звук.

Недостатъкът на аналоговия сигнал е способността да съхранява, предава и възпроизвежда сигнала. Когато записвате на лента или винил, качеството на сигнала ще зависи от свойствата на лентата или винила. С течение на времето лентата ще се размагнетизира и качеството на записания сигнал ще се влоши. Всяко четене постепенно разрушава носителя, а презаписването внася допълнително изкривяване, при което се добавят допълнителни отклонения от следващия носител (лента или винил), устройства за четене, запис и предаване на сигнал.

Да направите копие на аналогов сигнал е като да направите друга снимка, за да копирате снимка.

Предимства и недостатъци на цифровия сигнал

Предимствата на цифровия сигнал включват точността при копиране и предаване на аудио поток, при който оригиналът не се различава от копието.

Като основен недостатък може да се счита, че цифровият сигнал е междинен етап и точността на крайния аналогов сигнал ще зависи от това колко подробно и точно ще бъдат описани координатите на звуковата вълна. Съвсем логично е, че колкото повече точки има и колкото по-точни са координатите, толкова по-точна ще бъде вълната. Но все още няма консенсус относно това колко координати и точността на данните са достатъчни, за да се каже, че цифровото представяне на сигнала е достатъчно, за да се реконструира точно аналоговият сигнал, неразличим от оригинала от нашите уши.

По отношение на обема на данни, капацитетът на конвенционалната аналогова аудиокасета е само около 700-1,1 MB, докато обикновен CD съдържа 700 MB. Това дава индикация за необходимостта от носители с голям капацитет. И това води до отделна война на компромиси с различни изисквания за броя на описващите точки и точността на координатите.

Днес се счита за напълно достатъчно да се представи звукова вълна с честота на дискретизация от 44,1 kHz и битова дълбочина от 16 бита. С честота на дискретизация от 44,1 kHz можете да възстановите до 22 kHz. Както показват психоакустичните проучвания, по-нататъшното увеличаване на честотата на семплиране е малко забележимо, но увеличаването на битовата дълбочина дава субективно подобрение.

Как DAC изграждат вълната

DAC е цифрово-аналогов преобразувател, елемент, който преобразува цифров звук в аналогов. Ще разгледаме набързо основните принципи. Ако коментарите проявят интерес за разглеждане на редица точки по-подробно, тогава ще бъде пуснат отделен материал.

Многобитови ЦАП

Много често вълната се представя под формата на стъпки, което се дължи на архитектурата на първото поколение многобитови R-2R DAC, които работят по подобен начин на превключвател от реле.

Входът на ЦАП получава стойността на следващата координата по вертикала и във всеки свой цикъл превключва текущото (напрежение) ниво на съответното ниво до следващата промяна.

Въпреки че се смята, че човешкото ухо чува не повече от 20 kHz и според теорията на Найкуист е възможно да се възстанови сигнал до 22 kHz, остава въпросът за качеството на този сигнал след възстановяване. Във високочестотната област формата на получената вълна „стъпка“ обикновено е далеч от оригиналната. Най-лесният изход от ситуацията е да увеличите честотата на дискретизация при запис, но това води до значително и нежелано увеличение на размера на файла.

Алтернативен вариант е изкуствено да се увеличи честотата на дискретизация по време на възпроизвеждане в DAC чрез добавяне на междинни стойности. Тези. представяме пътя на непрекъсната вълна (сива пунктирана линия), свързваща плавно първоначалните координати (червени точки) и добавяме междинни точки на тази линия (тъмно лилаво).

При увеличаване на честотата на дискретизация обикновено е необходимо да се увеличи битовата дълбочина, така че координатите да са по-близо до апроксимираната вълна.

Благодарение на междинните координати е възможно да се намалят "стъпките" и да се изгради вълната по-близо до оригинала.

Когато видите функция за усилване от 44,1 до 192 kHz в плейър или външен DAC, това е функция за добавяне на междинни координати, а не за възстановяване или създаване на звук в района над 20 kHz.

Първоначално това бяха отделни SRC микросхеми преди DAC, които след това мигрираха директно към самите DAC микросхеми. Днес можете да намерите решения, при които такава микросхема се добавя към съвременните DAC, това се прави, за да се осигури алтернатива на вградените алгоритми в DAC и понякога да се получи още по-добър звук (както например се прави в Hidizs AP100).

Основният отказ в индустрията от многобитови ЦАП възникна поради невъзможността за по-нататъшно технологично развитие на качествени показатели с настоящи производствени технологии и по-висока цена в сравнение с "импулсни" ЦАП със сравними характеристики. Независимо от това, в продуктите на Hi-End често се дава предпочитание на стари многобитови ЦАП, а не на нови решения с технически по-добри характеристики.

Импулсен DAC

В края на 70-те години алтернативна версия на ЦАП, базирана на "импулсна" архитектура - "делта-сигма", стана широко разпространена. Технологията Pulse DAC направи възможна появата на свръхбързи превключватели и позволи използването на висока носеща честота.

Амплитудата на сигнала е средната стойност на амплитудите на импулса (импулсите с еднаква амплитуда са показани в зелено, а крайната звукова вълна е показана в бяло).

Например, последователност от осем тактови цикъла от пет импулса ще даде средна амплитуда (1 + 1 + 1 + 0 + 0 + 1 + 1 + 0) / 8 = 0,625. Колкото по-висока е носещата честота, толкова повече импулси ще бъдат изгладени и толкова по-точна ще бъде амплитудата. Това направи възможно представянето на аудио потока в еднобитова форма с широк динамичен диапазон.

Усредняването може да се извърши с обикновен аналогов филтър и ако такъв набор от импулси се приложи директно към високоговорителя, тогава ще получим звук на изхода, а ултра високите честоти няма да се възпроизвеждат поради голямата инерция на излъчвателя. ШИМ усилвателите от клас D работят на този принцип, където енергийната плътност на импулсите се създава не от техния брой, а от продължителността на всеки импулс (което е по-лесно за изпълнение, но не може да се опише с обикновен двоичен код).

Многобитов ЦАП може да се разглежда като принтер, способен да прилага цвят с мастила Pantone. Delta-Sigma е мастиленоструен принтер с ограничен набор от цветове, но поради възможността за нанасяне на много малки точки (в сравнение с принтер за рога), поради различната плътност на точките на единица повърхност, дава повече нюанси.

В изображението обикновено не виждаме отделни точки поради ниската разделителна способност на окото, а само средния тон. По същия начин ухото не чува импулсите поотделно.

В крайна сметка, с настоящите технологии в импулсните ЦАП, можете да получите вълна, близка до тази, която теоретично трябва да се получи при апроксимиране на междинни координати.

Трябва да се отбележи, че след появата на делта-сигма DAC, спешността да се начертае "цифрова вълна" със стъпки изчезна, т.к. така че съвременните DAC не изграждат вълна от стъпки. Правилно конструирайте дискретен сигнал с точки, свързани с гладка линия.

Идеални ли са превключващите DAC?

Но на практика не всичко е безоблачно и има редица проблеми и ограничения.

Защото огромният брой записи се съхраняват в многобитов сигнал, след което преобразуването в импулсен сигнал според принципа „бит за бит“ изисква ненужно висока носеща честота, която съвременните DAC не поддържат.

Основната функция на съвременните импулсни ЦАП е да преобразуват многобитов сигнал в еднобитов с относително ниска носеща честота с децимация на данни. По принцип тези алгоритми определят окончателното качество на звука на импулсните DAC.

За да се намали проблемът с висока носеща честота, аудио потокът се разделя на няколко еднобитови потока, където всеки поток е отговорен за своя собствена група разряди, което е еквивалентно на многократно увеличаване на носещата честота на броя на потоците . Тези ЦАП се наричат ​​многобитови делта-сигма ЦАП.

Днес импулсните ЦАП получиха втори вятър във високоскоростните чипове с общо предназначение в продуктите на NAD и Chord поради възможността за гъвкаво програмиране на алгоритми за преобразуване.

DSD формат

След широкото използване на делта-сигма ЦАП, беше съвсем логично форматът на двоичния код да се появи директно в делта-сигма кодиране. Този формат се нарича DSD (Direct Stream Digital).

Форматът не беше широко използван по няколко причини. Редактирането на файлове в този формат се оказа ненужно ограничено: не можете да смесвате потоци, да регулирате силата на звука и да прилагате изравняване. Това означава, че без загуба на качество, можете да архивирате само аналогови записи и да правите двумикрофонен запис на изпълнения на живо без допълнителна обработка. С една дума, наистина не можете да правите пари.

В борбата срещу пиратството SA-CD дисковете не се поддържат (и не се поддържат досега) от компютри, което им пречи да правят копия. Без копия - без широка аудитория. Беше възможно да се възпроизвежда DSD аудио съдържание само от отделен SA-CD плейър от марков диск. Ако за формата PCM има стандарт SPDIF за цифрово предаване на данни от източник към отделен DAC, тогава няма стандарт за DSD формата и първите пиратски копия на SA-CD дискове са дигитализирани от аналоговите изходи на SA -CD плейъри (въпреки че ситуацията изглежда глупава, но в действителност някои записи бяха пуснати само на SA-CD, или същият запис на Audio-CD беше специално направен лошо за популяризиране на SA-CD).

Повратната точка настъпи с пускането на игровите конзоли SONY, където SA-CD дискът беше автоматично копиран на твърдия диск на конзолата, преди да бъде възпроизвеждан. От това се възползваха феновете на формата DSD. Появата на пиратски записи стимулира пазара да пусне отделни DAC за възпроизвеждане на DSD потоци. Повечето външни ЦАП с поддръжка на DSD днес поддържат USB трансфер на данни, използвайки DoP формат като отделно цифрово кодиране на сигнал през SPDIF.

Носещите честоти за DSD са сравнително малки, 2,8 и 5,6 MHz, но този аудио поток не изисква никакви преобразувания на децимация и е доста конкурентен с формати с висока разделителна способност като DVD-Audio.

Няма категоричен отговор на въпроса кое е по-добро, DSP или PCM. Всичко опира до качеството на изпълнение на конкретен DAC и таланта на звукорежисьора при запис на крайния файл.

Общо заключение

Аналоговият звук е това, което чуваме и възприемаме като света около нас с очите си. Цифровият звук е набор от координати, които описват звукова вълна и която не можем директно да чуем, без да я преобразуваме в аналогов сигнал.

Аналогов сигнал, записан директно върху аудиокасета или винил, не може да бъде презаписан без загуба на качество, докато вълна в цифров вид може да бъде копирана малко по малко.

Цифровите формати на запис са постоянен компромис между размера на точността на координатите спрямо размера на файла и всеки цифров сигнал е само приближение към оригиналния аналогов сигнал. В същото време обаче различните нива на технологии за запис и възпроизвеждане на цифров сигнал и съхраняване на носител за аналогов сигнал дават повече предимства на цифровото представяне на сигнала, подобно на цифров фотоапарат спрямо филмова камера.