アナログ信号は、代表的なパラメータのそれぞれが時間の関数と可能な値の連続セットによって記述されるデータ信号です。

2つの信号空間があります-空間L（連続信号）と空間l（Lは小さい）-シーケンスの空間。 空間l（Lは小さい）はフーリエ係数の空間（定義域の有限区間で連続関数を定義する可算数の集合）であり、空間Lは領域上の連続（アナログ）信号の空間です。定義の。 特定の条件下で、空間Lは空間lに一意にマッピングされます（たとえば、最初の2つのコテルニコフ離散化定理）。

アナログ信号は時間の連続関数で表されるため、 アナログ信号連続ビープ音と呼ばれることもあります。 アナログ信号は、離散（量子化、デジタル）とは対照的です。 連続空間と対応する物理量の例：

直接：電圧

円周：ローター、ホイール、歯車、アナログ時計の針の位置、またはキャリア信号の位相

セグメント：ピストン、コントロールレバー、液体温度計、または電気信号の位置。振幅が制限されたさまざまな多次元空間：色、直交変調信号。

アナログ信号の特性は、量子化信号またはデジタル信号の特性とほぼ逆です。

個別の信号レベルを明確に区別できないため、デジタルテクノロジーで理解されているように、情報の概念をその形式の説明に適用することは不可能です。 1つのサンプルに含まれる「情報量」は、測定器のダイナミックレンジによってのみ制限されます。

冗長性はありません。 値空間の連続性から、信号に導入された干渉は信号自体と区別がつかないため、元の振幅を復元することはできません。 実際、この信号の特性（特に周波数帯域）に関する追加情報がわかっている場合は、たとえば周波数法によってフィルタリングが可能です。

応用：

アナログ信号は、絶えず変化する物理量を表すためによく使用されます。 たとえば、熱電対から取得したアナログ電気信号は、温度変化に関する情報、マイクからの信号（音波の急激な圧力変化など）を伝達します。

2.2デジタル信号

デジタル信号は、各表現パラメータが離散時間関数と有限の可能な値のセットによって記述されるデータ信号です。

信号は、個別の電気パルスまたは光パルスです。 この方法では、通信チャネルの全容量を使用して1つの信号を送信します。 デジタル信号は、ケーブルの帯域幅全体を使用します。 帯域幅は、ケーブルを介して送信できる最大周波数と最小周波数の差です。 このようなネットワークの各デバイスは両方向にデータを送信し、一部のデバイスは同時に受信および送信できます。 ベースバンドシステムは、単一周波数のデジタル信号としてデータを送信します。

ディスクリートデジタル信号は、アナログ信号よりも長距離で送信するのが難しいため、送信機側で事前変調され、情報受信機側で復調されます。 デジタルシステムでデジタル情報をチェックおよび復元するためのアルゴリズムを使用すると、情報送信の信頼性を大幅に向上させることができます。

コメント。 実際のデジタル信号は、その物理的性質によりアナログであることに留意する必要があります。 ノイズと伝送線路のパラメータの変化により、振幅、位相/周波数（ジッター）、偏波に変動があります。 しかし、このアナログ信号（パルスおよび離散）には、数値の特性が備わっています。 その結果、その処理（コンピュータ処理）に数値的な方法を使用することが可能になります。

普通の人は信号の性質については考えていませんが、アナログとデジタルの放送やフォーマットの違いについて考える必要がある場合があります。 デフォルトでは、アナログテクノロジーは過去のものと見なされており、まもなく完全にデジタルテクノロジーに置き換えられます。 新しいトレンドのために私たちが何を諦めているのかを知ることは価値があります。

アナログ信号-時間の連続関数によって記述されるデータ信号、つまり、その振動振幅は、最大値内の任意の値を取ることができます。

デジタル信号-時間の離散関数によって記述されるデータ信号、つまり、振動の振幅は厳密に定義された値のみを取ります。

実際には、これにより、アナログ信号には大量のノイズが伴う一方で、デジタル信号はそれらを正常に除去していると言えます。 後者は元のデータを復元することができます。 さらに、連続アナログ信号は多くの場合、多くの不要な情報を伝送するため、冗長性が生じます。1つのアナログの代わりに複数のデジタル信号を送信できます。

テレビについて話すと、ほとんどの消費者が「デジタル」への移行を心配しているのはこの分野であり、アナログ信号は完全に時代遅れであると見なすことができます。 ただし、これまでのところ、アナログ信号はこれを目的としたすべての機器で受信され、デジタルには特別な機器が必要です。 確かに、「数字」の広がりとともに アナログテレビますます少なくなり、それらの需要は劇的に減少しています。

もう1つの重要な信号特性は安全性です。 この点で、アナログは外部からの影響や侵入に対して完全な無防備さを示しています。 デジタルのものは、無線パルスからコードを割り当てることによって暗号化されるため、干渉は排除されます。 デジタル信号を長距離で送信することは困難であるため、変調-復調方式が使用されます。

結論サイト

1. アナログ信号は連続的であり、デジタル信号は離散的です。
2. アナログ信号を送信する場合、チャネルがノイズで詰まるリスクが高くなります。
3. アナログ信号は冗長です。
4. デジタル信号はノイズをフィルタリングし、元のデータを復元します。
5. デジタル信号は暗号化されて送信されます。
6. 1つのアナログ信号の代わりに複数のデジタル信号を送信できます。

平均的な消費者は、信号の性質が何であるかを知る必要はありません。 しかし、アナログ技術の時代が過ぎ、デジタル技術に取って代わられていると噂されている今日、このオプションまたはそのオプションの選択に目を開けてアプローチするために、アナログ形式とデジタル形式の違いを知る必要がある場合があります。 。 私たちが何を残し、何を期待するかを知るためには、違いを理解する必要があります。

アナログ信号は、最大値の範囲内で値が近い無限数のデータを持つ連続信号であり、そのすべてのパラメーターは時間依存変数によって記述されます。

信号デジタル-これは個別の信号であり、それぞれ時間の個別の関数によって記述され、各瞬間で、信号の振幅の大きさは厳密に定義された値を持ちます。

実践によれば、アナログ信号では、デジタル信号で排除できる干渉が発生する可能性があります。 さらに、デジタルは元のデータを復元できます。 連続的なアナログ信号では、多くの情報が通過しますが、多くの場合不要です。 1つのアナログの代わりに、複数のデジタルのものを送信できます。

今日、消費者はテレビの問題に興味を持っています。なぜなら、この文脈で「 デジタル信号「この場合、アナログは過去の遺物と見なすことができますが、既存の技術で受け入れられているのはまさにそれであり、デジタル受信には特別なものが必要です。もちろん、出現と拡大に関連して「数字」の使用の、彼らは以前の人気を失っています。

信号タイプの長所と短所

安全性は、特定の信号のパラメータを評価する上で重要な役割を果たします。 さまざまな影響、侵入により、アナログ信号は無防備になります。 デジタルでは、無線パルスからエンコードされるため、これは除外されます。 長距離の場合、デジタル信号の送信は複雑であり、変調-復調方式を使用する必要があります。

要約すると、私たちはそれを言うことができます アナログ信号とデジタル信号の違いからなる：

• アナログの連続性とデジタルの離散性。
• アナログ伝送を妨害する可能性が高くなります。
• アナログ信号の冗長性。
• ノイズをデジタルでフィルタリングし、元の情報を復元する機能。
• コード化された形式のデジタル信号の送信。 1つのアナログ信号が複数のデジタル信号に置き換えられます。

「デジタル」や「ディスクリート」信号などの定義をよく耳にしますが、「アナログ」とはどう違うのですか？

違いは、アナログ信号は時間的に連続しているのに対し（青い線）、デジタル信号は限られた座標のセット（赤い点）で構成されていることです。 すべてが座標に縮小されると、アナログ信号のセグメントは無限の数の座標で構成されます。

デジタル信号の場合、横軸に沿った座標は、サンプリング周波数に従って一定の間隔で配置されます。 一般的なオーディオCD形式では、これは1秒あたり44,100ドットです。 垂直方向では、座標の高さの精度はデジタル信号の桁容量に対応します。8ビットの場合は256レベル、16ビットの場合は65536、24ビットの場合は16777216レベルです。 ビット深度（レベル数）が高いほど、垂直座標は元の波に近くなります。

アナログソースはビニールテープとオーディオテープです。 デジタルソースは、CD-Audio、DVD-Audio、SA-CD（DSD）、およびWAVEおよびDSD形式のファイル（APE、Flac、Mp3、Oggなどの派生物を含む）です。

アナログ信号の長所と短所

アナログ信号の利点は、耳で音を知覚するのがアナログ形式であるということです。 そして、私たちの聴覚システムは、知覚された音の流れをデジタル形式に変換し、この形式で脳に転送しますが、科学技術は、プレーヤーと他の音源をこの形式で直接接続する可能性にまだ到達していません。 このような研究は現在、障がい者を対象に積極的に行われており、アナログ音だけを楽しんでいます。

アナログ信号の欠点は、信号を保存、送信、複製できることです。 テープまたはビニールに録音する場合、信号品質はテープまたはビニールの特性に依存します。 時間の経過とともに、テープは消磁し、記録された信号の品質が低下します。 各読み取りは徐々に媒体を破壊し、書き換えは追加の歪みをもたらします。次の媒体（テープまたはビニール）、信号の読み取り、記録、および送信のためのデバイスによって追加の偏差が追加されます。

アナログ信号のコピーを作成することは、写真をコピーするために別の写真を撮るようなものです。

デジタル信号の長所と短所

デジタル信号の利点には、オーディオストリームをコピーおよび送信するときの精度が含まれ、オリジナルはコピーと同じです。

主な欠点は、デジタル信号が中間段階であり、最終的なアナログ信号の精度は、音波の座標がどれだけ詳細かつ正確に記述されるかに依存すると考えることができます。 ポイントが多く、座標が正確であるほど、波が正確になることは非常に論理的です。 しかし、信号のデジタル表現がアナログ信号を正確に再構築するのに十分であり、私たちの耳では元の信号と区別がつかないと言うのに十分な座標とデータ精度の数については、まだコンセンサスがありません。

データ量に関しては、従来のアナログオーディオカセットの容量はわずか約700〜1.1 MBですが、通常のCDは700MBを保持します。 これは、大容量メディアの必要性を示しています。 そして、これは、記述点の数と座標の精度に関するさまざまな要件を伴う妥協の別の戦争を引き起こします。

今日では、サンプリングレートが44.1 kHz、ビット深度が16ビットの音波を表現するだけで十分であると考えられています。 44.1 kHzのサンプリングレートで、最大22kHzまで回復できます。 音響心理学の研究が示すように、サンプリングレートのさらなる増加はほとんど目立たないが、ビット深度の増加は主観的な改善をもたらす。

DACが波を構築する方法

DACは、デジタルサウンドをアナログに変換する要素であるデジタル-アナログコンバーターです。 基本的な原則を簡単に見ていきます。 コメントがいくつかの点をより詳細に検討することに関心を示している場合は、別の資料がリリースされます。

マルチビットDAC

多くの場合、波はステップの形で提示されます。これは、リレーからのスイッチと同じように動作する第1世代のマルチビットR-2RDACのアーキテクチャによるものです。

DAC入力は、垂直方向に沿って次の座標の値を受け取り、そのサイクルごとに、次の変化まで電流（電圧）レベルを対応するレベルに切り替えます。

人間の耳には20kHzしか聞こえないと考えられており、ナイキスト理論によれば、22 kHzまでの信号を復元することは可能ですが、復元後のこの信号の品質の問題は残っています。 高周波領域では、結果として生じる「ステップ」波の形状は通常、元の波から遠く離れています。 この状況から抜け出す最も簡単な方法は、録音時にサンプリングレートを上げることですが、これにより、ファイルサイズが大幅に増加します。

別のオプションは、中間値を追加することにより、DACでの再生中にサンプリングレートを人為的に上げることです。 それらの。 連続波の経路を表します（灰色） 点線）、元の座標をスムーズに接続し（赤い点）、この線に中間点を追加します（濃い紫）。

サンプリングレートを上げる場合は、通常、座標が近似波に近づくようにビット深度を上げる必要があります。

中間座標のおかげで、「ステップ」を減らして、元の波に近づけることができます。

プレーヤーまたは外部DACで44.1〜192 kHzのブースト機能が表示された場合、それは中間座標を追加する機能であり、20kHzを超える領域でサウンドを復元または作成するものではありません。

当初、これらはDACの前の個別のSRCマイクロ回路でしたが、DACマイクロ回路自体に直接移行しました。 今日、このようなマイクロ回路が最新のDACに追加されているソリューションを見つけることができます。これは、DACに組み込まれているアルゴリズムの代替手段を提供するために行われ、場合によってはさらに多くのものを取得するために行われます。 最高の音（たとえば、Hidizs AP100で行われます）。

マルチビットDACからの業界での主な拒否は、現在の生産技術で品質指標をさらに技術開発することが不可能であり、同等の特性を持つ「パルス」DACよりもコストが高いために発生しました。 それにもかかわらず、ハイエンド製品では、技術的に優れた特性を備えた新しいソリューションよりも、古いマルチビットDACが優先されることがよくあります。

パルスDAC

70年代後半に、「パルス」アーキテクチャに基づくDACの代替バージョンである「デルタシグマ」が普及しました。 パルスDAC技術は、超高速スイッチの出現を可能にし、高いキャリア周波数の使用を可能にしました。

信号振幅は、パルス振幅の平均値です（等しい振幅のパルスは緑色で表示され、最終的な音波は白色で表示されます）。

たとえば、5パルスの8クロックサイクルのシーケンスでは、平均振幅（1 + 1 + 1 + 0 + 0 + 1 + 1 + 0）/ 8 = 0.625が得られます。 搬送周波数が高いほど、より多くのパルスが平滑化され、振幅がより正確になります。 これにより、広いダイナミックレンジでオーディオストリームを1ビット形式で表示することが可能になりました。

平均化は通常どおりに実行できます アナログフィルターそして、そのようなインパルスのセットがスピーカーに直接適用された場合、出力で音が得られ、超 高周波エミッターの不活性が大きいため、再現されません。 クラスDのPWM増幅器は、この原理に従って動作します。パルスのエネルギー密度は、パルスの数ではなく、各パルスの持続時間によって作成されます（実装は簡単ですが、単純なバイナリコードでは記述できません）。

マルチビットDACは、パントンインクで色を塗ることができるプリンターと考えることができます。 Delta-Sigmaは、色のセットが限られているインクジェットプリンタですが、（アントラープリンタと比較して）非常に小さなドットを適用できるため、単位表面あたりのドットの密度が異なるため、より多くの色合いが得られます。

画像では、目の解像度が低いため、通常、個々のポイントは表示されませんが、中間のトーンのみが表示されます。 同様に、耳はインパルスを個別に聞きません。

最終的に、パルスDACの現在の技術では、中間座標を近似するときに理論的に得られるはずの波に近い波を得ることができます。

デルタシグマDACの出現後、ステップを使用して「デジタル波」を描画する緊急性がなくなったことに注意する必要があります。 そのため、最新のDACはステップの波を構築しません。 滑らかな線で接続されたポイントを使用して、離散信号を正しく作成します。

スイッチングDACは理想的ですか？

しかし実際には、すべてがクラウドレスであるわけではなく、多くの問題と制限があります。

なぜなら 圧倒的な数のレコードがマルチビット信号に保存され、「ビットごとの」原理に従ってパルス信号に変換するには、不必要に高いキャリア周波数が必要になりますが、これは最新のDACではサポートされていません。

最新のパルスDACの主な機能は、マルチビット信号を、データデシメーションを使用して比較的低いキャリア周波数の1ビット信号に変換することです。 基本的に、インパルスDACの最終的な音質を決定するのはこれらのアルゴリズムです。

高い搬送周波数の問題を軽減するために、オーディオストリームはいくつかの1ビットストリームに分割されます。各ストリームは、ストリーム数の搬送周波数の複数の増加に相当する独自の放電グループを担当します。 。 これらのDACは、マルチビットデルタシグマDACと呼ばれます。

パルスDACは、今日、高速マイクロ回路で2番目の風を受けています。 一般的用途変換アルゴリズムを柔軟にプログラムできるため、NADおよびChord企業の製品に含まれています。

DSDフォーマット

デルタシグマDACが広く使用された後、記録形式の外観は非常に論理的でした。 バイナリコード直接デルタシグマでエンコードされます。 この形式はDSD（Direct Stream Digital）と呼ばれます。

このフォーマットは、いくつかの理由で広く使用されていませんでした。 この形式でのファイルの編集は、不必要に制限されていることが判明しました。ストリームを混合したり、音量を調整したり、イコライゼーションを適用したりすることはできません。 つまり、品質を損なうことなく、アナログ録音をアーカイブし、さらに処理することなくライブパフォーマンスを2マイク録音することしかできません。 一言で言えば、あなたは本当にお金を稼ぐことはできません。

違法コピーとの戦いでは、SA-CDはコンピューターによってサポートされていなかった（そして今までサポートされていなかった）ため、コピーを作成できませんでした。 コピーなし-一般の聴衆なし。 ブランドディスクとは別のSA-CDプレーヤーからのみDSDオーディオコンテンツを再生することができました。 PCMフォーマットの場合、ソースから別のDACへのデータのデジタル送信に関するSPDIF規格があり、DSDフォーマットの規格はなく、SA-CDディスクの最初の海賊版コピーがSAのアナログ出力からデジタル化されました。 -CDプレーヤー（状況はばかげているように見えますが、実際には一部の録音はSA-CDでのみリリースされているか、Audio-CDでの同じ録音はSA-CDを宣伝するために特別に不十分に作成されています）。

ターニングポイントは、SA-CDが自動的にコピーされたソニーのゲーム機のリリースで発生しました HDDプレフィックス。 DSDフォーマットのファンはこれを利用しました。 海賊版の出現により、市場はDSDストリームを再生するための個別のDACをリリースするようになりました。 現在、DSDをサポートするほとんどの外部DACは、SPDIFを介した個別のデジタル信号エンコーディングとしてDoP形式を使用したUSBデータ転送をサポートしています。

DSDの搬送周波数は2.8MHzと5.6MHzと比較的小さいですが、このオーディオストリームはデシメーション変換を必要とせず、DVDオーディオなどの高解像度フォーマットと非常に競争力があります。

DSPとPCMのどちらが優れているかという質問に対する明確な答えはありません。 すべては、特定のDACの実装の品質と、最終ファイルを録音するときのサウンドエンジニアの才能にかかっています。

一般的な結論

アナログ音は、私たちの目で私たちの周りの世界として聞いたり知覚したりするものです。 デジタルサウンドは、音波を表す一連の座標であり、アナログ信号に変換しないと直接聞くことはできません。

オーディオテープやビニールに直接録音されたアナログ信号は、品質を損なうことなく再録音することはできませんが、デジタル形式の波は少しずつコピーすることができます。

デジタル録音フォーマットは、座標精度とファイルサイズの間の一定のトレードオフであり、デジタル信号は元のアナログ信号の近似値にすぎません。 ただし、同時に、デジタル信号を記録および再生し、アナログ信号用にメディアに保存するためのさまざまなレベルのテクノロジーは、デジタルカメラとフィルムカメラのように、信号のデジタル表現により多くの利点をもたらします。

講義4.ネットワーク通信の方法。

ネットワーク通信方式

信号

前述のように、信号を物理的に作成して送信する方法はたくさんあります。電気パルスは銅線を通過し、光パルスはガラスまたはプラスチックファイバーを通過し、無線信号は空中を送信し、レーザーパルスは赤外線または可視光で送信されます。コンピュータ内のデータを表す1と0をエネルギーのパルスに変換することを、コーディング（変調）と呼びます。

コンピュータネットワークの分類と同様に、信号はさまざまな特性に基づいて分類できます。 信号は次のとおりです。

アナログとデジタル、

変調および変調、

同期および非同期、

シンプレックス、ハーフデュプレックス、デュプレックス、マルチプレックス

アナログおよびデジタル信号

電圧の形式（オシロスコープの画面に表示されます）に応じて、信号はアナログとデジタルに分けられます。さまざまな電子機器のドキュメントによく見られるため、これらの用語はすでにご存知でしょう。 、テープレコーダー、テレビ、電話などなど。

ある意味で、アナログ機器は電子技術の時代を代表するものであり、デジタル機器はそれに取って代わろうとしている最新のものです。 ただし、あるタイプの信号が別のタイプよりも優れていることはあり得ないことに注意してください。 それらのそれぞれには、独自の長所と短所、および独自のアプリケーション領域があります。 デジタル信号はますます広く使用されていますが、アナログに取って代わることはありません。

アナログ信号パラメータ

アナログ信号は時間の経過とともにスムーズかつ連続的に変化するため、滑らかな曲線としてグラフィカルに表すことができます（図4.1）。

自然界では、プロセスの大部分は基本的にアナログです。 たとえば、音は気圧の変化であり、マイクを使用して電圧に変換できます。 この電圧をオシロスコープの入力に印加すると、図に示すようなグラフが表示されます。 4.1、すなわち 時間の経過とともに気圧がどのように変化するかを追跡できます。

アナログ情報のより良いアイデアについては、従来の車内スピードメーターを考えてみてください。 車両の速度が上がると、針はある数字から次の数字へとスムーズに移動します。 もう1つの例は、ラジオ受信機のステーションにチューニングすることです。ノブを回すと、受信周波数がスムーズに変化します。

ほとんどのアナログ信号は、電磁場の高周波振動である電波など、周期的または周期的です。 このようなサイクリックアナログ信号は通常、3つのパラメータによって特徴付けられます。

振幅。 信号の最大値または最小値、つまり 波の高さ。

周波数。 1秒あたりの信号の周期的変化の数。 周波数はヘルツ（Hz）で測定されます。 1Hzは1秒あたり1サイクルです。

段階。 別の波に対する、または基準点として機能する特定の時点に対する波の位置。 位相は通常度で測定され、全​​サイクルは360度であると考えられています。

デジタル信号パラメータ

デジタル信号の別名は離散的です。離散状態という用語がよく使われます。デジタル信号は、中間状態で停止することなく、ほぼ瞬時に離散状態から別の状態に変化します（図4.2）。

デジタル信号の例は、車の最新のデジタル速度計の読み取り値です（前のセクションのアナログ速度計の例と比較してください）。 車速が上がると、時速キロメートルで速度を示す数値がジャンプで切り替わり、信号値は主に離散的です：たとえば、離散状態「125 km / h」と「126」の間に中間値はありませんkm / h "。 デジタル情報のもう1つの例は、最新のラジオです。このラジオでは、ユーザーがラジオ局の周波数に等しい正確な数値を入力して、特定の局にチューニングします。

デジタル回路は、電子工学の専門家を養成するすべての高等教育機関で研究されている最も重要な分野です。 本物のアマチュア無線もこの問題に精通している必要があります。 しかし、ほとんどの本と 教材理解するのが非常に難しい言語で書かれていて、初心者の電子技術者（おそらく学童）が習得するのは難しいでしょう 新情報..。 マスターキットの一連の新しいトレーニング資料は、このギャップを埋めるために設計されています。私たちの記事では、複雑な概念が最も簡単な言葉で説明されています。

8.1。 アナログおよびデジタル信号

まず、アナログ回路が一般的にデジタルとどのように異なるかを理解する必要があります。 そして主な違いは、これらの回路が動作する信号にあります。
すべての信号は、アナログとデジタルの2つの主要なタイプに分けることができます。

アナログ信号

アナログ信号は私たちに最もよく知られています。 私たちの周りの自然界全体がアナログであると言えます。 私たちの視覚と聴覚、および他のすべての感覚器官は、入ってくる情報をアナログ形式で、つまり継続的に時間内に知覚します。 音情報の伝達-人間の発話、楽器の音、動物の咆哮、自然の音など。 -アナログ形式でも実行されます。
この問題をさらによく理解するために、アナログ信号を描画してみましょう（図1）。

図1。 アナログ信号

アナログ信号の時間と振幅が連続していることがわかります。 いつでも、アナログ信号の振幅の正確な値を決定できます。

デジタル信号

一定の間隔で、信号の振幅を一定ではなく離散的に分析してみましょう。 たとえば、1秒に1回、またはより頻繁に：1秒に10回。 これを行う頻度は、サンプリングレートと呼ばれます。1秒に1回-1 Hz、1秒に1000回-1000Hzまたは1kHzです。

わかりやすくするために、アナログ（上）信号とデジタル（下）信号のグラフを描きましょう（図2）。

図2。 アナログ信号（上）とデジタルコピー（下）

各瞬間の期間で、信号振幅の瞬間的なデジタル値を見つけることが可能であることがわかります。 「チェック」間隔の間に信号に何が起こるか（信号がどの法則に従って、その振幅は何であるか）、私たちは知りません、この情報は私たちに失われます。 信号レベルをチェックする頻度が少ないほど（サンプリングレートが低いほど）、信号に関する情報が少なくなります。 もちろん、その逆も当てはまります。サンプリングレートが高いほど、 より良い品質信号の提示。 限界では、サンプリングレートを無限大に上げると、実質的に同じアナログ信号が得られます。
とにかく、これはアナログ信号がデジタル信号よりも優れていることを意味しますか？ 理論的には、おそらくそうです。 しかし実際には、最新のアナログ-デジタルコンバーター（ADC）は、非常に高いサンプリングレート（最大数百万サンプル/秒）で動作するため、人間が感じるほど定性的にアナログ信号をデジタル形式で記述します（目、耳）。 ）元の信号とそのデジタルモデルの違いを感じることができなくなりました。 デジタル信号には非常に大きな利点があります。ワイヤーや電波を介して送信する方が簡単で、干渉がそのような信号に大きな影響を与えることはありません。 したがって、すべての現代 モバイル接続、テレビおよびラジオ放送-デジタル。

図の下のグラフ。 2は、別の形式で簡単に表すことができます。これは、時間/振幅という数値のペアの長いシーケンスとして表されます。 そして、数字はまさにデジタル回路に必要なものです。 NS、 デジタル回路特別な方法で数字を扱うことを好みますが、それについては次のレッスンで説明します。

これで、重要な結論を導き出すことができます。

デジタル信号は離散的であり、特定の時点でのみ決定できます。
-サンプリングレートが高いほど、デジタル信号表現の精度が高くなります。

アナログ信号は、代表的なパラメータのそれぞれが時間の関数と可能な値の連続セットによって記述されるデータ信号です。

2つの信号空間があります-空間L（連続信号）と空間l（Lは小さい）-シーケンスの空間。 空間l（Lは小さい）はフーリエ係数の空間（定義域の有限区間で連続関数を定義する可算数の集合）であり、空間Lは領域上の連続（アナログ）信号の空間です。定義の。 特定の条件下で、空間Lは空間lに一意にマッピングされます（たとえば、最初の2つのコテルニコフ離散化定理）。

アナログ信号は時間の連続関数として記述されるため、アナログ信号は連続信号と呼ばれることもあります。 アナログ信号は、離散（量子化、デジタル）とは対照的です。 連続空間と対応する物理量の例：

直接：電圧

円周：ローター、ホイール、歯車、アナログ時計の針の位置、またはキャリア信号の位相

セグメント：ピストン、コントロールレバー、液体温度計、または電気信号の位置。振幅が制限されたさまざまな多次元空間：色、直交変調信号。

アナログ信号の特性は、量子化信号またはデジタル信号の特性とほぼ逆です。

個別の信号レベルを明確に区別できないため、デジタルテクノロジーで理解されているように、情報の概念をその形式の説明に適用することは不可能です。 1つのサンプルに含まれる「情報量」は、測定器のダイナミックレンジによってのみ制限されます。

冗長性はありません。 値空間の連続性から、信号に導入された干渉は信号自体と区別がつかないため、元の振幅を復元することはできません。 実際、この信号の特性（特に周波数帯域）に関する追加情報がわかっている場合は、たとえば周波数法によってフィルタリングが可能です。

応用：

アナログ信号は、絶えず変化する物理量を表すためによく使用されます。 たとえば、熱電対から取得したアナログ電気信号は、温度変化に関する情報、マイクからの信号（音波の急激な圧力変化など）を伝達します。

2.2デジタル信号

デジタル信号は、各表現パラメータが離散時間関数と有限の可能な値のセットによって記述されるデータ信号です。

信号は、個別の電気パルスまたは光パルスです。 この方法では、通信チャネルの全容量を使用して1つの信号を送信します。 デジタル信号は、ケーブルの帯域幅全体を使用します。 帯域幅は、ケーブルを介して送信できる最大周波数と最小周波数の差です。 このようなネットワークの各デバイスは両方向にデータを送信し、一部のデバイスは同時に受信および送信できます。 ベースバンドシステムは、単一周波数のデジタル信号としてデータを送信します。

ディスクリートデジタル信号は、アナログ信号よりも長距離で送信するのが難しいため、送信機側で事前変調され、情報受信機側で復調されます。 デジタルシステムでデジタル情報をチェックおよび復元するためのアルゴリズムを使用すると、情報送信の信頼性を大幅に向上させることができます。

コメント。 実際のデジタル信号は、その物理的性質によりアナログであることに留意する必要があります。 ノイズと伝送線路のパラメータの変化により、振幅、位相/周波数（ジッター）、偏波に変動があります。 しかし、このアナログ信号（パルスおよび離散）には、数値の特性が備わっています。 その結果、その処理（コンピュータ処理）に数値的な方法を使用することが可能になります。

「デジタル」や「ディスクリート」信号などの定義をよく耳にしますが、「アナログ」とはどう違うのですか？

違いは、アナログ信号は時間的に連続しているのに対し（青い線）、デジタル信号は限られた座標のセット（赤い点）で構成されていることです。 すべてが座標に縮小されると、アナログ信号のセグメントは無限の数の座標で構成されます。

デジタル信号の場合、横軸に沿った座標は、サンプリング周波数に従って一定の間隔で配置されます。 一般的なオーディオCD形式では、これは1秒あたり44,100ドットです。 垂直方向では、座標の高さの精度はデジタル信号の桁容量に対応します。8ビットの場合は256レベル、16ビットの場合は65536、24ビットの場合は16777216レベルです。 ビット深度（レベル数）が高いほど、垂直座標は元の波に近くなります。

アナログソースはビニールテープとオーディオテープです。 デジタルソースは、CD-Audio、DVD-Audio、SA-CD（DSD）、およびWAVEおよびDSD形式のファイル（APE、Flac、Mp3、Oggなどの派生物を含む）です。

アナログ信号の長所と短所

アナログ信号の利点は、耳で音を知覚するのがアナログ形式であるということです。 そして、私たちの聴覚システムは、知覚された音の流れをデジタル形式に変換し、この形式で脳に転送しますが、科学技術は、プレーヤーと他の音源をこの形式で直接接続する可能性にまだ到達していません。 このような研究は現在、障がい者を対象に積極的に行われており、アナログ音だけを楽しんでいます。

アナログ信号の欠点は、信号を保存、送信、複製できることです。 テープまたはビニールに録音する場合、信号品質はテープまたはビニールの特性に依存します。 時間の経過とともに、テープは消磁し、記録された信号の品質が低下します。 各読み取りは徐々に媒体を破壊し、書き換えは追加の歪みをもたらします。次の媒体（テープまたはビニール）、信号の読み取り、記録、および送信のためのデバイスによって追加の偏差が追加されます。

アナログ信号のコピーを作成することは、写真をコピーするために別の写真を撮るようなものです。

デジタル信号の長所と短所

デジタル信号の利点には、オーディオストリームをコピーおよび送信するときの精度が含まれ、オリジナルはコピーと同じです。

主な欠点は、デジタル信号が中間段階であり、最終的なアナログ信号の精度は、音波の座標がどれだけ詳細かつ正確に記述されるかに依存すると考えることができます。 ポイントが多く、座標が正確であるほど、波が正確になることは非常に論理的です。 しかし、信号のデジタル表現がアナログ信号を正確に再構築するのに十分であり、私たちの耳では元の信号と区別がつかないと言うのに十分な座標とデータ精度の数については、まだコンセンサスがありません。

データ量に関しては、従来のアナログオーディオカセットの容量はわずか約700〜1.1 MBですが、通常のCDは700MBを保持します。 これは、大容量メディアの必要性を示しています。 そして、これは、記述点の数と座標の精度に関するさまざまな要件を伴う妥協の別の戦争を引き起こします。

今日では、サンプリングレートが44.1 kHz、ビット深度が16ビットの音波を表現するだけで十分であると考えられています。 44.1 kHzのサンプリングレートで、最大22kHzまで回復できます。 音響心理学の研究が示すように、サンプリングレートのさらなる増加はほとんど目立たないが、ビット深度の増加は主観的な改善をもたらす。

DACが波を構築する方法

DACは、デジタルサウンドをアナログに変換する要素であるデジタル-アナログコンバーターです。 基本的な原則を簡単に見ていきます。 コメントがいくつかの点をより詳細に検討することに関心を示している場合は、別の資料がリリースされます。

マルチビットDAC

多くの場合、波はステップの形で提示されます。これは、リレーからのスイッチと同じように動作する第1世代のマルチビットR-2RDACのアーキテクチャによるものです。

DAC入力は、垂直方向に沿って次の座標の値を受け取り、そのサイクルごとに、次の変化まで電流（電圧）レベルを対応するレベルに切り替えます。

人間の耳には20kHzしか聞こえないと考えられており、ナイキスト理論によれば、22 kHzまでの信号を復元することは可能ですが、復元後のこの信号の品質の問題は残っています。 高周波領域では、結果として生じる「ステップ」波の形状は通常、元の波から遠く離れています。 この状況から抜け出す最も簡単な方法は、録音時にサンプリングレートを上げることですが、これにより、ファイルサイズが大幅に増加します。

別のオプションは、中間値を追加することにより、DACでの再生中にサンプリングレートを人為的に上げることです。 それらの。 元の座標（赤い点）を滑らかに結ぶ連続波（灰色の破線）のパスを表し、この線（濃い紫色）に中間点を追加します。

サンプリングレートを上げる場合は、通常、座標が近似波に近づくようにビット深度を上げる必要があります。

中間座標のおかげで、「ステップ」を減らして、元の波に近づけることができます。

プレーヤーまたは外部DACで44.1〜192 kHzのブースト機能が表示された場合、それは中間座標を追加する機能であり、20kHzを超える領域でサウンドを復元または作成するものではありません。

当初、これらはDACの前の個別のSRCマイクロ回路でしたが、DACマイクロ回路自体に直接移行しました。 今日、このようなマイクロ回路が最新のDACに追加されているソリューションを見つけることができます。これは、DACに組み込まれているアルゴリズムの代替手段を提供し、場合によってはさらに優れたサウンドを取得するために行われます（たとえば、Hidizsで行われているように） AP100）。

マルチビットDACからの業界での主な拒否は、現在の生産技術で品質指標をさらに技術開発することが不可能であり、同等の特性を持つ「パルス」DACよりもコストが高いために発生しました。 それにもかかわらず、ハイエンド製品では、技術的に優れた特性を備えた新しいソリューションよりも、古いマルチビットDACが優先されることがよくあります。

パルスDAC

70年代後半に、「パルス」アーキテクチャに基づくDACの代替バージョンである「デルタシグマ」が普及しました。 パルスDAC技術は、超高速スイッチの出現を可能にし、高いキャリア周波数の使用を可能にしました。

信号振幅は、パルス振幅の平均値です（等しい振幅のパルスは緑色で表示され、最終的な音波は白色で表示されます）。

たとえば、5パルスの8クロックサイクルのシーケンスでは、平均振幅（1 + 1 + 1 + 0 + 0 + 1 + 1 + 0）/ 8 = 0.625が得られます。 搬送周波数が高いほど、より多くのパルスが平滑化され、振幅がより正確になります。 これにより、広いダイナミックレンジでオーディオストリームを1ビット形式で表示することが可能になりました。

平均化は通常のアナログフィルターで行うことができ、そのようなパルスのセットをスピーカーに直接印加すると、出力で音が出て、エミッターの慣性が大きいため極超短波が再生されません。 クラスDのPWM増幅器は、この原理に従って動作します。パルスのエネルギー密度は、パルスの数ではなく、各パルスの持続時間によって作成されます（実装は簡単ですが、単純なバイナリコードでは記述できません）。

マルチビットDACは、パントンインクで色を塗ることができるプリンターと考えることができます。 Delta-Sigmaは、色のセットが限られているインクジェットプリンタですが、（アントラープリンタと比較して）非常に小さなドットを適用できるため、単位表面あたりのドットの密度が異なるため、より多くの色合いが得られます。

画像では、目の解像度が低いため、通常、個々のポイントは表示されませんが、中間のトーンのみが表示されます。 同様に、耳はインパルスを個別に聞きません。

最終的に、パルスDACの現在の技術では、中間座標を近似するときに理論的に得られるはずの波に近い波を得ることができます。

デルタシグマDACの出現後、ステップを使用して「デジタル波」を描画する緊急性がなくなったことに注意する必要があります。 そのため、最新のDACはステップの波を構築しません。 滑らかな線で接続されたポイントを使用して、離散信号を正しく作成します。

スイッチングDACは理想的ですか？

しかし実際には、すべてがクラウドレスであるわけではなく、多くの問題と制限があります。

なぜなら 圧倒的な数のレコードがマルチビット信号に保存され、「ビットごとの」原理に従ってパルス信号に変換するには、不必要に高いキャリア周波数が必要になりますが、これは最新のDACではサポートされていません。

最新のパルスDACの主な機能は、マルチビット信号を、データデシメーションを使用して比較的低いキャリア周波数の1ビット信号に変換することです。 基本的に、インパルスDACの最終的な音質を決定するのはこれらのアルゴリズムです。

高い搬送周波数の問題を軽減するために、オーディオストリームはいくつかの1ビットストリームに分割されます。各ストリームは、ストリーム数の搬送周波数の複数の増加に相当する独自の放電グループを担当します。 。 これらのDACは、マルチビットデルタシグマDACと呼ばれます。

今日、パルスDACは、変換アルゴリズムを柔軟にプログラムできるため、NADおよびChord製品の高速汎用チップで2番目の風を受けています。

DSDフォーマット

デルタシグマDACが広く使用された後、バイナリコード形式がデルタシグマエンコーディングで直接表示されることは非常に論理的でした。 この形式はDSD（Direct Stream Digital）と呼ばれます。

このフォーマットは、いくつかの理由で広く使用されていませんでした。 この形式でのファイルの編集は、不必要に制限されていることが判明しました。ストリームを混合したり、音量を調整したり、イコライゼーションを適用したりすることはできません。 つまり、品質を損なうことなく、アナログ録音をアーカイブし、さらに処理することなくライブパフォーマンスを2マイク録音することしかできません。 一言で言えば、あなたは本当にお金を稼ぐことはできません。

違法コピーとの戦いでは、SA-CDはコンピューターによってサポートされていなかった（そして今までサポートされていなかった）ため、コピーを作成できませんでした。 コピーなし-一般の聴衆なし。 ブランドディスクとは別のSA-CDプレーヤーからのみDSDオーディオコンテンツを再生することができました。 PCMフォーマットの場合、ソースから別のDACへのデータのデジタル送信に関するSPDIF規格があり、DSDフォーマットの規格はなく、SA-CDディスクの最初の海賊版コピーがSAのアナログ出力からデジタル化されました。 -CDプレーヤー（状況はばかげているように見えますが、実際には一部の録音はSA-CDでのみリリースされているか、Audio-CDでの同じ録音はSA-CDを宣伝するために特別に不十分に作成されています）。

ターニングポイントは、SA-CDディスクが再生される前にコンソールのハードドライブに自動的にコピーされたSONYゲームコンソールのリリースで発生しました。 DSDフォーマットのファンはこれを利用しました。 海賊版の出現により、市場はDSDストリームを再生するための個別のDACをリリースするようになりました。 現在、DSDをサポートするほとんどの外部DACは、SPDIFを介した個別のデジタル信号エンコーディングとしてDoP形式を使用したUSBデータ転送をサポートしています。

DSDの搬送周波数は2.8MHzと5.6MHzと比較的小さいですが、このオーディオストリームはデシメーション変換を必要とせず、DVDオーディオなどの高解像度フォーマットと非常に競争力があります。

DSPとPCMのどちらが優れているかという質問に対する明確な答えはありません。 すべては、特定のDACの実装の品質と、最終ファイルを録音するときのサウンドエンジニアの才能にかかっています。

一般的な結論

アナログ音は、私たちの目で私たちの周りの世界として聞いたり知覚したりするものです。 デジタルサウンドは、音波を表す一連の座標であり、アナログ信号に変換しないと直接聞くことはできません。

オーディオテープやビニールに直接録音されたアナログ信号は、品質を損なうことなく再録音することはできませんが、デジタル形式の波は少しずつコピーすることができます。

デジタル録音フォーマットは、座標精度とファイルサイズの間の一定のトレードオフであり、デジタル信号は元のアナログ信号の近似値にすぎません。 ただし、同時に、デジタル信号を記録および再生し、アナログ信号用にメディアに保存するためのさまざまなレベルのテクノロジーは、デジタルカメラとフィルムカメラのように、信号のデジタル表現により多くの利点をもたらします。