Analogový signál je datový signál, ve kterém je každý z reprezentujících parametrů popsán funkcí času a spojitou sadou možných hodnot.

Existují dva signálové prostory - prostor L (spojité signály) a prostor l (L je malý) - prostor sekvencí. Prostor l (L je malý) je prostor Fourierových koeficientů (spočetná množina čísel definujících spojitou funkci na konečném intervalu definičního oboru), prostor L je prostor spojitých (analogových) signálů nad definičním oborem. definice. Za určitých podmínek je prostor L jednoznačně mapován na prostor l (například první dvě Kotelnikovovy diskretizační teorémy).

Analogové signály jsou tedy popsány spojitými funkcemi času analogový signál někdy označované jako nepřetržité pípání. Analogové signály jsou na rozdíl od diskrétních (kvantovaných, digitálních). Příklady spojitých prostorů a odpovídajících fyzikálních veličin:

přímé: elektrické napětí

obvod: poloha rotoru, kola, ozubených kol, analogových hodinových ručiček nebo fáze nosného signálu

segment: poloha pístu, ovládací páky, teploměru kapaliny nebo elektrického signálu, omezená amplitudou různé vícerozměrné prostory: barva, kvadraturně modulovaný signál.

Vlastnosti analogových signálů jsou do značné míry opačné než vlastnosti kvantovaných nebo digitálních signálů.

Neexistence jasně odlišitelných od sebe navzájem diskrétních úrovní signálu vede k nemožnosti aplikovat pojem informace na její popis v podobě, jak je chápána v digitálních technologiích. "Množství informací" obsažených v jednom vzorku bude omezeno pouze dynamickým rozsahem měřicího přístroje.

Žádná redundance. Z kontinuity hodnotového prostoru vyplývá, že jakékoli rušení vnesené do signálu je nerozeznatelné od signálu samotného, ​​a proto nelze obnovit původní amplitudu. Ve skutečnosti je filtrování možné například frekvenčními metodami, pokud jsou známy nějaké další informace o vlastnostech tohoto signálu (zejména frekvenční pásmo).

Aplikace:

Analogové signály se často používají k reprezentaci neustále se měnících fyzikálních veličin. Například analogový elektrický signál odebraný z termočlánku nese informace o změnách teploty, signál z mikrofonu - o rychlých změnách tlaku ve zvukové vlně atd.

2.2 Digitální signál

Digitální signál je datový signál, ve kterém je každý z reprezentujících parametrů popsán funkcí diskrétního času a konečnou sadou možných hodnot.

Signály jsou diskrétní elektrické nebo světelné impulsy. U této metody je celá kapacita komunikačního kanálu využita k přenosu jednoho signálu. Digitální signál využívá celou šířku pásma kabelu. Šířka pásma je rozdíl mezi maximální a minimální frekvencí, která může být přenášena po kabelu. Každé zařízení v takových sítích posílá data oběma směry a některá mohou současně přijímat a vysílat. Systémy v základním pásmu přenášejí data jako digitální signál o jedné frekvenci.

Diskrétní digitální signál je obtížnější přenášet na dlouhé vzdálenosti než analogový signál, proto je předem modulován na straně vysílače a demodulován na straně přijímače informací. Použití algoritmů pro kontrolu a obnovu digitální informace v digitálních systémech může významně zvýšit spolehlivost přenosu informací.

Komentář. Je třeba mít na paměti, že skutečný digitální signál je ze své fyzikální podstaty analogový. Vlivem šumu a změn parametrů přenosových vedení má kolísání amplitudy, fáze / frekvence (jitter), polarizace. Ale tento analogový signál (pulzní a diskrétní) je vybaven vlastnostmi čísla. Díky tomu je možné pro jeho zpracování použít numerické metody (počítačové zpracování).

Průměrný člověk nepřemýšlí o povaze signálů, ale někdy je nutné se zamyslet nad rozdílem mezi analogovým a digitálním vysíláním nebo formáty. Standardně jsou analogové technologie považovány za přežitek a brzy budou zcela nahrazeny digitálními. Stojí za to vědět, čeho se kvůli novým trendům vzdáváme.

Analogový signál- datový signál popsaný spojitými funkcemi času, to znamená, že jeho amplituda oscilace může nabývat libovolných hodnot v rámci maxima.

Digitální signál- datový signál popsaný diskrétními funkcemi času, to znamená, že amplituda oscilací nabývá hodnot pouze přesně definovaných.

V praxi to umožňuje říci, že analogový signál je doprovázen velkým množstvím šumu, zatímco digitální signál je úspěšně odfiltruje. Ten je schopen obnovit původní data. Souvislý analogový signál navíc často nese spoustu zbytečných informací, což vede k jeho redundanci – místo jednoho analogového lze přenášet několik digitálních signálů.

Pokud mluvíme o televizi a je to právě tato oblast, která většinu spotřebitelů znepokojuje jejím přechodem na „digitální“, pak lze analogový signál považovat za zcela zastaralý. Zatím však analogové signály přijímá jakékoli zařízení k tomu určené a digitální vyžaduje speciální. Pravda, s rozšířením „čísel“ analogové televizory stále méně a poptávka po nich dramaticky klesá.

Další důležitou charakteristikou signálu je bezpečnost. V tomto ohledu analog demonstruje naprostou bezbrannost vůči vlivům nebo průnikům zvenčí. Ten digitální je zašifrován přidělením kódu z rádiových impulsů, takže je vyloučeno jakékoli rušení. Je obtížné přenášet digitální signály na velké vzdálenosti, proto se používá schéma modulace-demodulace.

Stránka se závěry

1. Analogový signál je spojitý, digitální signál je diskrétní.
2. Při přenosu analogového signálu je riziko ucpání kanálu šumem vyšší.
3. Analogový signál je nadbytečný.
4. Digitální signál filtruje šum a obnovuje původní data.
5. Digitální signál je přenášen šifrovaně.
6. Místo jednoho analogového signálu lze odeslat několik digitálních signálů.

Běžný spotřebitel nemusí vědět, jaký je charakter signálů. Někdy je však nutné znát rozdíl mezi analogovými a digitálními formáty, abychom mohli přistupovat k výběru té či oné možnosti s otevřenýma očima, protože dnes se říká, že doba analogových technologií pominula, jsou nahrazovány digitálními. . Měli byste pochopit rozdíl, abyste věděli, co odcházíme a co můžeme očekávat.

Analogový signál je spojitý signál s nekonečným počtem dat blízkých hodnotě v rámci maxima, jehož všechny parametry jsou popsány časově závislou proměnnou.

Digitální signál- jedná se o samostatný signál, popsaný samostatnou funkcí času, respektive v každém časovém okamžiku má velikost amplitudy signálu přesně definovanou hodnotu.

Praxe ukázala, že u analogových signálů je možné rušení, které lze eliminovat digitálním signálem. Kromě toho může digitální obnovit původní data. Se spojitým analogovým signálem prochází mnoho informací, často zbytečných. Místo jednoho analogového lze přenášet několik digitálních.

Spotřebitel se dnes zajímá o problematiku televize, neboť právě v této souvislosti se objevuje slovní spojení „přechod na digitální signál". V tomto případě lze analog považovat za přežitek minulosti, ale právě on je akceptován stávající technologií a pro digitální příjem je potřeba speciální. Samozřejmě v souvislosti se vznikem a rozšířením používáním "čísel", ztrácejí svou dřívější popularitu.

Výhody a nevýhody typů signálů

Bezpečnost hraje důležitou roli při posuzování parametrů konkrétního signálu. Různé vlivy, průniky činí analogový signál bezbranným. U digitálních je to vyloučeno, protože je zakódováno z rádiových impulsů. Na velké vzdálenosti je přenos digitálních signálů komplikovaný, je nutné použít modulační-demodulační schémata.

Když to shrneme, můžeme to říci rozdíly mezi analogovým a digitálním signálem skládá se z:

• V kontinuitě analogu a diskrétnosti digitálu;
• Pravděpodobnější rušení analogového přenosu;
• Redundance analogového signálu;
• Ve schopnosti digitálně filtrovat šum a obnovit původní informace;
• Při přenosu digitálního signálu v kódované podobě. Jeden analogový signál je nahrazen několika digitálními.

Velmi často slyšíme takové definice jako „digitální“ nebo „diskrétní“ signál, jak se liší od „analogového“?

Rozdíl je v tom, že analogový signál je spojitý v čase (modrá čára), zatímco digitální signál se skládá z omezené sady souřadnic (červené tečky). Pokud je vše zredukováno na souřadnice, pak se jakýkoli segment analogového signálu skládá z nekonečného počtu souřadnic.

U digitálního signálu jsou souřadnice podél vodorovné osy umístěny v pravidelných intervalech v souladu se vzorkovací frekvencí. V běžném formátu Audio-CD je to 44 100 bodů za sekundu. Vertikálně přesnost souřadnicové výšky odpovídá kapacitě číslic digitálního signálu, pro 8 bitů je to 256 úrovní, pro 16 bitů = 65536 a pro 24 bitů = 16777216 úrovní. Čím vyšší je bitová hloubka (počet úrovní), tím blíže jsou vertikální souřadnice původní vlně.

Analogové zdroje jsou vinylové a audiokazety. Digitální zdroje jsou: CD-Audio, DVD-Audio, SA-CD (DSD) a soubory ve formátech WAVE a DSD (včetně derivátů APE, Flac, Mp3, Ogg atd.).

Výhody a nevýhody analogového signálu

Výhodou analogového signálu je, že právě v analogové podobě vnímáme zvuk ušima. A přestože náš sluchový systém převádí vnímaný zvukový proud do digitální podoby a v této podobě jej přenáší do mozku, věda a technika zatím nedospěly k možnosti přímého propojení přehrávačů a dalších zdrojů zvuku v této podobě. Takový výzkum je nyní aktivně prováděn pro lidi s postižením a my si užíváme výhradně analogový zvuk.

Nevýhodou analogového signálu je schopnost ukládat, přenášet a replikovat signál. Při nahrávání na kazetu nebo vinyl bude kvalita signálu záviset na vlastnostech kazety nebo vinylu. Časem se páska demagnetizuje a kvalita nahraného signálu se zhorší. Každé čtení postupně ničí médium a přepis přináší další zkreslení, kdy další odchylky přidává další médium (páska nebo vinyl), zařízení pro čtení, záznam a vysílání signálu.

Vytvořit kopii analogového signálu je jako pořídit další fotografii a zkopírovat fotografii.

Výhody a nevýhody digitálního signálu

Mezi výhody digitálního signálu patří přesnost při kopírování a přenosu audio streamu, kde se originál neliší od kopie.

Za hlavní nevýhodu lze považovat to, že digitální signál je mezistupeň a přesnost konečného analogového signálu bude záviset na tom, jak podrobně a přesně budou popsány souřadnice zvukové vlny. Je celkem logické, že čím více bodů a přesnější souřadnice, tím přesnější bude vlna. Stále však neexistuje shoda v tom, kolik souřadnic a přesnosti dat je dostačujících k tomu, abychom mohli říci, že digitální reprezentace signálu je dostatečná k přesné rekonstrukci analogového signálu, který naše uši nerozeznají od originálu.

Pokud jde o objem dat, kapacita běžné analogové audiokazety je pouze asi 700-1,1 MB, zatímco běžné CD pojme 700 MB. To naznačuje potřebu vysokokapacitních médií. A tím vzniká samostatná válka kompromisů s různými požadavky na počet popisujících bodů a přesnost souřadnic.

Dnes je považováno za zcela dostačující pro reprezentaci zvukové vlny se vzorkovací frekvencí 44,1 kHz a bitovou hloubkou 16 bitů. Se vzorkovací frekvencí 44,1 kHz můžete obnovit až 22 kHz. Jak ukazují psychoakustické studie, další zvýšení vzorkovací frekvence je málo patrné, ale zvýšení bitové hloubky dává subjektivní zlepšení.

Jak DAC vytvářejí vlnu

DAC je digitálně-analogový převodník, prvek, který převádí digitální zvuk na analogový. V rychlosti se podíváme na základní principy. Pokud komentáře projeví zájem podrobněji zvážit řadu bodů, bude vydán samostatný materiál.

Multibitové DAC

Velmi často je vlna prezentována ve formě kroků, což je způsobeno architekturou první generace multibitových R-2R DAC, které fungují podobně jako přepínač z relé.

Vstup DAC přijímá hodnotu další souřadnice podél vertikály a v každém svém cyklu přepíná aktuální (napěťovou) úroveň na odpovídající úroveň až do další změny.

Ačkoli se věří, že lidské ucho neslyší více než 20 kHz a podle Nyquistovy teorie je možné obnovit signál až do 22 kHz, zůstává otázka kvality tohoto signálu po obnovení. Ve vysokofrekvenční oblasti je tvar výsledné „krokové“ vlny obvykle daleko od původního. Nejjednodušším východiskem ze situace je zvýšení vzorkovací frekvence při nahrávání, to však vede k výraznému a nechtěnému zvětšení velikosti souboru.

Alternativní možností je umělé zvýšení vzorkovací frekvence během přehrávání v DAC přidáním mezihodnot. Tito. představujeme dráhu spojité vlny (šedá tečkovaná čára), plynule spojující původní souřadnice (červené body) a přidání mezilehlých bodů na této čáře (tmavě fialová).

Při zvýšení vzorkovací frekvence je obvykle nutné zvýšit bitovou hloubku tak, aby se souřadnice přiblížily aproximované vlně.

Díky mezilehlým souřadnicím je možné zmenšit „kroky“ a postavit vlnu blíže k originálu.

Když v přehrávači nebo externím DAC uvidíte funkci zesílení 44,1 až 192 kHz, je to funkce pro přidání mezilehlých souřadnic, nikoli obnovení nebo vytvoření zvuku v oblasti nad 20 kHz.

Zpočátku to byly samostatné mikroobvody SRC před DAC, které pak migrovaly přímo do samotných mikroobvodů DAC. Dnes můžete najít řešení, kde je takový mikroobvod přidán k moderním DAC, to je děláno s cílem poskytnout alternativu k vestavěným algoritmům v DAC a někdy získat ještě více nejlepší zvuk(jako například v Hidizs AP100).

Hlavní odmítnutí multibitových DAC v průmyslu nastalo z důvodu nemožnosti dalšího technologického rozvoje ukazatelů kvality se současnými výrobními technologiemi a vyšší cenou oproti „pulsním“ DAC se srovnatelnými vlastnostmi. Nicméně v Hi-End produktech se často dává přednost starým vícebitovým DAC před novými řešeními s technicky lepšími vlastnostmi.

Pulzní DAC

Koncem 70. let se rozšířila alternativní verze DAC založených na "pulzní" architektuře - "delta-sigma". Technologie Pulse DAC umožnila vznik ultrarychlých přepínačů a umožnila použití vysoké nosné frekvence.

Amplituda signálu je průměrná hodnota amplitud pulsů (pulzy stejné amplitudy jsou zobrazeny zeleně a konečná zvuková vlna je zobrazena bíle).

Například sekvence osmi hodinových cyklů po pěti pulzech poskytne průměrnou amplitudu (1 + 1 + 1 + 0 + 0 + 1 + 1 + 0) / 8 = 0,625. Čím vyšší je nosná frekvence, tím více pulzů bude vyhlazeno a tím přesnější bude amplituda. To umožnilo prezentovat audio stream v jednobitové podobě s širokým dynamickým rozsahem.

Průměrování lze provést jako obvykle analogový filtr a pokud je taková sada impulsů aplikována přímo na reproduktor, pak na výstupu dostaneme zvuk a ultra vysoké frekvence nebudou reprodukovány kvůli velké inertnosti zářiče. Na tomto principu pracují PWM zesilovače ve třídě D, kde hustota energie pulzů není vytvářena jejich počtem, ale délkou trvání každého pulzu (což je jednodušší na implementaci, ale nelze to popsat jednoduchým binárním kódem).

Vícebitový DAC si lze představit jako tiskárnu schopnou nanášet barvy pomocí inkoustů pantone. Delta-Sigma je inkoustová tiskárna s omezenou sadou barev, ale díky možnosti nanášení velmi malých bodů (ve srovnání s paroží) díky různé hustotě bodů na jednotku plochy dává více odstínů.

V obraze většinou nevidíme kvůli malému rozlišení oka jednotlivé body, ale pouze střední tón. Stejně tak ucho neslyší impulsy odděleně.

V konečném důsledku se současnými technologiemi v pulzních DAC můžete získat vlnu blízkou té, která by teoreticky měla být získána při aproximaci mezilehlých souřadnic.

Je třeba poznamenat, že poté, co se objevil delta-sigma DAC, zmizela naléhavost nakreslit „digitální vlnu“ s kroky, protože takže moderní DAC nevybudují vlnu s kroky. Správně sestrojte diskrétní signál s body spojenými hladkou čarou.

Je přepínání DAC ideální?

V praxi ale není vše bez mráčku a problémů a omezení je celá řada.

Protože drtivé množství záznamů je uloženo ve vícebitovém signálu, pak převod na pulzní signál podle principu „bit-za-bit“ vyžaduje zbytečně vysokou nosnou frekvenci, kterou moderní DAC nepodporují.

Hlavní funkcí moderních pulzních DAC je převést vícebitový signál na jednobitový s relativně nízkou nosnou frekvencí s decimací dat. V zásadě jsou to tyto algoritmy, které určují konečnou kvalitu zvuku impulsních DAC.

Aby se snížil problém s vysokou nosnou frekvencí, je zvukový tok rozdělen do několika jednobitových toků, kde každý tok je zodpovědný za svou vlastní skupinu výbojů, což je ekvivalentní vícenásobnému zvýšení nosné frekvence počtu toků. . Tyto DAC se nazývají multibitové delta-sigma DAC.

Pulzní DAC dnes dostaly druhý dech ve vysokorychlostních mikroobvodech. obecný účel v produktech společností NAD a Chord díky schopnosti flexibilně programovat transformační algoritmy.

formát DSD

Po rozšířeném používání delta-sigma DAC byl vzhled formátu záznamu zcela logický. binární kód přímo zakódováno delta-sigma. Tento formát se nazývá DSD (Direct Stream Digital).

Formát nebyl široce používán z několika důvodů. Úpravy souborů v tomto formátu se ukázaly jako zbytečně omezené: nelze mixovat streamy, upravovat hlasitost a aplikovat ekvalizaci. To znamená, že bez ztráty kvality můžete archivovat pouze analogové nahrávky a pořizovat dvoumikrofonní záznam živých vystoupení bez dalšího zpracování. Jedním slovem, nemůžete opravdu vydělat peníze.

V boji proti pirátství nebyly SA-CD podporovány (a dosud nejsou podporovány) počítači, což jim brání ve vytváření kopií. Žádné kopie – žádné obecné publikum. Zvukový obsah DSD bylo možné přehrávat pouze ze samostatného SA-CD přehrávače ze značkového disku. Pokud pro formát PCM existuje standard SPDIF pro digitální přenos dat ze zdroje do samostatného DAC, pak neexistuje žádný standard pro formát DSD a první pirátské kopie SA-CD disků byly digitalizovány z analogových výstupů SA -CD přehrávače (situace se sice zdá hloupá, ale ve skutečnosti byly některé nahrávky vydány pouze na SA-CD, nebo byla stejná nahrávka na Audio-CD speciálně vyrobena špatně pro propagaci SA-CD).

Zlom nastal s vydáním herních konzolí SONY, kam se SA-CD automaticky zkopírovalo HDD předpony. Toho využili příznivci formátu DSD. Nástup pirátských nahrávek podnítil trh k vydání samostatných DAC pro přehrávání DSD streamů. Většina externích DAC s podporou DSD dnes podporuje USB přenos dat pomocí formátu DoP jako samostatné kódování digitálního signálu přes SPDIF.

Nosné frekvence pro DSD jsou relativně malé, 2,8 a 5,6 MHz, ale tento audio stream nevyžaduje žádné decimační převody a je docela konkurenceschopný s formáty s vysokým rozlišením, jako je DVD-Audio.

Neexistuje jednoznačná odpověď na otázku, co je lepší, DSP nebo PCM. Vše stojí na kvalitě implementace konkrétního DAC a talentu zvukaře při nahrávání finálního souboru.

Obecný závěr

Analogový zvuk je to, co slyšíme a vnímáme jako svět kolem nás očima. Digitální zvuk je soubor souřadnic, které popisují zvukovou vlnu a kterou nemůžeme přímo slyšet, aniž bychom ji převedli na analogový signál.

Analogový signál nahraný přímo na zvukovou pásku nebo vinyl nelze znovu nahrát bez ztráty kvality, zatímco vlnu v digitální podobě lze zkopírovat kousek po kousku.

Formáty digitálního záznamu jsou neustálým kompromisem mezi přesností souřadnic a velikostí souboru a jakýkoli digitální signál je pouze přiblížením původního analogového signálu. Současně však různé úrovně technologií pro záznam a reprodukci digitálního signálu a ukládání na média pro analogový signál poskytují více výhod digitální reprezentaci signálu, podobně jako u digitálního fotoaparátu oproti filmovému fotoaparátu.

Přednáška 4. Metody síťové komunikace.

Metody síťové komunikace

Signály

Jak již bylo zmíněno dříve, existuje mnoho způsobů, jak fyzicky vytvořit a přenést signál, elektrické pulsy se mohou šířit měděným drátem, světelné pulsy skleněnými nebo plastovými vlákny, rádiové signály se přenášejí vzduchem a laserové pulsy se přenášejí v infračervené nebo viditelné oblasti. Převod jedniček a nul reprezentujících data v počítači na pulsy energie se nazývá kódování (modulace).

Podobně jako klasifikace počítačových sítí lze signály klasifikovat na základě jejich různých charakteristik. Signály jsou následující:

analogové a digitální,

modulovaný a modulovaný,

synchronní a asynchronní,

simplexní, poloduplexní, duplexní a multiplexní

Analogové a digitální signály

Podle formy elektrického napětí (které lze vidět na obrazovce osciloskopu) se signály dělí na analogové a digitální. Tyto pojmy pravděpodobně již znáte, protože se poměrně často vyskytují v dokumentaci různých elektronických zařízení. , jako jsou magnetofony, televize, telefony atd. atd.

Analogové zařízení v jistém smyslu představuje odcházející éru elektronických technologií a digitální zařízení je nejnovější zařízení, které je nahradí. Mějte však na paměti, že jeden typ signálu nemůže být lepší než jiný. Každý z nich má své výhody a nevýhody, stejně jako své vlastní oblasti použití. Přestože se digitální signály používají stále více a více, nikdy nenahradí analogové.

Parametry analogového signálu

Analogové signály se plynule a plynule mění v čase, takže je lze graficky znázornit jako hladkou křivku (obr. 4.1).

V přírodě je naprostá většina procesů v zásadě analogická. Například zvuk je změna tlaku vzduchu, kterou lze pomocí mikrofonu přeměnit na elektrické napětí. Přivedením tohoto napětí na vstup osciloskopu můžete vidět graf podobný tomu na obr. 4.1, tzn. můžete sledovat, jak se mění tlak vzduchu v průběhu času.

Pro lepší představu o analogových informacích si představte tradiční rychloměr do auta. Jak se rychlost vozidla zvyšuje, ručička se plynule pohybuje na stupnici od jednoho čísla k druhému. Dalším příkladem je naladění stanice v rádiovém přijímači: když otočíte knoflíkem, přijímaná frekvence se plynule změní.

Většina analogových signálů je cyklických nebo periodických, jako jsou rádiové vlny, což jsou vysokofrekvenční oscilace elektromagnetického pole. Takové cyklické analogové signály jsou obvykle charakterizovány třemi parametry.

Amplituda. Maximální nebo minimální hodnota signálu, tzn. výška vlny.

Frekvence. Počet cyklických změn signálu za sekundu. Frekvence se měří v hertzech (Hz); 1 Hz je jeden cyklus za sekundu.

Fáze. Poloha vlny vzhledem k jiné vlně nebo vzhledem k určitému bodu v čase, který slouží jako referenční bod. Fáze se obvykle měří ve stupních a má se za to, že celý cyklus je 360 ​​stupňů.

Parametry digitálního signálu

Jiný název pro digitální signály je diskrétní, poměrně často se setkáváme s pojmem diskrétní stavy, kdy digitální signály přecházejí z jednoho diskrétního stavu do druhého téměř okamžitě, bez zastavení v mezistavech (obr. 4.2).

Příkladem digitálního signálu může být údaj na nejnovějším digitálním rychloměru v autě (srovnej s příkladem analogového rychloměru v předchozí části). Když se rychlost vozidla zvýší, čísla ukazující rychlost v kilometrech za hodinu se přepínají skokově a hodnota signálu je v zásadě diskrétní: například neexistují žádné mezihodnoty mezi diskrétními stavy „125 km/h“ a „126“. km/h". Dalším příkladem digitální informace je nejmodernější rádio, do kterého uživatel zadá přesné číslo rovnající se frekvenci rozhlasové stanice, aby naladil konkrétní stanici.

Číslicové obvody jsou nejdůležitější disciplínou, která se studuje na všech vysokých a středních vzdělávacích institucích, které školí specialisty v elektronice. V této věci by se měl dobře orientovat i skutečný radioamatér. Ale většina knih a učební pomůcky napsaný jazykem, který je velmi obtížně srozumitelný a pro začínajícího elektrotechnika (možná školáka) bude obtížné jej ovládat nová informace... Série nových školicích materiálů od Master Kit je navržena tak, aby zaplnila tuto mezeru: v našich článcích jsou složité koncepty popsány těmi nejjednoduššími slovy.

8.1. Analogové a digitální signály

Nejprve musíte zjistit, jak se analogové obvody obecně liší od digitálních. A hlavní rozdíl je v signálech, se kterými tyto obvody pracují.
Všechny signály lze rozdělit do dvou hlavních typů: analogové a digitální.

Analogové signály

Analogové signály jsou nám nejznámější. Můžeme říci, že celý přírodní svět kolem nás je analogový. Náš zrak a sluch, stejně jako všechny ostatní smyslové orgány, vnímají přicházející informace v analogové podobě, tedy nepřetržitě v čase. Přenos zvukových informací - lidská řeč, zvuky hudebních nástrojů, řev zvířat, zvuky přírody atd. - také v analogové formě.
Abychom tomuto problému ještě lépe porozuměli, nakreslíme analogový signál (obr. 1):

Obr. 1. Analogový signál

Vidíme, že analogový signál je spojitý v čase a v amplitudě. V každém okamžiku můžete určit přesnou hodnotu amplitudy analogového signálu.

Digitální signály

Analyzujme amplitudu signálu ne neustále, ale diskrétně, v pevných intervalech. Například jednou za sekundu nebo častěji: desetkrát za sekundu. Jak často to děláme, se nazývá vzorkovací frekvence: jednou za sekundu - 1 Hz, tisíckrát za sekundu - 1000 Hz nebo 1 kHz.

Pro názornost nakreslíme grafy analogového (nahoře) a digitálního (dole) signálu (obr. 2):

Obr. Analogový signál (nahoře) a digitální kopie (dole)

Vidíme, že v každém okamžitém časovém úseku je možné zjistit okamžitou digitální hodnotu amplitudy signálu. Co se děje se signálem (podle jakého zákona se mění, jakou má amplitudu) mezi intervaly „kontroly“, nevíme, tato informace se nám ztrácí. Čím méně často kontrolujeme úroveň signálu (čím nižší je vzorkovací frekvence), tím méně informací o signálu máme. Platí to samozřejmě i naopak: čím vyšší je vzorkovací frekvence, tím lepší kvalita prezentace signálu. V limitu, zvýšením vzorkovací frekvence do nekonečna, dostaneme prakticky stejný analogový signál.
Znamená to, že analogový signál je stejně lepší než digitální? Teoreticky možná ano. V praxi však moderní analogově-digitální převodníky (ADC) pracují s tak vysokou vzorkovací frekvencí (až několik milionů vzorků za sekundu), takže popisují analogový signál v digitální podobě tak kvalitativně, že lidské smysly (oči, uši) ) již necítí rozdíl mezi původním signálem a jeho digitálním modelem. Digitální signál má velmi významnou výhodu: snáze se přenáší po drátech nebo rádiových vlnách, rušení takový signál výrazně neovlivňuje. Proto vše moderní mobilní připojení, televizní a rozhlasové vysílání - digitální.

Spodní graf na Obr. 2 lze snadno znázornit v jiné podobě - ​​jako dlouhou posloupnost dvojice čísel: čas / amplituda. A čísla jsou přesně to, co digitální obvody potřebují. Pravda, digitální obvody raději pracuji s čísly zvláštním způsobem, ale o tom si povíme v příští lekci.

Nyní můžeme vyvodit důležité závěry:

Digitální signál je diskrétní, lze jej určit pouze pro určité časové body;
- čím vyšší je vzorkovací frekvence, tím lepší je přesnost reprezentace digitálního signálu.

Analogový signál je datový signál, ve kterém je každý z reprezentujících parametrů popsán funkcí času a spojitou sadou možných hodnot.

Existují dva signálové prostory - prostor L (spojité signály) a prostor l (L je malý) - prostor sekvencí. Prostor l (L je malý) je prostor Fourierových koeficientů (spočetná množina čísel definujících spojitou funkci na konečném intervalu definičního oboru), prostor L je prostor spojitých (analogových) signálů nad definičním oborem. definice. Za určitých podmínek je prostor L jednoznačně mapován na prostor l (například první dvě Kotelnikovovy diskretizační teorémy).

Analogové signály jsou popsány jako spojité funkce času, takže analogový signál je někdy označován jako spojitý signál. Analogové signály jsou na rozdíl od diskrétních (kvantovaných, digitálních). Příklady spojitých prostorů a odpovídajících fyzikálních veličin:

přímé: elektrické napětí

obvod: poloha rotoru, kola, ozubených kol, analogových hodinových ručiček nebo fáze nosného signálu

segment: poloha pístu, ovládací páky, teploměru kapaliny nebo elektrického signálu, omezená amplitudou různé vícerozměrné prostory: barva, kvadraturně modulovaný signál.

Vlastnosti analogových signálů jsou do značné míry opačné než vlastnosti kvantovaných nebo digitálních signálů.

Neexistence jasně odlišitelných od sebe navzájem diskrétních úrovní signálu vede k nemožnosti aplikovat pojem informace na její popis v podobě, jak je chápána v digitálních technologiích. "Množství informací" obsažených v jednom vzorku bude omezeno pouze dynamickým rozsahem měřicího přístroje.

Žádná redundance. Z kontinuity hodnotového prostoru vyplývá, že jakékoli rušení vnesené do signálu je nerozeznatelné od signálu samotného, ​​a proto nelze obnovit původní amplitudu. Ve skutečnosti je filtrování možné například frekvenčními metodami, pokud jsou známy nějaké další informace o vlastnostech tohoto signálu (zejména frekvenční pásmo).

Aplikace:

Analogové signály se často používají k reprezentaci neustále se měnících fyzikálních veličin. Například analogový elektrický signál odebraný z termočlánku nese informace o změnách teploty, signál z mikrofonu - o rychlých změnách tlaku ve zvukové vlně atd.

2.2 Digitální signál

Digitální signál je datový signál, ve kterém je každý z reprezentujících parametrů popsán funkcí diskrétního času a konečnou sadou možných hodnot.

Signály jsou diskrétní elektrické nebo světelné impulsy. U této metody je celá kapacita komunikačního kanálu využita k přenosu jednoho signálu. Digitální signál využívá celou šířku pásma kabelu. Šířka pásma je rozdíl mezi maximální a minimální frekvencí, která může být přenášena po kabelu. Každé zařízení v takových sítích posílá data oběma směry a některá mohou současně přijímat a vysílat. Systémy v základním pásmu přenášejí data jako digitální signál o jedné frekvenci.

Diskrétní digitální signál je obtížnější přenášet na dlouhé vzdálenosti než analogový signál, proto je předem modulován na straně vysílače a demodulován na straně přijímače informací. Použití algoritmů pro kontrolu a obnovu digitální informace v digitálních systémech může významně zvýšit spolehlivost přenosu informací.

Komentář. Je třeba mít na paměti, že skutečný digitální signál je ze své fyzikální podstaty analogový. Vlivem šumu a změn parametrů přenosových vedení má kolísání amplitudy, fáze / frekvence (jitter), polarizace. Ale tento analogový signál (pulzní a diskrétní) je vybaven vlastnostmi čísla. Díky tomu je možné pro jeho zpracování použít numerické metody (počítačové zpracování).

Velmi často slyšíme takové definice jako „digitální“ nebo „diskrétní“ signál, jak se liší od „analogového“?

Rozdíl je v tom, že analogový signál je spojitý v čase (modrá čára), zatímco digitální signál se skládá z omezené sady souřadnic (červené tečky). Pokud je vše zredukováno na souřadnice, pak se jakýkoli segment analogového signálu skládá z nekonečného počtu souřadnic.

U digitálního signálu jsou souřadnice podél vodorovné osy umístěny v pravidelných intervalech v souladu se vzorkovací frekvencí. V běžném formátu Audio-CD je to 44 100 bodů za sekundu. Vertikálně přesnost souřadnicové výšky odpovídá kapacitě číslic digitálního signálu, pro 8 bitů je to 256 úrovní, pro 16 bitů = 65536 a pro 24 bitů = 16777216 úrovní. Čím vyšší je bitová hloubka (počet úrovní), tím blíže jsou vertikální souřadnice původní vlně.

Analogové zdroje jsou vinylové a audiokazety. Digitální zdroje jsou: CD-Audio, DVD-Audio, SA-CD (DSD) a soubory ve formátech WAVE a DSD (včetně derivátů APE, Flac, Mp3, Ogg atd.).

Výhody a nevýhody analogového signálu

Výhodou analogového signálu je, že právě v analogové podobě vnímáme zvuk ušima. A přestože náš sluchový systém převádí vnímaný zvukový proud do digitální podoby a v této podobě jej přenáší do mozku, věda a technika zatím nedospěly k možnosti přímého propojení přehrávačů a dalších zdrojů zvuku v této podobě. Takový výzkum je nyní aktivně prováděn pro lidi s postižením a my si užíváme výhradně analogový zvuk.

Nevýhodou analogového signálu je schopnost ukládat, přenášet a replikovat signál. Při nahrávání na kazetu nebo vinyl bude kvalita signálu záviset na vlastnostech kazety nebo vinylu. Časem se páska demagnetizuje a kvalita nahraného signálu se zhorší. Každé čtení postupně ničí médium a přepis přináší další zkreslení, kdy další odchylky přidává další médium (páska nebo vinyl), zařízení pro čtení, záznam a vysílání signálu.

Vytvořit kopii analogového signálu je jako pořídit další fotografii a zkopírovat fotografii.

Výhody a nevýhody digitálního signálu

Mezi výhody digitálního signálu patří přesnost při kopírování a přenosu audio streamu, kde se originál neliší od kopie.

Za hlavní nevýhodu lze považovat to, že digitální signál je mezistupeň a přesnost konečného analogového signálu bude záviset na tom, jak podrobně a přesně budou popsány souřadnice zvukové vlny. Je celkem logické, že čím více bodů a přesnější souřadnice, tím přesnější bude vlna. Stále však neexistuje shoda v tom, kolik souřadnic a přesnosti dat je dostačujících k tomu, abychom mohli říci, že digitální reprezentace signálu je dostatečná k přesné rekonstrukci analogového signálu, který naše uši nerozeznají od originálu.

Pokud jde o objem dat, kapacita běžné analogové audiokazety je pouze asi 700-1,1 MB, zatímco běžné CD pojme 700 MB. To naznačuje potřebu vysokokapacitních médií. A tím vzniká samostatná válka kompromisů s různými požadavky na počet popisujících bodů a přesnost souřadnic.

Dnes je považováno za zcela dostačující pro reprezentaci zvukové vlny se vzorkovací frekvencí 44,1 kHz a bitovou hloubkou 16 bitů. Se vzorkovací frekvencí 44,1 kHz můžete obnovit až 22 kHz. Jak ukazují psychoakustické studie, další zvýšení vzorkovací frekvence je málo patrné, ale zvýšení bitové hloubky dává subjektivní zlepšení.

Jak DAC vytvářejí vlnu

DAC je digitálně-analogový převodník, prvek, který převádí digitální zvuk na analogový. V rychlosti se podíváme na základní principy. Pokud komentáře projeví zájem podrobněji zvážit řadu bodů, bude vydán samostatný materiál.

Multibitové DAC

Velmi často je vlna prezentována ve formě kroků, což je způsobeno architekturou první generace multibitových R-2R DAC, které fungují podobně jako přepínač z relé.

Vstup DAC přijímá hodnotu další souřadnice podél vertikály a v každém svém cyklu přepíná aktuální (napěťovou) úroveň na odpovídající úroveň až do další změny.

Ačkoli se věří, že lidské ucho neslyší více než 20 kHz a podle Nyquistovy teorie je možné obnovit signál až do 22 kHz, zůstává otázka kvality tohoto signálu po obnovení. Ve vysokofrekvenční oblasti je tvar výsledné „krokové“ vlny obvykle daleko od původního. Nejjednodušším východiskem ze situace je zvýšení vzorkovací frekvence při nahrávání, to však vede k výraznému a nechtěnému zvětšení velikosti souboru.

Alternativní možností je umělé zvýšení vzorkovací frekvence během přehrávání v DAC přidáním mezihodnot. Tito. znázorňujeme dráhu souvislé vlny (šedá přerušovaná čára) plynule spojující původní souřadnice (červené tečky) a přidáváme mezilehlé body na této čáře (tmavě fialová).

Při zvýšení vzorkovací frekvence je obvykle nutné zvýšit bitovou hloubku tak, aby se souřadnice přiblížily aproximované vlně.

Díky mezilehlým souřadnicím je možné zmenšit „kroky“ a postavit vlnu blíže k originálu.

Když v přehrávači nebo externím DAC uvidíte funkci zesílení 44,1 až 192 kHz, je to funkce pro přidání mezilehlých souřadnic, nikoli obnovení nebo vytvoření zvuku v oblasti nad 20 kHz.

Zpočátku to byly samostatné mikroobvody SRC před DAC, které pak migrovaly přímo do samotných mikroobvodů DAC. Dnes můžete najít řešení, kde je takový mikroobvod přidán k moderním DAC, to je děláno s cílem poskytnout alternativu k vestavěným algoritmům v DAC a někdy získat ještě lepší zvuk (jako například v Hidizs AP100).

Hlavní odmítnutí multibitových DAC v průmyslu nastalo z důvodu nemožnosti dalšího technologického rozvoje ukazatelů kvality se současnými výrobními technologiemi a vyšší cenou oproti „pulsním“ DAC se srovnatelnými vlastnostmi. Nicméně v Hi-End produktech se často dává přednost starým vícebitovým DAC před novými řešeními s technicky lepšími vlastnostmi.

Pulzní DAC

Koncem 70. let se rozšířila alternativní verze DAC založených na "pulzní" architektuře - "delta-sigma". Technologie Pulse DAC umožnila vznik ultrarychlých přepínačů a umožnila použití vysoké nosné frekvence.

Amplituda signálu je průměrná hodnota amplitud pulsů (pulzy stejné amplitudy jsou zobrazeny zeleně a konečná zvuková vlna je zobrazena bíle).

Například sekvence osmi hodinových cyklů po pěti pulzech poskytne průměrnou amplitudu (1 + 1 + 1 + 0 + 0 + 1 + 1 + 0) / 8 = 0,625. Čím vyšší je nosná frekvence, tím více pulzů bude vyhlazeno a tím přesnější bude amplituda. To umožnilo prezentovat audio stream v jednobitové podobě s širokým dynamickým rozsahem.

Průměrování lze provést pomocí běžného analogového filtru, a pokud je taková sada impulsů aplikována přímo na reproduktor, pak na výstupu dostaneme zvuk a ultra vysoké frekvence nebudou reprodukovány kvůli velké setrvačnosti emitoru. Na tomto principu pracují PWM zesilovače ve třídě D, kde hustota energie pulzů není vytvářena jejich počtem, ale délkou trvání každého pulzu (což je jednodušší na implementaci, ale nelze to popsat jednoduchým binárním kódem).

Vícebitový DAC si lze představit jako tiskárnu schopnou nanášet barvy pomocí inkoustů pantone. Delta-Sigma je inkoustová tiskárna s omezenou sadou barev, ale díky možnosti nanášení velmi malých bodů (ve srovnání s paroží) díky různé hustotě bodů na jednotku plochy dává více odstínů.

V obraze většinou nevidíme kvůli malému rozlišení oka jednotlivé body, ale pouze střední tón. Stejně tak ucho neslyší impulsy odděleně.

V konečném důsledku se současnými technologiemi v pulzních DAC můžete získat vlnu blízkou té, která by teoreticky měla být získána při aproximaci mezilehlých souřadnic.

Je třeba poznamenat, že poté, co se objevil delta-sigma DAC, zmizela naléhavost nakreslit „digitální vlnu“ s kroky, protože takže moderní DAC nevybudují vlnu s kroky. Správně sestrojte diskrétní signál s body spojenými hladkou čarou.

Je přepínání DAC ideální?

V praxi ale není vše bez mráčku a problémů a omezení je celá řada.

Protože drtivé množství záznamů je uloženo ve vícebitovém signálu, pak převod na pulzní signál podle principu „bit-za-bit“ vyžaduje zbytečně vysokou nosnou frekvenci, kterou moderní DAC nepodporují.

Hlavní funkcí moderních pulzních DAC je převést vícebitový signál na jednobitový s relativně nízkou nosnou frekvencí s decimací dat. V zásadě jsou to tyto algoritmy, které určují konečnou kvalitu zvuku impulsních DAC.

Aby se snížil problém s vysokou nosnou frekvencí, je zvukový tok rozdělen do několika jednobitových toků, kde každý tok je zodpovědný za svou vlastní skupinu výbojů, což je ekvivalentní vícenásobnému zvýšení nosné frekvence počtu toků. . Tyto DAC se nazývají multibitové delta-sigma DAC.

Pulzní DAC dnes získaly druhý dech ve vysokorychlostních čipech pro všeobecné použití v produktech NAD a Chord díky schopnosti flexibilně programovat konverzní algoritmy.

formát DSD

Po širokém použití delta-sigma DAC bylo celkem logické, že se formát binárního kódu objevil přímo v delta-sigma kódování. Tento formát se nazývá DSD (Direct Stream Digital).

Formát nebyl široce používán z několika důvodů. Úpravy souborů v tomto formátu se ukázaly jako zbytečně omezené: nelze mixovat streamy, upravovat hlasitost a aplikovat ekvalizaci. To znamená, že bez ztráty kvality můžete archivovat pouze analogové nahrávky a pořizovat dvoumikrofonní záznam živých vystoupení bez dalšího zpracování. Jedním slovem, nemůžete opravdu vydělat peníze.

V boji proti pirátství nebyly SA-CD podporovány (a dosud nejsou podporovány) počítači, což jim brání ve vytváření kopií. Žádné kopie – žádné obecné publikum. Zvukový obsah DSD bylo možné přehrávat pouze ze samostatného SA-CD přehrávače ze značkového disku. Pokud pro formát PCM existuje standard SPDIF pro digitální přenos dat ze zdroje do samostatného DAC, pak neexistuje žádný standard pro formát DSD a první pirátské kopie SA-CD disků byly digitalizovány z analogových výstupů SA -CD přehrávače (situace se sice zdá hloupá, ale ve skutečnosti byly některé nahrávky vydány pouze na SA-CD, nebo byla stejná nahrávka na Audio-CD speciálně vyrobena špatně pro propagaci SA-CD).

Zlom nastal s uvedením herních konzolí SONY, kde se SA-CD disk před přehráváním automaticky zkopíroval na pevný disk konzole. Toho využili příznivci formátu DSD. Nástup pirátských nahrávek podnítil trh k vydání samostatných DAC pro přehrávání DSD streamů. Většina externích DAC s podporou DSD dnes podporuje USB přenos dat pomocí formátu DoP jako samostatné kódování digitálního signálu přes SPDIF.

Nosné frekvence pro DSD jsou relativně malé, 2,8 a 5,6 MHz, ale tento audio stream nevyžaduje žádné decimační převody a je docela konkurenceschopný s formáty s vysokým rozlišením, jako je DVD-Audio.

Neexistuje jednoznačná odpověď na otázku, co je lepší, DSP nebo PCM. Vše stojí na kvalitě implementace konkrétního DAC a talentu zvukaře při nahrávání finálního souboru.

Obecný závěr

Analogový zvuk je to, co slyšíme a vnímáme jako svět kolem nás očima. Digitální zvuk je soubor souřadnic, které popisují zvukovou vlnu a kterou nemůžeme přímo slyšet, aniž bychom ji převedli na analogový signál.

Analogový signál nahraný přímo na zvukovou pásku nebo vinyl nelze znovu nahrát bez ztráty kvality, zatímco vlnu v digitální podobě lze zkopírovat kousek po kousku.

Formáty digitálního záznamu jsou neustálým kompromisem mezi přesností souřadnic a velikostí souboru a jakýkoli digitální signál je pouze přiblížením původního analogového signálu. Současně však různé úrovně technologií pro záznam a reprodukci digitálního signálu a ukládání na média pro analogový signál poskytují více výhod digitální reprezentaci signálu, podobně jako u digitálního fotoaparátu oproti filmovému fotoaparátu.