Un segnale analogico è un segnale di dati in cui ciascuno dei parametri rappresentativi è descritto da una funzione del tempo e da un insieme continuo di possibili valori.

Ci sono due spazi dei segnali: lo spazio L (segnali continui) e lo spazio l (L è piccolo) - lo spazio delle sequenze. Lo spazio l (L è piccolo) è lo spazio dei coefficienti di Fourier (un insieme numerabile di numeri che definiscono una funzione continua su un intervallo finito del dominio di definizione), lo spazio L è lo spazio dei segnali continui (analogici) sul dominio di definizione. In determinate condizioni, lo spazio L è mappato in modo univoco allo spazio l (ad esempio, i primi due teoremi di discretizzazione di Kotelnikov).

I segnali analogici sono descritti da funzioni continue del tempo, quindi segnale analogico a volte indicato come segnale acustico continuo. I segnali analogici sono opposti a quelli discreti (quantizzati, digitali). Esempi di spazi continui e corrispondenti grandezze fisiche:

diretto: tensione elettrica

circonferenza: la posizione del rotore, della ruota, degli ingranaggi, delle lancette dell'orologio analogico o della fase del segnale portante

segmento: posizione del pistone, leva di comando, termometro liquido o segnale elettrico, limitato in ampiezza vari spazi multidimensionali: colore, segnale modulato in quadratura.

Le proprietà dei segnali analogici sono in gran parte l'opposto di quelle dei segnali quantizzati o digitali.

La mancanza di livelli di segnale chiaramente distinguibili l'uno dall'altro porta all'impossibilità di applicare il concetto di informazione alla sua descrizione nella forma così come è intesa nelle tecnologie digitali. La "quantità di informazioni" contenuta in un campione sarà limitata solo dalla gamma dinamica dello strumento di misura.

Nessuna ridondanza. Dalla continuità dello spazio dei valori ne consegue che qualsiasi interferenza introdotta nel segnale è indistinguibile dal segnale stesso e, quindi, l'ampiezza originaria non può essere ripristinata. Infatti, il filtraggio è possibile, ad esempio, con metodi in frequenza, se sono note informazioni aggiuntive sulle proprietà di questo segnale (in particolare, la banda di frequenza).

Applicazione:

I segnali analogici sono spesso usati per rappresentare grandezze fisiche in continua evoluzione. Ad esempio, un segnale elettrico analogico prelevato da una termocoppia trasporta informazioni sui cambiamenti di temperatura, un segnale da un microfono - sui rapidi cambiamenti di pressione in un'onda sonora, ecc.

2.2 Segnale digitale

Il segnale digitale è un segnale di dati in cui ciascuno dei parametri rappresentativi è descritto da una funzione temporale discreta e da un insieme finito di possibili valori.

I segnali sono impulsi elettrici o luminosi discreti. Con questo metodo, l'intera capacità del canale di comunicazione viene utilizzata per trasmettere un segnale. Il segnale digitale utilizza l'intera larghezza di banda del cavo. La larghezza di banda è la differenza tra la frequenza massima e minima che può essere trasmessa sul cavo. Ciascun dispositivo in tali reti invia dati in entrambe le direzioni e alcuni possono ricevere e trasmettere contemporaneamente. I sistemi in banda base trasmettono i dati come segnale digitale di una singola frequenza.

Un segnale digitale discreto è più difficile da trasmettere su lunghe distanze rispetto a un segnale analogico, quindi è pre-modulato lato trasmettitore e demodulato lato ricevitore. L'uso di algoritmi per il controllo e il ripristino delle informazioni digitali nei sistemi digitali può aumentare significativamente l'affidabilità della trasmissione delle informazioni.

Commento. Va tenuto presente che un vero segnale digitale è analogico per sua natura fisica. A causa del rumore e delle variazioni dei parametri delle linee di trasmissione, presenta fluttuazioni di ampiezza, fase/frequenza (jitter), polarizzazione. Ma questo segnale analogico (impulso e discreto) è dotato delle proprietà di un numero. Di conseguenza, diventa possibile utilizzare metodi numerici per la sua elaborazione (elaborazione computerizzata).

La persona media non pensa alla natura dei segnali, ma a volte è necessario pensare alla differenza tra trasmissioni o formati analogici e digitali. Per impostazione predefinita, le tecnologie analogiche sono considerate un ricordo del passato e saranno presto completamente sostituite da quelle digitali. Vale la pena sapere a cosa stiamo rinunciando per il bene delle nuove tendenze.

Segnale analogico- un segnale di dati descritto da funzioni continue del tempo, ovvero la sua ampiezza di oscillazione può assumere qualsiasi valore entro il massimo.

Segnale digitale- un segnale di dati descritto da funzioni discrete del tempo, cioè l'ampiezza delle oscillazioni assume valori solo rigorosamente definiti.

In pratica, questo ci permette di dire che il segnale analogico è accompagnato da una grande quantità di rumore, mentre il segnale digitale li filtra con successo. Quest'ultimo è in grado di ripristinare i dati originali. Inoltre, un segnale analogico continuo spesso trasporta molte informazioni non necessarie, il che porta alla sua ridondanza: è possibile trasmettere diversi segnali digitali invece di un segnale analogico.

Se parliamo di televisione, ed è questa sfera che preoccupa la maggior parte dei consumatori con il suo passaggio al "digitale", allora il segnale analogico può essere considerato completamente obsoleto. Tuttavia, finora, i segnali analogici vengono ricevuti da qualsiasi apparecchiatura destinata a questo e il digitale ne richiede uno speciale. Vero, con la diffusione dei "numeri" TV analogiche sempre meno e la domanda per loro sta diminuendo drasticamente.

Un'altra caratteristica importante del segnale è la sicurezza. A questo proposito, l'analogico dimostra completa indifesa contro influenze o intrusioni dall'esterno. Quello digitale viene criptato assegnandogli un codice da impulsi radio, in modo da escludere qualsiasi interferenza. È difficile trasmettere segnali digitali su lunghe distanze, pertanto viene utilizzato uno schema di modulazione-demodulazione.

Conclusioni sito

1. Il segnale analogico è continuo, il segnale digitale è discreto.
2. Quando si trasmette un segnale analogico, il rischio di intasare il canale con rumore è maggiore.
3. Il segnale analogico è ridondante.
4. Il segnale digitale filtra il rumore e recupera i dati originali.
5. Il segnale digitale viene trasmesso crittografato.
6. È possibile inviare più segnali digitali invece di un segnale analogico.

Il consumatore medio non ha bisogno di sapere quale sia la natura dei segnali. Ma a volte è necessario conoscere la differenza tra formati analogici e digitali per affrontare la scelta di questa o quell'opzione ad occhi aperti, perché oggi si dice che il tempo delle tecnologie analogiche sia passato, vengono sostituite da quelle digitali . Dovresti capire la differenza per sapere cosa stiamo lasciando e cosa aspettarci.

Segnale analogicoè un segnale continuo con un numero infinito di dati vicino al valore massimo, tutti i cui parametri sono descritti da una variabile dipendente dal tempo.

Segnale digitale- questo è un segnale separato, descritto da una funzione separata del tempo, rispettivamente, in ogni momento, l'ampiezza dell'ampiezza del segnale ha un valore strettamente definito.

La pratica ha dimostrato che con i segnali analogici sono possibili interferenze che possono essere eliminate con un segnale digitale. Inoltre, il digitale può recuperare i dati originali. Con un segnale analogico continuo passano molte informazioni, spesso non necessarie. Invece di un analogico, possono essere trasmessi diversi digitali.

Oggi, il consumatore è interessato alla questione della televisione, poiché è in questo contesto che la frase "transizione a segnale digitale". In questo caso, l'analogico può essere considerato una reliquia del passato, ma è proprio questo che è accettato dalla tecnologia esistente e per la ricezione digitale è necessaria una speciale. Naturalmente, in connessione con l'emergere e l'espansione dell'uso dei "numeri", stanno perdendo la loro precedente popolarità.

Vantaggi e svantaggi dei tipi di segnale

La sicurezza svolge un ruolo importante nella valutazione dei parametri di un particolare segnale. Varie influenze, intrusioni rendono indifeso il segnale analogico. Con il digitale questo è escluso, in quanto codificato da impulsi radio. Per lunghe distanze, la trasmissione di segnali digitali è complicata, è necessario utilizzare schemi di modulazione-demodulazione.

Riassumendo, possiamo dire che differenze tra segnale analogico e digitale consiste in:

• Nella continuità dell'analogico e nella discrezione del digitale;
• È più probabile che interferisca con la trasmissione analogica;
• La ridondanza del segnale analogico;
• Nella capacità di filtrare digitalmente il rumore e recuperare le informazioni originali;
• Nella trasmissione di un segnale digitale in forma codificata. Un segnale analogico viene sostituito da diversi segnali digitali.

Molto spesso sentiamo definizioni come segnale "digitale" o "discreto", in cosa differisce da "analogico"?

La differenza è che il segnale analogico è continuo nel tempo (linea blu), mentre il segnale digitale è costituito da un insieme limitato di coordinate (punti rossi). Se tutto è ridotto a coordinate, allora qualsiasi segmento di un segnale analogico è costituito da un numero infinito di coordinate.

Per un segnale digitale, le coordinate lungo l'asse orizzontale si trovano ad intervalli regolari, in accordo con la frequenza di campionamento. Nel comune formato Audio-CD, questo è 44.100 punti al secondo. Verticalmente, la precisione dell'altezza delle coordinate corrisponde alla capacità in cifre del segnale digitale, per 8 bit è 256 livelli, per 16 bit = 65536 e per 24 bit = 16777216 livelli. Maggiore è la profondità di bit (numero di livelli), più le coordinate verticali si avvicinano all'onda originale.

Le sorgenti analogiche sono nastri in vinile e audio. Le sorgenti digitali sono: CD-Audio, DVD-Audio, SA-CD (DSD) e file nei formati WAVE e DSD (compresi derivati ​​di APE, Flac, Mp3, Ogg, ecc.).

Vantaggi e svantaggi del segnale analogico

Il vantaggio del segnale analogico è che è nella forma analogica che percepiamo il suono con le nostre orecchie. E sebbene il nostro sistema uditivo converta il flusso sonoro percepito in forma digitale e lo trasferisce in questa forma al cervello, la scienza e la tecnologia non hanno ancora raggiunto la possibilità di collegare giocatori e altre sorgenti sonore direttamente in questa forma. Tale ricerca è ora condotta attivamente per le persone con disabilità e ci piace esclusivamente il suono analogico.

Lo svantaggio di un segnale analogico è la capacità di memorizzare, trasmettere e replicare il segnale. Quando si registra su nastro o vinile, la qualità del segnale dipenderà dalle proprietà del nastro o del vinile. Nel tempo, il nastro si smagnetizza e la qualità del segnale registrato si deteriora. Ogni lettura distrugge gradualmente il supporto e la riscrittura introduce ulteriore distorsione, in cui ulteriori deviazioni vengono aggiunte dal supporto successivo (nastro o vinile), dispositivi per leggere, registrare e trasmettere un segnale.

Fare una copia di un segnale analogico è come fare un'altra fotografia per copiare una fotografia.

Vantaggi e svantaggi di un segnale digitale

I vantaggi di un segnale digitale includono la precisione durante la copia e la trasmissione di un flusso audio, in cui l'originale non è diverso dalla copia.

Lo svantaggio principale può essere considerato che il segnale digitale è uno stadio intermedio e l'accuratezza del segnale analogico finale dipenderà da quanto dettagliate e accurate verranno descritte le coordinate dell'onda sonora. È abbastanza logico che più punti ci sono e più precise sono le coordinate, più precisa sarà l'onda. Ma non c'è ancora consenso su quante coordinate e accuratezza dei dati siano sufficienti per dire che la rappresentazione digitale del segnale è sufficiente per ricostruire con precisione il segnale analogico, indistinguibile dall'originale alle nostre orecchie.

In termini di volumi di dati, la capacità di una cassetta audio analogica convenzionale è solo di circa 700-1,1 MB, mentre un normale CD contiene 700 MB. Ciò fornisce un'indicazione della necessità di supporti ad alta capacità. E questo dà origine a una guerra separata di compromessi con requisiti diversi per il numero di punti descrittivi e l'accuratezza delle coordinate.

Oggi si ritiene abbastanza sufficiente rappresentare un'onda sonora con una frequenza di campionamento di 44,1 kHz e una profondità di 16 bit. Con una frequenza di campionamento di 44,1 kHz, puoi recuperare fino a 22 kHz. Come mostrano gli studi psicoacustici, un ulteriore aumento della frequenza di campionamento è poco evidente, ma un aumento della profondità di bit dà un miglioramento soggettivo.

Come i DAC costruiscono l'onda

Un DAC è un convertitore digitale-analogico, un elemento che converte il suono digitale in analogico. Daremo una rapida occhiata ai principi di base. Se i commenti mostrano interesse a considerare una serie di punti in modo più dettagliato, verrà rilasciato un materiale separato.

DAC multibit

Molto spesso, l'onda viene presentata sotto forma di gradini, a causa dell'architettura della prima generazione di DAC R-2R multibit, che funzionano in modo simile a un interruttore da un relè.

L'ingresso DAC riceve il valore della coordinata successiva lungo la verticale e in ciascuno dei suoi cicli commuta il livello di corrente (tensione) al livello corrispondente fino al prossimo cambiamento.

Sebbene si ritenga che l'orecchio umano non senta più di 20 kHz e, secondo la teoria di Nyquist, sia possibile ripristinare un segnale fino a 22 kHz, rimane la questione della qualità di questo segnale dopo il ripristino. Nella regione delle alte frequenze, la forma dell'onda "a gradino" risultante è solitamente lontana da quella originale. Il modo più semplice per uscire dalla situazione è aumentare la frequenza di campionamento durante la registrazione, ma ciò porta a un aumento significativo e indesiderato delle dimensioni del file.

Un'opzione alternativa consiste nell'aumentare artificialmente la frequenza di campionamento durante la riproduzione nel DAC aggiungendo valori intermedi. Quelli. rappresentiamo il percorso di un'onda continua (grigio linea tratteggiata), collegando dolcemente le coordinate originali (punti rossi) e aggiungi punti intermedi su questa linea (viola scuro).

Quando si aumenta la frequenza di campionamento, di solito è necessario aumentare la profondità di bit in modo che le coordinate siano più vicine all'onda approssimata.

Grazie alle coordinate intermedie è possibile ridurre i "passi" e costruire l'onda più vicina all'originale.

Quando vedi una funzione boost da 44,1 a 192 kHz in un lettore o DAC esterno, è una funzione per aggiungere coordinate intermedie, non ripristinare o creare suoni nella regione sopra i 20 kHz.

Inizialmente, questi erano microcircuiti SRC separati prima del DAC, che poi sono migrati direttamente ai microcircuiti DAC stessi. Oggi puoi trovare soluzioni in cui un tale microcircuito viene aggiunto ai moderni DAC, questo viene fatto per fornire un'alternativa agli algoritmi integrati nel DAC e talvolta ottenere ancora di più miglior suono(come ad esempio è fatto in Hidizs AP100).

Il principale rifiuto nel settore dei DAC multi-bit si è verificato a causa dell'impossibilità di un ulteriore sviluppo tecnologico degli indicatori di qualità con le attuali tecnologie di produzione e un costo più elevato rispetto ai DAC "a impulsi" con caratteristiche comparabili. Tuttavia, nei prodotti Hi-End si dà spesso la preferenza a vecchi DAC multi-bit, piuttosto che a nuove soluzioni con caratteristiche tecnicamente migliori.

DAC a impulsi

Alla fine degli anni '70, si diffuse una versione alternativa di DAC basata su un'architettura "a impulsi" - "delta-sigma". La tecnologia Pulse DAC ha reso possibile l'emergere di interruttori ultraveloci e ha permesso l'uso di un'alta frequenza portante.

L'ampiezza del segnale è il valore medio delle ampiezze dell'impulso (gli impulsi di uguale ampiezza sono mostrati in verde e l'onda sonora finale è mostrata in bianco).

Ad esempio, una sequenza di otto cicli di clock di cinque impulsi darà un'ampiezza media (1 + 1 + 1 + 0 + 0 + 1 + 1 + 0) / 8 = 0,625. Maggiore è la frequenza della portante, più impulsi verranno livellati e più precisa sarà l'ampiezza. Ciò ha permesso di presentare il flusso audio in forma di un bit con un'ampia gamma dinamica.

La media può essere eseguita come al solito filtro analogico e se un tale insieme di impulsi viene applicato direttamente all'altoparlante, allora all'uscita otterremo il suono e ultra alte frequenze non verrà riprodotto a causa della grande inerzia dell'emettitore. Gli amplificatori PWM in classe D funzionano secondo questo principio, dove la densità di energia degli impulsi è creata non dal loro numero, ma dalla durata di ciascun impulso (che è più facile da implementare, ma non può essere descritta con un semplice codice binario).

Un DAC multi-bit può essere pensato come una stampante in grado di applicare il colore con inchiostri pantone. Delta-Sigma è una stampante a getto d'inchiostro con un set di colori limitato, ma grazie alla capacità di applicare punti molto piccoli (rispetto a una stampante antler), a causa della diversa densità di punti per unità di superficie, dà più sfumature.

Nell'immagine, di solito non vediamo i singoli punti a causa della bassa risoluzione dell'occhio, ma solo il tono medio. Allo stesso modo, l'orecchio non sente gli impulsi separatamente.

In definitiva, con le attuali tecnologie nei DAC a impulsi, è possibile ottenere un'onda vicina a quella che teoricamente dovrebbe essere ottenuta quando si approssimano le coordinate intermedie.

Va notato che dopo la comparsa del DAC delta-sigma, l'urgenza di disegnare un'"onda digitale" con passaggi è scomparsa, poiché quindi i DAC moderni non creano un'onda con i passaggi. Costruire correttamente un segnale discreto con punti collegati da una linea liscia.

I DAC di commutazione sono l'ideale?

Ma in pratica, non tutto è senza nuvole e ci sono una serie di problemi e limitazioni.

Perché il numero schiacciante di record viene memorizzato in un segnale multi-bit, quindi la conversione in un segnale a impulsi secondo il principio "bit per bit" richiede una frequenza portante inutilmente elevata, che i moderni DAC non supportano.

La funzione principale dei moderni DAC a impulsi è convertire un segnale multi-bit in uno a un bit con una frequenza portante relativamente bassa con decimazione dei dati. Fondamentalmente, sono questi algoritmi che determinano la qualità del suono finale dei DAC a impulsi.

Per ridurre il problema di un'alta frequenza portante, il flusso audio viene suddiviso in più flussi da un bit, in cui ogni flusso è responsabile del proprio gruppo di scarica, che equivale a un aumento multiplo della frequenza portante del numero di flussi . Questi DAC sono chiamati DAC delta-sigma multi-bit.

I DAC a impulsi hanno ricevuto oggi un secondo vento nei microcircuiti ad alta velocità. scopo generale nei prodotti delle società NAD e Chord grazie alla capacità di programmare in modo flessibile algoritmi di trasformazione.

Formato DSD

Dopo l'uso diffuso di DAC delta-sigma, l'aspetto del formato di registrazione era abbastanza logico. codice binario codificato direttamente delta-sigma. Questo formato è chiamato DSD (Direct Stream Digital).

Il formato non è stato ampiamente utilizzato per diversi motivi. La modifica dei file in questo formato si è rivelata inutilmente limitata: non è possibile mescolare i flussi, regolare il volume e applicare l'equalizzazione. Ciò significa che, senza perdita di qualità, è possibile archiviare solo registrazioni analogiche ed eseguire una registrazione a due microfoni di esibizioni dal vivo senza ulteriori elaborazioni. In una parola, non puoi davvero fare soldi.

Nella lotta contro la pirateria, i CD SA non sono stati supportati (e non sono supportati fino ad ora) dai computer, il che impedisce loro di fare copie. Nessuna copia - nessun pubblico generale. Era possibile riprodurre contenuti audio DSD solo da un lettore SA-CD separato da un disco di marca. Se per il formato PCM esiste uno standard SPDIF per la trasmissione digitale di dati da una sorgente a un DAC separato, allora non esiste uno standard per il formato DSD e le prime copie piratate dei dischi SA-CD sono state digitalizzate dalle uscite analogiche di SA - Lettori CD (sebbene la situazione sembri stupida, ma in realtà alcune registrazioni sono state pubblicate solo su SA-CD, oppure la stessa registrazione su Audio-CD è stata fatta appositamente male per promuovere SA-CD).

La svolta è avvenuta con l'uscita delle console di gioco SONY, dove il SA-CD è stato automaticamente copiato su disco fisso prefissi. I fan del formato DSD ne hanno approfittato. L'avvento delle registrazioni piratate ha stimolato il mercato a rilasciare DAC separati per la riproduzione di flussi DSD. La maggior parte dei DAC esterni con supporto DSD oggi supporta il trasferimento di dati USB utilizzando il formato DoP come codifica del segnale digitale separata su SPDIF.

Le frequenze portanti per DSD sono relativamente piccole, 2,8 e 5,6 MHz, ma questo flusso audio non richiede alcuna conversione di decimazione ed è abbastanza competitivo con i formati ad alta definizione come DVD-Audio.

Non esiste una risposta definitiva alla domanda su quale sia il migliore, DSP o PCM. Tutto si basa sulla qualità dell'implementazione di un DAC specifico e sul talento del tecnico del suono durante la registrazione del file finale.

Conclusione generale

Il suono analogico è ciò che ascoltiamo e percepiamo come il mondo che ci circonda con i nostri occhi. Il suono digitale è un insieme di coordinate che descrivono un'onda sonora e che non possiamo ascoltare direttamente senza convertirla in un segnale analogico.

Un segnale analogico registrato direttamente su un nastro audio o un vinile non può essere riregistrato senza perdita di qualità, mentre un'onda in forma digitale può essere copiata bit per bit.

I formati di registrazione digitale sono un compromesso costante tra la quantità di precisione delle coordinate rispetto alla dimensione del file e qualsiasi segnale digitale è solo un'approssimazione al segnale analogico originale. Tuttavia, allo stesso tempo, diversi livelli di tecnologie per la registrazione e la riproduzione di un segnale digitale e la memorizzazione su supporto per un segnale analogico offrono maggiori vantaggi a una rappresentazione digitale del segnale, simile a una fotocamera digitale rispetto a una cinepresa.

Lezione 4. Metodi di comunicazione di rete.

Metodi di comunicazione di rete

Segnali

Come accennato in precedenza, ci sono molti modi per creare e trasmettere fisicamente un segnale, gli impulsi elettrici possono viaggiare attraverso il filo di rame, gli impulsi luminosi attraverso le fibre di vetro o di plastica, i segnali radio vengono trasmessi attraverso l'aria e gli impulsi laser vengono trasmessi nell'infrarosso o nel visibile La conversione di uno e zero che rappresentano i dati in un computer, in impulsi di energia è chiamata codifica (modulazione).

Analogamente alla classificazione delle reti di computer, i segnali possono essere classificati in base alle loro varie caratteristiche. I segnali sono i seguenti:

analogico e digitale,

modulato e modulato,

sincrono e asincrono,

simplex, half-duplex, duplex e multiplex

Segnali analogici e digitali

A seconda della forma della tensione elettrica (che può essere vista sullo schermo dell'oscilloscopio), i segnali sono divisi in analogici e digitali Molto probabilmente, hai già familiarità con questi termini, poiché si trovano abbastanza spesso nella documentazione di varie apparecchiature elettroniche , come registratori, televisori, telefoni, ecc. ecc.

In un certo senso, le apparecchiature analogiche rappresentano l'era in uscita della tecnologia elettronica e le apparecchiature digitali sono le più recenti che stanno per sostituirle. Tieni presente, tuttavia, che un tipo di segnale non può essere migliore di un altro. Ognuno di loro ha i suoi vantaggi e svantaggi, così come le sue aree di applicazione. Sebbene i segnali digitali siano utilizzati sempre più ampiamente, non sostituiranno mai l'analogico.

Parametri del segnale analogico

I segnali analogici cambiano in modo uniforme e continuo nel tempo, quindi possono essere rappresentati graficamente come una curva uniforme (Fig. 4.1).

In natura, la stragrande maggioranza dei processi è fondamentalmente analogica. Ad esempio, il suono è una variazione della pressione dell'aria che può essere convertita in tensione elettrica utilizzando un microfono. Applicando questa tensione all'ingresso dell'oscilloscopio, si può vedere un grafico simile a quello mostrato in Fig. 4.1, cioè puoi tracciare come cambia la pressione dell'aria nel tempo.

Per una migliore idea delle informazioni analogiche, pensa a un tradizionale tachimetro in auto. All'aumentare della velocità del veicolo, l'ago si sposta dolcemente su una scala da un numero all'altro. Un altro esempio è la sintonizzazione di una stazione nel ricevitore radio: quando si ruota la manopola, la frequenza ricevuta cambia in modo graduale.

La maggior parte dei segnali analogici sono ciclici o periodici, come le onde radio, che sono oscillazioni ad alta frequenza di un campo elettromagnetico. Tali segnali analogici ciclici sono generalmente caratterizzati da tre parametri.

Ampiezza. Il valore massimo o minimo del segnale, ad es. altezza d'onda.

Frequenza. Il numero di variazioni cicliche del segnale al secondo. La frequenza è misurata in hertz (Hz); 1 Hz è un ciclo al secondo.

Fase. La posizione di un'onda rispetto a un'altra onda o rispetto a un certo punto nel tempo che funge da punto di riferimento. La fase viene solitamente misurata in gradi e si ritiene che il ciclo completo sia di 360 gradi.

Parametri del segnale digitale

Un altro nome per i segnali digitali è discreto.Molto spesso si incontra il termine stati discreti.I segnali digitali cambiano da uno stato discreto all'altro quasi istantaneamente, senza fermarsi negli stati intermedi (Fig. 4.2).

Un esempio di segnale digitale potrebbe essere la lettura sull'ultimo tachimetro digitale di un'auto (confronta con l'esempio del tachimetro analogico nella sezione precedente). Quando la velocità del veicolo aumenta, i numeri che mostrano la velocità in chilometri orari cambiano a salti e il valore del segnale è principalmente discreto: ad esempio, non esistono valori intermedi tra gli stati discreti "125 km/h" e "126 km/h". Un altro esempio di informazione digitale è una radio di ultima generazione, in cui l'utente inserisce un numero esatto pari alla frequenza della stazione radio per sintonizzarsi su una stazione specifica.

I circuiti digitali sono la disciplina più importante studiata in tutte le istituzioni educative superiori e secondarie che formano specialisti in elettronica. Anche un vero radioamatore dovrebbe essere esperto in questa materia. Ma la maggior parte dei libri e aiuti per l'insegnamento scritto in una lingua molto difficile da capire, e sarà difficile per un ingegnere elettronico principiante (possibilmente uno scolaro) padroneggiare nuova informazione... Una serie di nuovi materiali didattici di Master Kit è pensata per colmare questa lacuna: nei nostri articoli i concetti complessi sono descritti con le parole più semplici.

8.1. Segnali analogici e digitali

Per prima cosa devi capire come i circuiti analogici generalmente differiscono da quelli digitali. E la differenza principale sta nei segnali con cui funzionano questi circuiti.
Tutti i segnali possono essere suddivisi in due tipi principali: analogici e digitali.

Segnali analogici

I segnali analogici ci sono più familiari. Possiamo dire che l'intero mondo naturale che ci circonda è analogico. La nostra vista e l'udito, così come tutti gli altri organi di senso, percepiscono le informazioni in arrivo in forma analogica, cioè continuamente nel tempo. Trasmissione di informazioni sonore: il linguaggio umano, i suoni degli strumenti musicali, il ruggito degli animali, i suoni della natura, ecc. - effettuato anche in forma analogica.
Per capire ancora meglio questo problema, disegniamo un segnale analogico (Fig. 1):

Fig. 1. Segnale analogico

Vediamo che il segnale analogico è continuo nel tempo e in ampiezza. In qualsiasi momento è possibile determinare il valore esatto dell'ampiezza del segnale analogico.

Segnali digitali

Analizziamo l'ampiezza del segnale non costantemente, ma discretamente, a intervalli fissi. Ad esempio, una volta al secondo, o più spesso: dieci volte al secondo. La frequenza con cui lo facciamo si chiama frequenza di campionamento: una volta al secondo - 1 Hz, mille volte al secondo - 1000 Hz o 1 kHz.

Per chiarezza, tracciamo i grafici dei segnali analogici (in alto) e digitali (in basso) (Fig. 2):

figura 2. Segnale analogico (in alto) e copia digitale (in basso)

Vediamo che in ogni periodo di tempo istantaneo è possibile conoscere il valore digitale istantaneo dell'ampiezza del segnale. Cosa succede al segnale (in base a quale legge cambia, qual è la sua ampiezza) tra gli intervalli di "controllo", non lo sappiamo, questa informazione ci è persa. Meno spesso controlliamo il livello del segnale (più bassa è la frequenza di campionamento), meno informazioni abbiamo sul segnale. Naturalmente è vero anche il contrario: maggiore è la frequenza di campionamento, maggiore è il qualità migliore presentazione del segnale Al limite, aumentando la frequenza di campionamento all'infinito, otteniamo praticamente lo stesso segnale analogico.
Questo significa che il segnale analogico è comunque migliore di quello digitale? In teoria forse sì. Ma in pratica, i moderni convertitori analogico-digitale (ADC) operano a una frequenza di campionamento così elevata (fino a diversi milioni di campioni al secondo), quindi descrivono un segnale analogico in forma digitale in modo così qualitativo che i sensi umani (occhi, orecchie ) non sente più la differenza tra il segnale originale e il suo modello digitale. Un segnale digitale ha un vantaggio molto significativo: è più facile trasmetterlo su cavi o onde radio, l'interferenza non influisce in modo significativo su tale segnale. Pertanto, tutto moderno connessione mobile, trasmissioni televisive e radiofoniche - digitali.

Il grafico inferiore in Fig. 2 può essere facilmente rappresentato in un'altra forma, come una lunga sequenza di una coppia di numeri: tempo / ampiezza. E i numeri sono esattamente ciò di cui hanno bisogno i circuiti digitali. Verità, circuiti digitali preferisco lavorare con i numeri in un modo speciale, ma ne parleremo nella prossima lezione.

Ora possiamo trarre importanti conclusioni:

Il segnale digitale è discreto, può essere determinato solo per determinati momenti nel tempo;
- maggiore è la frequenza di campionamento, migliore è l'accuratezza della rappresentazione del segnale digitale.

Un segnale analogico è un segnale di dati in cui ciascuno dei parametri rappresentativi è descritto da una funzione del tempo e da un insieme continuo di possibili valori.

Ci sono due spazi dei segnali: lo spazio L (segnali continui) e lo spazio l (L è piccolo) - lo spazio delle sequenze. Lo spazio l (L è piccolo) è lo spazio dei coefficienti di Fourier (un insieme numerabile di numeri che definiscono una funzione continua su un intervallo finito del dominio di definizione), lo spazio L è lo spazio dei segnali continui (analogici) sul dominio di definizione. In determinate condizioni, lo spazio L è mappato in modo univoco allo spazio l (ad esempio, i primi due teoremi di discretizzazione di Kotelnikov).

I segnali analogici sono descritti come funzioni continue del tempo, quindi un segnale analogico viene talvolta definito segnale continuo. I segnali analogici sono opposti a quelli discreti (quantizzati, digitali). Esempi di spazi continui e corrispondenti grandezze fisiche:

diretto: tensione elettrica

circonferenza: la posizione del rotore, della ruota, degli ingranaggi, delle lancette dell'orologio analogico o della fase del segnale portante

segmento: posizione del pistone, leva di comando, termometro liquido o segnale elettrico, limitato in ampiezza vari spazi multidimensionali: colore, segnale modulato in quadratura.

Le proprietà dei segnali analogici sono in gran parte l'opposto di quelle dei segnali quantizzati o digitali.

La mancanza di livelli di segnale chiaramente distinguibili l'uno dall'altro porta all'impossibilità di applicare il concetto di informazione alla sua descrizione nella forma così come è intesa nelle tecnologie digitali. La "quantità di informazioni" contenuta in un campione sarà limitata solo dalla gamma dinamica dello strumento di misura.

Nessuna ridondanza. Dalla continuità dello spazio dei valori ne consegue che qualsiasi interferenza introdotta nel segnale è indistinguibile dal segnale stesso e, quindi, l'ampiezza originaria non può essere ripristinata. Infatti, il filtraggio è possibile, ad esempio, con metodi in frequenza, se sono note informazioni aggiuntive sulle proprietà di questo segnale (in particolare, la banda di frequenza).

Applicazione:

I segnali analogici sono spesso usati per rappresentare grandezze fisiche in continua evoluzione. Ad esempio, un segnale elettrico analogico prelevato da una termocoppia trasporta informazioni sui cambiamenti di temperatura, un segnale da un microfono - sui rapidi cambiamenti di pressione in un'onda sonora, ecc.

2.2 Segnale digitale

Il segnale digitale è un segnale di dati in cui ciascuno dei parametri rappresentativi è descritto da una funzione temporale discreta e da un insieme finito di possibili valori.

I segnali sono impulsi elettrici o luminosi discreti. Con questo metodo, l'intera capacità del canale di comunicazione viene utilizzata per trasmettere un segnale. Il segnale digitale utilizza l'intera larghezza di banda del cavo. La larghezza di banda è la differenza tra la frequenza massima e minima che può essere trasmessa sul cavo. Ciascun dispositivo in tali reti invia dati in entrambe le direzioni e alcuni possono ricevere e trasmettere contemporaneamente. I sistemi in banda base trasmettono i dati come segnale digitale di una singola frequenza.

Un segnale digitale discreto è più difficile da trasmettere su lunghe distanze rispetto a un segnale analogico, quindi è pre-modulato lato trasmettitore e demodulato lato ricevitore. L'uso di algoritmi per il controllo e il ripristino delle informazioni digitali nei sistemi digitali può aumentare significativamente l'affidabilità della trasmissione delle informazioni.

Commento. Va tenuto presente che un vero segnale digitale è analogico per sua natura fisica. A causa del rumore e delle variazioni dei parametri delle linee di trasmissione, presenta fluttuazioni di ampiezza, fase/frequenza (jitter), polarizzazione. Ma questo segnale analogico (impulso e discreto) è dotato delle proprietà di un numero. Di conseguenza, diventa possibile utilizzare metodi numerici per la sua elaborazione (elaborazione computerizzata).

Molto spesso sentiamo definizioni come segnale "digitale" o "discreto", in cosa differisce da "analogico"?

La differenza è che il segnale analogico è continuo nel tempo (linea blu), mentre il segnale digitale è costituito da un insieme limitato di coordinate (punti rossi). Se tutto è ridotto a coordinate, allora qualsiasi segmento di un segnale analogico è costituito da un numero infinito di coordinate.

Per un segnale digitale, le coordinate lungo l'asse orizzontale si trovano ad intervalli regolari, in accordo con la frequenza di campionamento. Nel comune formato Audio-CD, questo è 44.100 punti al secondo. Verticalmente, la precisione dell'altezza delle coordinate corrisponde alla capacità in cifre del segnale digitale, per 8 bit è 256 livelli, per 16 bit = 65536 e per 24 bit = 16777216 livelli. Maggiore è la profondità di bit (numero di livelli), più le coordinate verticali si avvicinano all'onda originale.

Le sorgenti analogiche sono nastri in vinile e audio. Le sorgenti digitali sono: CD-Audio, DVD-Audio, SA-CD (DSD) e file nei formati WAVE e DSD (compresi derivati ​​di APE, Flac, Mp3, Ogg, ecc.).

Vantaggi e svantaggi del segnale analogico

Il vantaggio del segnale analogico è che è nella forma analogica che percepiamo il suono con le nostre orecchie. E sebbene il nostro sistema uditivo converta il flusso sonoro percepito in forma digitale e lo trasferisce in questa forma al cervello, la scienza e la tecnologia non hanno ancora raggiunto la possibilità di collegare giocatori e altre sorgenti sonore direttamente in questa forma. Tale ricerca è ora condotta attivamente per le persone con disabilità e ci piace esclusivamente il suono analogico.

Lo svantaggio di un segnale analogico è la capacità di memorizzare, trasmettere e replicare il segnale. Quando si registra su nastro o vinile, la qualità del segnale dipenderà dalle proprietà del nastro o del vinile. Nel tempo, il nastro si smagnetizza e la qualità del segnale registrato si deteriora. Ogni lettura distrugge gradualmente il supporto e la riscrittura introduce ulteriore distorsione, in cui ulteriori deviazioni vengono aggiunte dal supporto successivo (nastro o vinile), dispositivi per leggere, registrare e trasmettere un segnale.

Fare una copia di un segnale analogico è come fare un'altra fotografia per copiare una fotografia.

Vantaggi e svantaggi di un segnale digitale

I vantaggi di un segnale digitale includono la precisione durante la copia e la trasmissione di un flusso audio, in cui l'originale non è diverso dalla copia.

Lo svantaggio principale può essere considerato che il segnale digitale è uno stadio intermedio e l'accuratezza del segnale analogico finale dipenderà da quanto dettagliate e accurate verranno descritte le coordinate dell'onda sonora. È abbastanza logico che più punti ci sono e più precise sono le coordinate, più precisa sarà l'onda. Ma non c'è ancora consenso su quante coordinate e accuratezza dei dati siano sufficienti per dire che la rappresentazione digitale del segnale è sufficiente per ricostruire con precisione il segnale analogico, indistinguibile dall'originale alle nostre orecchie.

In termini di volumi di dati, la capacità di una cassetta audio analogica convenzionale è solo di circa 700-1,1 MB, mentre un normale CD contiene 700 MB. Ciò fornisce un'indicazione della necessità di supporti ad alta capacità. E questo dà origine a una guerra separata di compromessi con requisiti diversi per il numero di punti descrittivi e l'accuratezza delle coordinate.

Oggi si ritiene abbastanza sufficiente rappresentare un'onda sonora con una frequenza di campionamento di 44,1 kHz e una profondità di 16 bit. Con una frequenza di campionamento di 44,1 kHz, puoi recuperare fino a 22 kHz. Come mostrano gli studi psicoacustici, un ulteriore aumento della frequenza di campionamento è poco evidente, ma un aumento della profondità di bit dà un miglioramento soggettivo.

Come i DAC costruiscono l'onda

Un DAC è un convertitore digitale-analogico, un elemento che converte il suono digitale in analogico. Daremo una rapida occhiata ai principi di base. Se i commenti mostrano interesse a considerare una serie di punti in modo più dettagliato, verrà rilasciato un materiale separato.

DAC multibit

Molto spesso, l'onda viene presentata sotto forma di gradini, a causa dell'architettura della prima generazione di DAC R-2R multibit, che funzionano in modo simile a un interruttore da un relè.

L'ingresso DAC riceve il valore della coordinata successiva lungo la verticale e in ciascuno dei suoi cicli commuta il livello di corrente (tensione) al livello corrispondente fino al prossimo cambiamento.

Sebbene si ritenga che l'orecchio umano non senta più di 20 kHz e, secondo la teoria di Nyquist, sia possibile ripristinare un segnale fino a 22 kHz, rimane la questione della qualità di questo segnale dopo il ripristino. Nella regione delle alte frequenze, la forma dell'onda "a gradino" risultante è solitamente lontana da quella originale. Il modo più semplice per uscire dalla situazione è aumentare la frequenza di campionamento durante la registrazione, ma ciò porta a un aumento significativo e indesiderato delle dimensioni del file.

Un'opzione alternativa consiste nell'aumentare artificialmente la frequenza di campionamento durante la riproduzione nel DAC aggiungendo valori intermedi. Quelli. rappresentiamo il percorso di un'onda continua (linea tratteggiata grigia) che collega uniformemente le coordinate originali (punti rossi) e aggiungiamo punti intermedi su questa linea (viola scuro).

Quando si aumenta la frequenza di campionamento, di solito è necessario aumentare la profondità di bit in modo che le coordinate siano più vicine all'onda approssimata.

Grazie alle coordinate intermedie è possibile ridurre i "passi" e costruire l'onda più vicina all'originale.

Quando vedi una funzione boost da 44,1 a 192 kHz in un lettore o DAC esterno, è una funzione per aggiungere coordinate intermedie, non ripristinare o creare suoni nella regione sopra i 20 kHz.

Inizialmente, questi erano microcircuiti SRC separati prima del DAC, che poi sono migrati direttamente ai microcircuiti DAC stessi. Oggi puoi trovare soluzioni in cui un tale microcircuito viene aggiunto ai moderni DAC, questo viene fatto per fornire un'alternativa agli algoritmi integrati nel DAC e talvolta ottenere un suono ancora migliore (come, ad esempio, è fatto in Hidizs AP100).

Il principale rifiuto nel settore dei DAC multi-bit si è verificato a causa dell'impossibilità di un ulteriore sviluppo tecnologico degli indicatori di qualità con le attuali tecnologie di produzione e un costo più elevato rispetto ai DAC "a impulsi" con caratteristiche comparabili. Tuttavia, nei prodotti Hi-End si dà spesso la preferenza a vecchi DAC multi-bit, piuttosto che a nuove soluzioni con caratteristiche tecnicamente migliori.

DAC a impulsi

Alla fine degli anni '70, si diffuse una versione alternativa di DAC basata su un'architettura "a impulsi" - "delta-sigma". La tecnologia Pulse DAC ha reso possibile l'emergere di interruttori ultraveloci e ha permesso l'uso di un'alta frequenza portante.

L'ampiezza del segnale è il valore medio delle ampiezze dell'impulso (gli impulsi di uguale ampiezza sono mostrati in verde e l'onda sonora finale è mostrata in bianco).

Ad esempio, una sequenza di otto cicli di clock di cinque impulsi darà un'ampiezza media (1 + 1 + 1 + 0 + 0 + 1 + 1 + 0) / 8 = 0,625. Maggiore è la frequenza della portante, più impulsi verranno livellati e più precisa sarà l'ampiezza. Ciò ha permesso di presentare il flusso audio in forma di un bit con un'ampia gamma dinamica.

La media può essere eseguita con un normale filtro analogico e se un tale insieme di impulsi viene applicato direttamente all'altoparlante, otterremo il suono in uscita e le frequenze ultra alte non verranno riprodotte a causa della grande inerzia dell'emettitore. Gli amplificatori PWM in classe D funzionano secondo questo principio, dove la densità di energia degli impulsi è creata non dal loro numero, ma dalla durata di ciascun impulso (che è più facile da implementare, ma non può essere descritta con un semplice codice binario).

Un DAC multi-bit può essere pensato come una stampante in grado di applicare il colore con inchiostri pantone. Delta-Sigma è una stampante a getto d'inchiostro con un set di colori limitato, ma grazie alla capacità di applicare punti molto piccoli (rispetto a una stampante antler), a causa della diversa densità di punti per unità di superficie, dà più sfumature.

Nell'immagine, di solito non vediamo i singoli punti a causa della bassa risoluzione dell'occhio, ma solo il tono medio. Allo stesso modo, l'orecchio non sente gli impulsi separatamente.

In definitiva, con le attuali tecnologie nei DAC a impulsi, è possibile ottenere un'onda vicina a quella che teoricamente dovrebbe essere ottenuta quando si approssimano le coordinate intermedie.

Va notato che dopo la comparsa del DAC delta-sigma, l'urgenza di disegnare un'"onda digitale" con passaggi è scomparsa, poiché quindi i DAC moderni non creano un'onda con i passaggi. Costruire correttamente un segnale discreto con punti collegati da una linea liscia.

I DAC di commutazione sono l'ideale?

Ma in pratica, non tutto è senza nuvole e ci sono una serie di problemi e limitazioni.

Perché il numero schiacciante di record viene memorizzato in un segnale multi-bit, quindi la conversione in un segnale a impulsi secondo il principio "bit per bit" richiede una frequenza portante inutilmente elevata, che i moderni DAC non supportano.

La funzione principale dei moderni DAC a impulsi è convertire un segnale multi-bit in uno a un bit con una frequenza portante relativamente bassa con decimazione dei dati. Fondamentalmente, sono questi algoritmi che determinano la qualità del suono finale dei DAC a impulsi.

Per ridurre il problema di un'alta frequenza portante, il flusso audio viene suddiviso in più flussi da un bit, in cui ogni flusso è responsabile del proprio gruppo di scarica, che equivale a un aumento multiplo della frequenza portante del numero di flussi . Questi DAC sono chiamati DAC delta-sigma multi-bit.

Oggi, i DAC a impulsi hanno ricevuto un secondo vento nei chip generici ad alta velocità nei prodotti NAD e Chord grazie alla capacità di programmare in modo flessibile algoritmi di conversione.

Formato DSD

Dopo l'uso diffuso dei DAC delta-sigma, era abbastanza logico che il formato del codice binario apparisse direttamente nella codifica delta-sigma. Questo formato è chiamato DSD (Direct Stream Digital).

Il formato non è stato ampiamente utilizzato per diversi motivi. La modifica dei file in questo formato si è rivelata inutilmente limitata: non è possibile mescolare i flussi, regolare il volume e applicare l'equalizzazione. Ciò significa che, senza perdita di qualità, è possibile archiviare solo registrazioni analogiche ed eseguire una registrazione a due microfoni di esibizioni dal vivo senza ulteriori elaborazioni. In una parola, non puoi davvero fare soldi.

Nella lotta contro la pirateria, i CD SA non sono stati supportati (e non sono supportati fino ad ora) dai computer, il che impedisce loro di fare copie. Nessuna copia - nessun pubblico generale. Era possibile riprodurre contenuti audio DSD solo da un lettore SA-CD separato da un disco di marca. Se per il formato PCM esiste uno standard SPDIF per la trasmissione digitale di dati da una sorgente a un DAC separato, allora non esiste uno standard per il formato DSD e le prime copie piratate dei dischi SA-CD sono state digitalizzate dalle uscite analogiche di SA - Lettori CD (sebbene la situazione sembri stupida, ma in realtà alcune registrazioni sono state pubblicate solo su SA-CD, oppure la stessa registrazione su Audio-CD è stata fatta appositamente male per promuovere SA-CD).

La svolta si è verificata con il rilascio delle console di gioco SONY, in cui il disco SA-CD è stato automaticamente copiato sul disco rigido della console prima di essere riprodotto. I fan del formato DSD ne hanno approfittato. L'avvento delle registrazioni piratate ha stimolato il mercato a rilasciare DAC separati per la riproduzione di flussi DSD. La maggior parte dei DAC esterni con supporto DSD oggi supporta il trasferimento di dati USB utilizzando il formato DoP come codifica del segnale digitale separata su SPDIF.

Le frequenze portanti per DSD sono relativamente piccole, 2,8 e 5,6 MHz, ma questo flusso audio non richiede alcuna conversione di decimazione ed è abbastanza competitivo con i formati ad alta definizione come DVD-Audio.

Non esiste una risposta definitiva alla domanda su quale sia il migliore, DSP o PCM. Tutto si basa sulla qualità dell'implementazione di un DAC specifico e sul talento del tecnico del suono durante la registrazione del file finale.

Conclusione generale

Il suono analogico è ciò che ascoltiamo e percepiamo come il mondo che ci circonda con i nostri occhi. Il suono digitale è un insieme di coordinate che descrivono un'onda sonora e che non possiamo ascoltare direttamente senza convertirla in un segnale analogico.

Un segnale analogico registrato direttamente su un nastro audio o un vinile non può essere riregistrato senza perdita di qualità, mentre un'onda in forma digitale può essere copiata bit per bit.

I formati di registrazione digitale sono un compromesso costante tra la quantità di precisione delle coordinate rispetto alla dimensione del file e qualsiasi segnale digitale è solo un'approssimazione al segnale analogico originale. Tuttavia, allo stesso tempo, diversi livelli di tecnologie per la registrazione e la riproduzione di un segnale digitale e la memorizzazione su supporto per un segnale analogico offrono maggiori vantaggi a una rappresentazione digitale del segnale, simile a una fotocamera digitale rispetto a una cinepresa.