Analogni signal je podatkovni signal, v katerem je vsak od reprezentančnih parametrov opisan s funkcijo časa in neprekinjenim nizom možnih vrednosti.

Obstajata dva signalna prostora - prostor L (neprekinjeni signali) in prostor l (L je majhen) - prostor zaporedij. Prostor l (L je majhen) je prostor Fourierjevih koeficientov (prešteven niz števil, ki definirajo neprekinjeno funkcijo na končnem intervalu domene definicije), prostor L je prostor zveznih (analognih) signalov nad domeno definicije. Pod določenimi pogoji je prostor L enolično preslikan v prostor l (na primer prva dva Kotelnikova diskretizacijski izrek).

Analogni signali so torej opisani z neprekinjenimi funkcijami časa analogni signal včasih imenovan neprekinjen pisk. Analogni signali so v nasprotju z diskretnimi (kvantiziranimi, digitalnimi). Primeri neprekinjenih prostorov in ustreznih fizikalnih veličin:

neposredno: električna napetost

obseg: položaj rotorja, kolesa, zobnikov, kazalcev analogne ure ali faza nosilnega signala

segment: položaj bata, krmilna ročica, tekoči termometer ali električni signal, amplitudno omejeni različni večdimenzionalni prostori: barvni, kvadraturno modulirani signal.

Lastnosti analognih signalov so v veliki meri nasprotne lastnostim kvantiziranih ali digitalnih signalov.

Pomanjkanje med seboj jasno ločljivih diskretnih nivojev signala vodi v nezmožnost uporabe koncepta informacije za njen opis v obliki, kot jo razumejo digitalne tehnologije. "Količina informacij", ki jo vsebuje en vzorec, bo omejena le z dinamičnim razponom merilnega instrumenta.

Brez odvečnosti. Iz kontinuitete vrednostnega prostora sledi, da se kakršna koli interferenca, ki se vnese v signal, ne razlikuje od samega signala in zato prvotne amplitude ni mogoče obnoviti. Dejansko je filtriranje možno, na primer s frekvenčnimi metodami, če so znane kakršne koli dodatne informacije o lastnostih tega signala (zlasti frekvenčni pas).

Aplikacija:

Analogni signali se pogosto uporabljajo za predstavljanje nenehno spreminjajočih se fizičnih veličin. Na primer, analogni električni signal, vzet iz termoelementa, nosi informacije o temperaturnih spremembah, signal iz mikrofona - o hitrih spremembah tlaka v zvočnem valu itd.

2.2 Digitalni signal

Digitalni signal je podatkovni signal, v katerem je vsak od reprezentančnih parametrov opisan z diskretno časovno funkcijo in končnim naborom možnih vrednosti.

Signali so diskretni električni ali svetlobni impulzi. Pri tej metodi se za prenos enega signala porabi celotna zmogljivost komunikacijskega kanala. Digitalni signal uporablja celotno pasovno širino kabla. Pasovna širina je razlika med največjo in najmanjšo frekvenco, ki se lahko prenaša po kablu. Vsaka naprava v takšnih omrežjih pošilja podatke v obe smeri, nekatere pa jih lahko hkrati sprejemajo in prenašajo. Osnovni pasovni sistemi prenašajo podatke kot digitalni signal ene frekvence.

Diskretni digitalni signal je težje oddajati na velike razdalje kot analogni signal, zato je na strani oddajnika predmoduliran in na strani sprejemnika informacij demoduliran. Uporaba algoritmov za preverjanje in obnavljanje digitalnih informacij v digitalnih sistemih lahko znatno poveča zanesljivost prenosa informacij.

Komentar. Upoštevati je treba, da je pravi digitalni signal po svoji fizični naravi analogen. Zaradi hrupa in sprememb parametrov prenosnih vodov ima nihanja amplitude, faze/frekvence (tresenje), polarizacije. Toda ta analogni signal (impulzni in diskretni) je obdarjen z lastnostmi števila. Posledično je za njegovo obdelavo (računalniška obdelava) mogoče uporabiti numerične metode.

Povprečen človek ne razmišlja o naravi signalov, včasih pa je treba pomisliti na razliko med analognim in digitalnim oddajanjem oziroma formati. Analogne tehnologije privzeto veljajo za preteklost, kmalu pa jih bodo povsem nadomestile digitalne. Vredno je vedeti, čemu se odpovedujemo zaradi novih trendov.

Analogni signal- podatkovni signal, ki ga opisujejo neprekinjene funkcije časa, to pomeni, da lahko njegova amplituda nihanja zavzame poljubne vrednosti znotraj maksimuma.

Digitalni signal- podatkovni signal, ki ga opisujejo diskretne funkcije časa, to pomeni, da amplituda nihanj pridobi le strogo določene vrednosti.

V praksi to omogoča, da rečemo, da analogni signal spremlja velika količina šuma, digitalni signal pa jih uspešno filtrira. Slednji je sposoben obnoviti izvirne podatke. Poleg tega neprekinjen analogni signal pogosto nosi veliko nepotrebnih informacij, kar vodi do njegove redundance - namesto enega analognega se lahko prenaša več digitalnih signalov.

Če govorimo o televiziji in prav ta sfera skrbi večino potrošnikov s prehodom na "digitalno", potem lahko analogni signal štejemo za popolnoma zastarel. Vendar pa doslej analogne signale sprejema katera koli oprema, namenjena temu, digitalni pa zahteva posebno. Res je, s širjenjem "številk" analogni televizorji vedno manj in povpraševanje po njih drastično upada.

Druga pomembna značilnost signala je varnost. V tem pogledu analogni izkazuje popolno neobrambnost pred vplivi ali vdori od zunaj. Digitalni je šifriran tako, da se mu dodeli koda iz radijskih impulzov, tako da so motnje izključene. Digitalne signale je težko prenašati na dolge razdalje, zato se uporablja modulacijsko-demodulacijska shema.

Stran s sklepi

1. Analogni signal je neprekinjen, digitalni signal je diskreten.
2. Pri prenosu analognega signala je tveganje zamašitve kanala s šumom večje.
3. Analogni signal je odveč.
4. Digitalni signal filtrira šum in obnovi izvirne podatke.
5. Digitalni signal se prenaša šifriran.
6. Namesto enega analognega signala je mogoče poslati več digitalnih signalov.

Povprečnemu potrošniku ni treba vedeti, kakšna je narava signalov. Toda včasih je treba poznati razliko med analognimi in digitalnimi formati, da bi pristopili k izbiri te ali one možnosti z odprtimi očmi, saj se danes govori, da je čas analognih tehnologij minil, nadomeščajo jih digitalne . Morali bi razumeti razliko, da boste vedeli, kaj zapuščamo in kaj pričakovati.

Analogni signal je neprekinjen signal z neskončnim številom podatkov blizu vrednosti znotraj maksimuma, katerega vsi parametri so opisani s časovno odvisno spremenljivko.

Digitalni signal- to je ločen signal, ki ga opisuje ločena funkcija časa, oziroma v vsakem trenutku ima velikost amplitude signala strogo določeno vrednost.

Praksa je pokazala, da so pri analognih signalih možne motnje, ki jih je mogoče odpraviti z digitalnim signalom. Poleg tega lahko digitalni obnovi izvirne podatke. Pri neprekinjenem analognem signalu poteka veliko informacij, pogosto nepotrebnih. Namesto enega analognega se lahko prenaša več digitalnih.

Danes potrošnika zanima vprašanje televizije, saj je v tem kontekstu besedna zveza "prehod na digitalni signal". V tem primeru lahko analogno štejemo za relikt preteklosti, vendar je prav to, ki jo sprejema obstoječa tehnologija, za digitalni sprejem pa je potrebna posebna. Seveda v povezavi z nastankom in širitvijo uporabe "številk" izgubljajo svojo nekdanjo priljubljenost.

Prednosti in slabosti tipov signalov

Varnost igra pomembno vlogo pri ocenjevanju parametrov določenega signala. Različni vplivi, vdori naredijo analogni signal brez obrambe. Pri digitalnem je to izključeno, saj je kodirano iz radijskih impulzov. Na dolge razdalje je prenos digitalnih signalov zapleten, potrebno je uporabiti modulacijsko-demodulacijske sheme.

Če povzamemo, lahko rečemo razlike med analognim in digitalnim signalom je sestavljeno iz:

• V kontinuiteti analognega in diskretnosti digitalnega;
• Večja verjetnost, da moti analogni prenos;
• Redundanca analognega signala;
• V zmožnosti digitalnega filtriranja hrupa in obnovitve izvirnih informacij;
• Pri prenosu digitalnega signala v kodirani obliki. En analogni signal se nadomesti z več digitalnimi.

Zelo pogosto slišimo definicije kot "digitalni" ali "diskretni" signal, kako se razlikuje od "analognega"?

Razlika je v tem, da je analogni signal časovno neprekinjen (modra črta), medtem ko je digitalni signal sestavljen iz omejenega niza koordinat (rdeče pike). Če se vse zmanjša na koordinate, potem je kateri koli segment analognega signala sestavljen iz neskončnega števila koordinat.

Za digitalni signal se koordinate vzdolž vodoravne osi nahajajo v rednih intervalih, v skladu s frekvenco vzorčenja. V običajnem formatu Audio-CD je to 44.100 pik na sekundo. Navpično natančnost koordinatne višine ustreza številčni zmogljivosti digitalnega signala, za 8 bitov je 256 nivojev, za 16 bitov = 65536 in za 24 bitov = 16777216 ravni. Večja kot je bitna globina (število nivojev), bližje so navpične koordinate izvirnemu valu.

Analogni viri so vinilne in avdio kasete. Digitalni viri so: CD-Audio, DVD-Audio, SA-CD (DSD) in datoteke v formatih WAVE in DSD (vključno z izpeljankami APE, Flac, Mp3, Ogg itd.).

Prednosti in slabosti analognega signala

Prednost analognega signala je, da prav v analogni obliki zvok zaznavamo z ušesi. In čeprav naš slušni sistem zaznani zvočni tok pretvarja v digitalno obliko in ga v tej obliki prenaša v možgane, znanost in tehnologija še nista dosegli možnosti, da bi predvajalnike in druge vire zvoka neposredno povezali v tej obliki. Takšne raziskave se zdaj aktivno izvajajo za invalide in uživamo izključno v analognem zvoku.

Pomanjkljivost analognega signala je sposobnost shranjevanja, prenosa in repliciranja signala. Pri snemanju na trak ali vinil bo kakovost signala odvisna od lastnosti traku ali vinila. Sčasoma se bo trak razmagnetiziral in kakovost posnetega signala se bo poslabšala. Vsako branje postopoma uniči medij, prepisovanje pa vnese dodatno popačenje, kjer dodatne odstopanja dodaja naslednji medij (trak ali vinil), naprave za branje, snemanje in prenos signala.

Narediti kopijo analognega signala je kot narediti drugo fotografijo za kopiranje fotografije.

Prednosti in slabosti digitalnega signala

Prednosti digitalnega signala vključujejo natančnost pri kopiranju in prenosu zvočnega toka, pri čemer se izvirnik ne razlikuje od kopije.

Glavna pomanjkljivost je, da je digitalni signal vmesna stopnja in bo natančnost končnega analognega signala odvisna od tega, kako podrobno in natančno bodo opisane koordinate zvočnega vala. Povsem logično je, da več kot je točk in natančnejše kot so koordinate, bolj natančen bo val. Toda še vedno ni soglasja o tem, koliko koordinat in natančnosti podatkov zadostujeta, da bi lahko rekli, da digitalna predstavitev signala zadostuje za natančno rekonstrukcijo analognega signala, ki ga naša ušesa ne ločimo od izvirnika.

Glede na količino podatkov je zmogljivost običajne analogne avdio kasete le približno 700-1,1 MB, medtem ko običajni CD vsebuje 700 MB. To kaže na potrebo po medijih z visoko zmogljivostjo. In to povzroča ločeno vojno kompromisov z različnimi zahtevami glede števila opisnih točk in natančnosti koordinat.

Danes velja, da je dovolj, da predstavlja zvočni val s hitrostjo vzorčenja 44,1 kHz in bitno globino 16 bitov. S hitrostjo vzorčenja 44,1 kHz lahko obnovite do 22 kHz. Kot kažejo psihoakustične študije, je nadaljnje povečanje hitrosti vzorčenja malo opazno, vendar povečanje bitne globine daje subjektivno izboljšanje.

Kako DAC-ji gradijo val

DAC je digitalno-analogni pretvornik, element, ki pretvarja digitalni zvok v analogni. Hitro si bomo ogledali osnovna načela. Če komentarji pokažejo zanimanje za podrobnejšo obravnavo številnih točk, bo izdano ločeno gradivo.

Večbitni DAC-ji

Zelo pogosto je val predstavljen v obliki korakov, kar je posledica arhitekture prve generacije večbitnih R-2R DAC-jev, ki delujejo na podoben način kot stikalo iz releja.

Vhod DAC prejme vrednost naslednje koordinate vzdolž vertikale in v vsakem od svojih ciklov preklopi trenutni (napetostni) nivo na ustrezno raven do naslednje spremembe.

Čeprav se domneva, da človeško uho ne sliši več kot 20 kHz, in po Nyquistovi teoriji je mogoče obnoviti signal do 22 kHz, ostaja vprašanje kakovosti tega signala po obnovi. V visokofrekvenčnem območju je oblika nastalega "koračnega" vala običajno daleč od prvotne. Najlažji izhod iz situacije je povečati hitrost vzorčenja pri snemanju, vendar to vodi do znatnega in neželenega povečanja velikosti datoteke.

Druga možnost je umetno povečanje stopnje vzorčenja med predvajanjem v DAC z dodajanjem vmesnih vrednosti. tiste. predstavljamo pot neprekinjenega vala (siva črtkana črta), gladko povežemo prvotne koordinate (rdeče točke) in dodamo vmesne točke na tej črti (temno vijolična).

Pri povečanju hitrosti vzorčenja je običajno treba povečati bitno globino, tako da so koordinate bližje aproksimiranemu valu.

Zahvaljujoč vmesnim koordinatam je mogoče zmanjšati "korake" in zgraditi val bližje izvirniku.

Ko v predvajalniku ali zunanjem DAC-u vidite funkcijo povečanja od 44,1 do 192 kHz, je to funkcija za dodajanje vmesnih koordinat, ne pa obnavljanja ali ustvarjanja zvoka v območju nad 20 kHz.

Sprva so bila to ločena mikrovezja SRC pred DAC, ki so se nato preselila neposredno v mikrovezja DAC sama. Danes lahko najdete rešitve, kjer je takšno mikrovezje dodano sodobnim DAC-jem, to je storjeno, da bi zagotovili alternativo vgrajenim algoritmom v DAC in včasih dobili še več najboljši zvok(kot je na primer v Hidizs AP100).

Glavna zavrnitev večbitnih DAC-jev v industriji se je zgodila zaradi nezmožnosti nadaljnjega tehnološkega razvoja kazalnikov kakovosti s trenutnimi proizvodnimi tehnologijami in višjih stroškov v primerjavi z "impulznimi" DAC-ji s primerljivimi lastnostmi. Kljub temu se pri izdelkih Hi-End pogosto daje prednost starim večbitnim DAC-jem kot novim rešitvam s tehnično boljšimi lastnostmi.

Impulzni DAC

V poznih 70-ih je postala razširjena alternativna različica DAC-jev, ki temelji na "impulzni" arhitekturi - "delta-sigma". Impulzna DAC tehnologija je omogočila nastanek ultra hitrih stikal in omogočila uporabo visoke nosilne frekvence.

Amplituda signala je povprečna vrednost amplitud impulza (impulzi enake amplitude so prikazani v zeleni barvi, končni zvočni val pa v beli).

Na primer, zaporedje osmih urnih ciklov petih impulzov bo dalo povprečno amplitudo (1 + 1 + 1 + 0 + 0 + 1 + 1 + 0) / 8 = 0,625. Višja kot je nosilna frekvenca, več impulzov bo zglajenih in bolj natančna bo amplituda. To je omogočilo predstavitev zvočnega toka v enobitni obliki s širokim dinamičnim razponom.

Povprečenje se lahko izvede kot običajno analogni filter in če se tak niz impulzov nanese neposredno na zvočnik, potem bomo na izhodu dobili zvok in ultra visoke frekvence ne bo reproduciran zaradi velike inertnosti oddajnika. Po tem principu delujejo PWM ojačevalniki razreda D, kjer se energijska gostota impulzov ne ustvarja z njihovim številom, temveč s trajanjem posameznega impulza (kar je lažje izvedljivo, vendar ga ni mogoče opisati s preprosto binarno kodo).

Večbitni DAC si lahko predstavljamo kot tiskalnik, ki lahko nanese barvo s črnili Pantone. Delta-Sigma je brizgalni tiskalnik z omejenim naborom barv, vendar zaradi možnosti nanašanja zelo majhnih pik (v primerjavi z rogovskim tiskalnikom) zaradi različne gostote pik na enoto površine daje več odtenkov.

Na sliki običajno ne vidimo posameznih točk zaradi nizke ločljivosti očesa, temveč le srednji ton. Prav tako uho ne sliši impulzov ločeno.

Navsezadnje lahko s trenutnimi tehnologijami v impulznih DAC-jih dobite val, ki je blizu tistemu, ki bi ga teoretično moral dobiti pri približevanju vmesnih koordinat.

Treba je opozoriti, da je po pojavu delta-sigma DAC nujnost risanja "digitalnega vala" s koraki izginila, saj tako sodobni DAC-ji ne gradijo vala s koraki. Pravilno konstruirajte diskretni signal s točkami, povezanimi z gladko črto.

Ali so preklopni DAC idealni?

Toda v praksi ni vse brez oblakov in obstajajo številne težave in omejitve.

Ker ogromno število zapisov je shranjenih v večbitnem signalu, nato pa pretvorba v impulzni signal po principu “bit-for-bit” zahteva nepotrebno visoko nosilno frekvenco, ki je sodobni DAC-ji ne podpirajo.

Glavna funkcija sodobnih impulznih DAC-jev je pretvorba večbitnega signala v enobitni z relativno nizko nosilno frekvenco z decimacijo podatkov. V bistvu so ti algoritmi tisti, ki določajo končno kakovost zvoka impulznih DAC-jev.

Da bi zmanjšali problem visoke nosilne frekvence, je zvočni tok razdeljen na več enobitnih tokov, kjer je vsak tok odgovoren za svojo skupino izpustov, kar je enako večkratnemu povečanju nosilne frekvence števila tokov. . Ti DAC-ji se imenujejo večbitni delta-sigma DAC-ji.

Impulzni DAC-ji so danes prejeli drugi veter v mikrovezjih za visoke hitrosti. glavni namen v produktih podjetij NAD in Chord zaradi zmožnosti fleksibilnega programiranja algoritmov transformacije.

format DSD

Po široki uporabi delta-sigma DAC-jev je bil videz formata snemanja povsem logičen. binarna koda neposredno delta-sigma kodirano. Ta format se imenuje DSD (Direct Stream Digital).

Format ni bil široko uporabljen iz več razlogov. Urejanje datotek v tej obliki se je izkazalo za nepotrebno omejeno: ne morete mešati tokov, prilagajati glasnosti in uporabljati izravnavo. To pomeni, da lahko brez izgube kakovosti arhivirate le analogne posnetke in naredite dvomikrofonski posnetek nastopov v živo brez nadaljnje obdelave. Z eno besedo, denarja res ne moreš zaslužiti.

V boju proti piratstvu SA-CD-jev niso podprli (in jih do sedaj ne podpirajo) računalniki, kar jim onemogoča kopiranje. Brez kopij - brez splošne publike. Zvočno vsebino DSD je bilo mogoče predvajati samo iz ločenega predvajalnika SA-CD z diska z blagovno znamko. Če za format PCM obstaja standard SPDIF za digitalni prenos podatkov iz vira v ločen DAC, potem za format DSD ni standarda in prve piratske kopije SA-CD diskov so bile digitalizirane iz analognih izhodov SA -CD predvajalniki (čeprav se zdi situacija neumna, vendar so bili v resnici nekateri posnetki izdani samo na SA-CD, ali pa je bil isti posnetek na Audio-CD posebej slabo narejen za promocijo SA-CD).

Prelomnica se je zgodila z izdajo igralnih konzol SONY, kjer je bil SA-CD samodejno kopiran na trdi disk predpone. Ljubitelji formata DSD so to izkoristili. Pojav piratskih posnetkov je spodbudil trg k izdaji ločenih DAC-jev za predvajanje DSD tokov. Večina zunanjih DAC-jev s podporo za DSD danes podpira prenos podatkov USB z uporabo formata DoP kot ločeno kodiranje digitalnega signala prek SPDIF.

Nosilne frekvence za DSD so razmeroma majhne, ​​2,8 in 5,6 MHz, vendar ta zvočni tok ne zahteva nobenih pretvorb decimacije in je precej konkurenčen formatom visoke ločljivosti, kot je DVD-Audio.

Ni dokončnega odgovora na vprašanje, kaj je bolje, DSP ali PCM. Vse je odvisno od kakovosti izvedbe določenega DAC-a in talenta tonskega mojstra pri snemanju končne datoteke.

Splošni sklep

Analogni zvok je tisto, kar slišimo in zaznavamo kot svet okoli nas z očmi. Digitalni zvok je niz koordinat, ki opisujejo zvočni val in ga ne moremo neposredno slišati, ne da bi ga pretvorili v analogni signal.

Analognega signala, posnetega neposredno na avdio trak ali vinil, ni mogoče ponovno posneti brez izgube kakovosti, medtem ko je val v digitalni obliki mogoče kopirati bit za bitjem.

Digitalni zapisovalni formati so stalni kompromis med količino koordinatne natančnosti in velikostjo datoteke, vsak digitalni signal pa je le približek izvirnemu analognemu signalu. Vendar pa hkrati različne ravni tehnologij za snemanje in reprodukcijo digitalnega signala ter shranjevanje na medij za analogni signal dajejo več prednosti digitalni predstavitvi signala, podobno kot digitalni fotoaparat v primerjavi s filmsko kamero.

Predavanje 4. Metode omrežne komunikacije.

Omrežne komunikacijske metode

Signali

Kot smo že omenili, obstaja veliko načinov za fizično ustvarjanje in prenos signala, električni impulzi lahko potujejo skozi bakreno žico, svetlobni impulzi skozi steklena ali plastična vlakna, radijski signali se prenašajo po zraku, laserski impulzi pa se prenašajo v infrardeči ali vidni svetlobi. Pretvorba enot in ničel, ki predstavljajo podatke v računalniku, v impulze energije se imenuje kodiranje (modulacija).

Podobno kot pri klasifikaciji računalniških omrežij lahko signale razvrstimo glede na njihove različne značilnosti. Signali so naslednji:

analogni in digitalni,

modulirano in modulirano,

sinhroni in asinhroni,

simpleks, pol-dupleks, dupleks in multipleks

Analogni in digitalni signali

Glede na obliko električne napetosti (ki jo lahko vidimo na zaslonu osciloskopa) delimo signale na analogne in digitalne.Ti izrazi so vam najverjetneje že seznanjeni, saj jih precej pogosto najdemo v dokumentaciji različne elektronske opreme. , kot so magnetofoni, televizorji, telefoni itd. itd.

V nekem smislu analogna oprema predstavlja odhajajočo dobo elektronske tehnologije, digitalna oprema pa je najnovejša, ki jo bo nadomestila. Upoštevajte pa, da ena vrsta signala ne more biti boljša od druge. Vsak od njih ima svoje prednosti in slabosti, pa tudi svoja področja uporabe. Čeprav se digitalni signali uporabljajo vse širše, ne bodo nikoli nadomestili analognih.

Parametri analognega signala

Analogni signali se skozi čas gladko in neprekinjeno spreminjajo, zato jih lahko grafično predstavimo kot gladko krivuljo (slika 4.1).

V naravi je velika večina procesov v osnovi analognih. Na primer, zvok je sprememba zračnega tlaka, ki se lahko z mikrofonom pretvori v električno napetost. Ko nanesete to napetost na vhod osciloskopa, lahko vidite graf, podoben tistemu, ki je prikazan na sl. 4.1, tj. lahko spremljate, kako se zračni tlak spreminja skozi čas.

Za boljšo predstavo o analognih informacijah si omislite tradicionalni merilnik hitrosti v avtomobilu. Ko se hitrost vozila povečuje, se igla gladko premika na lestvici od ene številke do druge. Drug primer je uglasitev postaje v radijskem sprejemniku: ko zavrtite gumb, se sprejeta frekvenca gladko spreminja.

Večina analognih signalov je cikličnih ali periodičnih, kot so radijski valovi, ki so visokofrekvenčna nihanja elektromagnetnega polja. Za takšne ciklične analogne signale so običajno značilni trije parametri.

Amplituda. Največja ali najmanjša vrednost signala, t.j. višina valovanja.

Frekvenca. Število cikličnih sprememb signala na sekundo. Frekvenca se meri v hercih (Hz); 1 Hz je en cikel na sekundo.

Faza. Položaj vala glede na drug val ali glede na določeno časovno točko, ki služi kot referenčna točka. Faza se običajno meri v stopinjah in velja, da je celoten cikel 360 stopinj.

Parametri digitalnega signala

Drugo ime za digitalne signale je diskretni.Dokaj pogosto se srečamo z izrazom diskretna stanja.Digitalni signali se skoraj v trenutku prehajajo iz enega diskretnega stanja v drugo, ne da bi se ustavili v vmesnih stanjih (slika 4.2).

Primer digitalnega signala bi bil odčitek na najnovejšem digitalnem merilniku hitrosti v avtomobilu (primerjajte s primerom analognega merilnika hitrosti v prejšnjem razdelku). Ko se hitrost vozila poveča, se številke, ki prikazujejo hitrost v kilometrih na uro, preklopijo v skoke, vrednost signala pa je v glavnem diskretna: na primer med diskretnima stanjema "125 km/h" in "126" ni vmesnih vrednosti. km / h". Drug primer digitalnih informacij je najsodobnejši radio, pri katerem uporabnik vnese natančno število, ki je enako frekvenci radijske postaje, da se uglasi na določeno postajo.

Digitalno vezje je najpomembnejša disciplina, ki se preučuje v vseh visokošolskih in srednješolskih ustanovah, ki usposabljajo strokovnjake za elektroniko. Pravi radijski amater bi moral biti dobro seznanjen s to zadevo. Toda večina knjig in učni pripomočki napisano v jeziku, ki ga je zelo težko razumeti in ga bo inženir elektronike začetnik (morda šolar) težko obvladal nove informacije... Serija novih učnih gradiv Master Kit je zasnovana tako, da zapolni to vrzel: v naših člankih so zapleteni koncepti opisani z najpreprostejšimi besedami.

8.1. Analogni in digitalni signali

Najprej morate ugotoviti, kako se analogno vezje na splošno razlikuje od digitalnega. In glavna razlika je v signalih, s katerimi ta vezja delujejo.
Vse signale lahko razdelimo na dve glavni vrsti: analogni in digitalni.

Analogni signali

Analogni signali so nam najbolj poznani. Lahko rečemo, da je celoten naravni svet okoli nas analogen. Naš vid in sluh, pa tudi vsi drugi čutni organi, zaznavajo prihajajoče informacije v analogni obliki, torej neprekinjeno v času. Prenos zvočnih informacij - človeški govor, zvoki glasbil, rjovenje živali, zvoki narave itd. - izvedeno tudi v analogni obliki.
Da bi to vprašanje še bolje razumeli, narišemo analogni signal (slika 1.):

Slika 1. Analogni signal

Vidimo, da je analogni signal neprekinjen v času in amplitudi. Za vsak trenutek lahko določite natančno vrednost amplitude analognega signala.

Digitalni signali

Analizirajmo amplitudo signala ne stalno, ampak diskretno, v določenih intervalih. Na primer, enkrat na sekundo ali pogosteje: desetkrat na sekundo. Kako pogosto to počnemo, se imenuje hitrost vzorčenja: enkrat na sekundo - 1 Hz, tisočkrat na sekundo - 1000 Hz ali 1 kHz.

Zaradi jasnosti narišemo grafe analognega (zgoraj) in digitalnega (spodaj) signala (slika 2.):

Slika 2. Analogni signal (zgoraj) in digitalna kopija (spodaj)

Vidimo, da je v vsakem trenutnem časovnem obdobju mogoče ugotoviti trenutno digitalno vrednost amplitude signala. Kaj se dogaja s signalom (po katerem zakonu se spreminja, kakšna je njegova amplituda) med "preverljivimi" intervali, ne vemo, ta podatek se za nas izgubi. Manj pogosto preverjamo nivo signala (nižja je stopnja vzorčenja), manj imamo informacij o signalu. Seveda velja tudi nasprotno: višja kot je stopnja vzorčenja, tem boljša kakovost predstavitev signala. V meji, povečanju hitrosti vzorčenja do neskončnosti, dobimo praktično enak analogni signal.
Ali to pomeni, da je analogni signal vseeno boljši od digitalnega? V teoriji morda da. Toda v praksi sodobni analogno-digitalni pretvorniki (ADC) delujejo s tako visoko hitrostjo vzorčenja (do več milijonov vzorcev na sekundo), zato opišejo analogni signal v digitalni obliki tako kakovostno, da človek začuti (oči, ušesa). ) ne čuti več razlike med izvirnim signalom in njegovim digitalnim modelom. Digitalni signal ima zelo pomembno prednost: lažje ga je prenašati po žicah ali radijskih valovih, motnje na tak signal ne vplivajo bistveno. Zato vse moderno mobilno povezavo, televizijsko in radijsko oddajanje - digitalno.

Spodnji graf na sl. 2 lahko enostavno predstavimo v drugi obliki - kot dolgo zaporedje para številk: čas / amplituda. In številke so točno tisto, kar potrebujejo digitalna vezja. resnica, digitalna vezja raje delajte s številkami na poseben način, a o tem bomo govorili v naslednji lekciji.

Zdaj lahko naredimo pomembne zaključke:

Digitalni signal je diskreten, določimo ga lahko le za določene časovne točke;
- višja kot je stopnja vzorčenja, boljša je natančnost predstavitve digitalnega signala.

Analogni signal je podatkovni signal, v katerem je vsak od reprezentančnih parametrov opisan s funkcijo časa in neprekinjenim nizom možnih vrednosti.

Obstajata dva signalna prostora - prostor L (neprekinjeni signali) in prostor l (L je majhen) - prostor zaporedij. Prostor l (L je majhen) je prostor Fourierjevih koeficientov (prešteven niz števil, ki definirajo neprekinjeno funkcijo na končnem intervalu domene definicije), prostor L je prostor zveznih (analognih) signalov nad domeno definicije. Pod določenimi pogoji je prostor L enolično preslikan v prostor l (na primer prva dva Kotelnikova diskretizacijski izrek).

Analogni signali so opisani kot neprekinjene funkcije časa, zato se analogni signal včasih imenuje neprekinjen signal. Analogni signali so v nasprotju z diskretnimi (kvantiziranimi, digitalnimi). Primeri neprekinjenih prostorov in ustreznih fizikalnih veličin:

neposredno: električna napetost

obseg: položaj rotorja, kolesa, zobnikov, kazalcev analogne ure ali faza nosilnega signala

segment: položaj bata, krmilna ročica, tekoči termometer ali električni signal, amplitudno omejeni različni večdimenzionalni prostori: barvni, kvadraturno modulirani signal.

Lastnosti analognih signalov so v veliki meri nasprotne lastnostim kvantiziranih ali digitalnih signalov.

Pomanjkanje med seboj jasno ločljivih diskretnih nivojev signala vodi v nezmožnost uporabe koncepta informacije za njen opis v obliki, kot jo razumejo digitalne tehnologije. "Količina informacij", ki jo vsebuje en vzorec, bo omejena le z dinamičnim razponom merilnega instrumenta.

Brez odvečnosti. Iz kontinuitete vrednostnega prostora sledi, da se kakršna koli interferenca, ki se vnese v signal, ne razlikuje od samega signala in zato prvotne amplitude ni mogoče obnoviti. Dejansko je filtriranje možno, na primer s frekvenčnimi metodami, če so znane kakršne koli dodatne informacije o lastnostih tega signala (zlasti frekvenčni pas).

Aplikacija:

Analogni signali se pogosto uporabljajo za predstavljanje nenehno spreminjajočih se fizičnih veličin. Na primer, analogni električni signal, vzet iz termoelementa, nosi informacije o temperaturnih spremembah, signal iz mikrofona - o hitrih spremembah tlaka v zvočnem valu itd.

2.2 Digitalni signal

Digitalni signal je podatkovni signal, v katerem je vsak od reprezentančnih parametrov opisan z diskretno časovno funkcijo in končnim naborom možnih vrednosti.

Signali so diskretni električni ali svetlobni impulzi. Pri tej metodi se za prenos enega signala porabi celotna zmogljivost komunikacijskega kanala. Digitalni signal uporablja celotno pasovno širino kabla. Pasovna širina je razlika med največjo in najmanjšo frekvenco, ki se lahko prenaša po kablu. Vsaka naprava v takšnih omrežjih pošilja podatke v obe smeri, nekatere pa jih lahko hkrati sprejemajo in prenašajo. Osnovni pasovni sistemi prenašajo podatke kot digitalni signal ene frekvence.

Diskretni digitalni signal je težje oddajati na velike razdalje kot analogni signal, zato je na strani oddajnika predmoduliran in na strani sprejemnika informacij demoduliran. Uporaba algoritmov za preverjanje in obnavljanje digitalnih informacij v digitalnih sistemih lahko znatno poveča zanesljivost prenosa informacij.

Komentar. Upoštevati je treba, da je pravi digitalni signal po svoji fizični naravi analogen. Zaradi hrupa in sprememb parametrov prenosnih vodov ima nihanja amplitude, faze/frekvence (tresenje), polarizacije. Toda ta analogni signal (impulzni in diskretni) je obdarjen z lastnostmi števila. Posledično je za njegovo obdelavo (računalniška obdelava) mogoče uporabiti numerične metode.

Zelo pogosto slišimo definicije kot "digitalni" ali "diskretni" signal, kako se razlikuje od "analognega"?

Razlika je v tem, da je analogni signal časovno neprekinjen (modra črta), medtem ko je digitalni signal sestavljen iz omejenega niza koordinat (rdeče pike). Če se vse zmanjša na koordinate, potem je kateri koli segment analognega signala sestavljen iz neskončnega števila koordinat.

Za digitalni signal se koordinate vzdolž vodoravne osi nahajajo v rednih intervalih, v skladu s frekvenco vzorčenja. V običajnem formatu Audio-CD je to 44.100 pik na sekundo. Navpično natančnost koordinatne višine ustreza številčni zmogljivosti digitalnega signala, za 8 bitov je 256 nivojev, za 16 bitov = 65536 in za 24 bitov = 16777216 ravni. Večja kot je bitna globina (število nivojev), bližje so navpične koordinate izvirnemu valu.

Analogni viri so vinilne in avdio kasete. Digitalni viri so: CD-Audio, DVD-Audio, SA-CD (DSD) in datoteke v formatih WAVE in DSD (vključno z izpeljankami APE, Flac, Mp3, Ogg itd.).

Prednosti in slabosti analognega signala

Prednost analognega signala je, da prav v analogni obliki zvok zaznavamo z ušesi. In čeprav naš slušni sistem zaznani zvočni tok pretvarja v digitalno obliko in ga v tej obliki prenaša v možgane, znanost in tehnologija še nista dosegli možnosti, da bi predvajalnike in druge vire zvoka neposredno povezali v tej obliki. Takšne raziskave se zdaj aktivno izvajajo za invalide in uživamo izključno v analognem zvoku.

Pomanjkljivost analognega signala je sposobnost shranjevanja, prenosa in repliciranja signala. Pri snemanju na trak ali vinil bo kakovost signala odvisna od lastnosti traku ali vinila. Sčasoma se bo trak razmagnetiziral in kakovost posnetega signala se bo poslabšala. Vsako branje postopoma uniči medij, prepisovanje pa vnese dodatno popačenje, kjer dodatne odstopanja dodaja naslednji medij (trak ali vinil), naprave za branje, snemanje in prenos signala.

Narediti kopijo analognega signala je kot narediti drugo fotografijo za kopiranje fotografije.

Prednosti in slabosti digitalnega signala

Prednosti digitalnega signala vključujejo natančnost pri kopiranju in prenosu zvočnega toka, pri čemer se izvirnik ne razlikuje od kopije.

Glavna pomanjkljivost je, da je digitalni signal vmesna stopnja in bo natančnost končnega analognega signala odvisna od tega, kako podrobno in natančno bodo opisane koordinate zvočnega vala. Povsem logično je, da več kot je točk in natančnejše kot so koordinate, bolj natančen bo val. Toda še vedno ni soglasja o tem, koliko koordinat in natančnosti podatkov zadostujeta, da bi lahko rekli, da digitalna predstavitev signala zadostuje za natančno rekonstrukcijo analognega signala, ki ga naša ušesa ne ločimo od izvirnika.

Glede na količino podatkov je zmogljivost običajne analogne avdio kasete le približno 700-1,1 MB, medtem ko običajni CD vsebuje 700 MB. To kaže na potrebo po medijih z visoko zmogljivostjo. In to povzroča ločeno vojno kompromisov z različnimi zahtevami glede števila opisnih točk in natančnosti koordinat.

Danes velja, da je dovolj, da predstavlja zvočni val s hitrostjo vzorčenja 44,1 kHz in bitno globino 16 bitov. S hitrostjo vzorčenja 44,1 kHz lahko obnovite do 22 kHz. Kot kažejo psihoakustične študije, je nadaljnje povečanje hitrosti vzorčenja malo opazno, vendar povečanje bitne globine daje subjektivno izboljšanje.

Kako DAC-ji gradijo val

DAC je digitalno-analogni pretvornik, element, ki pretvarja digitalni zvok v analogni. Hitro si bomo ogledali osnovna načela. Če komentarji pokažejo zanimanje za podrobnejšo obravnavo številnih točk, bo izdano ločeno gradivo.

Večbitni DAC-ji

Zelo pogosto je val predstavljen v obliki korakov, kar je posledica arhitekture prve generacije večbitnih R-2R DAC-jev, ki delujejo na podoben način kot stikalo iz releja.

Vhod DAC prejme vrednost naslednje koordinate vzdolž vertikale in v vsakem od svojih ciklov preklopi trenutni (napetostni) nivo na ustrezno raven do naslednje spremembe.

Čeprav se domneva, da človeško uho ne sliši več kot 20 kHz, in po Nyquistovi teoriji je mogoče obnoviti signal do 22 kHz, ostaja vprašanje kakovosti tega signala po obnovi. V visokofrekvenčnem območju je oblika nastalega "koračnega" vala običajno daleč od prvotne. Najlažji izhod iz situacije je povečati hitrost vzorčenja pri snemanju, vendar to vodi do znatnega in neželenega povečanja velikosti datoteke.

Druga možnost je umetno povečanje stopnje vzorčenja med predvajanjem v DAC z dodajanjem vmesnih vrednosti. tiste. predstavljamo pot neprekinjenega vala (siva črtkana črta), ki gladko povezuje prvotne koordinate (rdeče pike) in na tej črti dodamo vmesne točke (temno vijolična).

Pri povečanju hitrosti vzorčenja je običajno treba povečati bitno globino, tako da so koordinate bližje aproksimiranemu valu.

Zahvaljujoč vmesnim koordinatam je mogoče zmanjšati "korake" in zgraditi val bližje izvirniku.

Ko v predvajalniku ali zunanjem DAC-u vidite funkcijo povečanja od 44,1 do 192 kHz, je to funkcija za dodajanje vmesnih koordinat, ne pa obnavljanja ali ustvarjanja zvoka v območju nad 20 kHz.

Sprva so bila to ločena mikrovezja SRC pred DAC, ki so se nato preselila neposredno v mikrovezja DAC sama. Danes lahko najdete rešitve, kjer je takšno mikrovezje dodano sodobnim DAC-jem, to je storjeno, da bi zagotovili alternativo vgrajenim algoritmom v DAC-u in včasih dobili še boljši zvok (kot je na primer v Hidizsu AP100).

Glavna zavrnitev večbitnih DAC-jev v industriji se je zgodila zaradi nezmožnosti nadaljnjega tehnološkega razvoja kazalnikov kakovosti s trenutnimi proizvodnimi tehnologijami in višjih stroškov v primerjavi z "impulznimi" DAC-ji s primerljivimi lastnostmi. Kljub temu se pri izdelkih Hi-End pogosto daje prednost starim večbitnim DAC-jem kot novim rešitvam s tehnično boljšimi lastnostmi.

Impulzni DAC

V poznih 70-ih je postala razširjena alternativna različica DAC-jev, ki temelji na "impulzni" arhitekturi - "delta-sigma". Impulzna DAC tehnologija je omogočila nastanek ultra hitrih stikal in omogočila uporabo visoke nosilne frekvence.

Amplituda signala je povprečna vrednost amplitud impulza (impulzi enake amplitude so prikazani v zeleni barvi, končni zvočni val pa v beli).

Na primer, zaporedje osmih urnih ciklov petih impulzov bo dalo povprečno amplitudo (1 + 1 + 1 + 0 + 0 + 1 + 1 + 0) / 8 = 0,625. Višja kot je nosilna frekvenca, več impulzov bo zglajenih in bolj natančna bo amplituda. To je omogočilo predstavitev zvočnega toka v enobitni obliki s širokim dinamičnim razponom.

Povprečje je mogoče opraviti z navadnim analognim filtrom in če tak niz impulzov nanesemo neposredno na zvočnik, bomo na izhodu dobili zvok, ultra visoke frekvence pa se zaradi velike vztrajnosti oddajnika ne bodo reproducirali. Po tem principu delujejo PWM ojačevalniki razreda D, kjer se energijska gostota impulzov ne ustvarja z njihovim številom, temveč s trajanjem posameznega impulza (kar je lažje izvedljivo, vendar ga ni mogoče opisati s preprosto binarno kodo).

Večbitni DAC si lahko predstavljamo kot tiskalnik, ki lahko nanese barvo s črnili Pantone. Delta-Sigma je brizgalni tiskalnik z omejenim naborom barv, vendar zaradi možnosti nanašanja zelo majhnih pik (v primerjavi z rogovskim tiskalnikom) zaradi različne gostote pik na enoto površine daje več odtenkov.

Na sliki običajno ne vidimo posameznih točk zaradi nizke ločljivosti očesa, temveč le srednji ton. Prav tako uho ne sliši impulzov ločeno.

Navsezadnje lahko s trenutnimi tehnologijami v impulznih DAC-jih dobite val, ki je blizu tistemu, ki bi ga teoretično moral dobiti pri približevanju vmesnih koordinat.

Treba je opozoriti, da je po pojavu delta-sigma DAC nujnost risanja "digitalnega vala" s koraki izginila, saj tako sodobni DAC-ji ne gradijo vala s koraki. Pravilno konstruirajte diskretni signal s točkami, povezanimi z gladko črto.

Ali so preklopni DAC idealni?

Toda v praksi ni vse brez oblakov in obstajajo številne težave in omejitve.

Ker ogromno število zapisov je shranjenih v večbitnem signalu, nato pa pretvorba v impulzni signal po principu “bit-for-bit” zahteva nepotrebno visoko nosilno frekvenco, ki je sodobni DAC-ji ne podpirajo.

Glavna funkcija sodobnih impulznih DAC-jev je pretvorba večbitnega signala v enobitni z relativno nizko nosilno frekvenco z decimacijo podatkov. V bistvu so ti algoritmi tisti, ki določajo končno kakovost zvoka impulznih DAC-jev.

Da bi zmanjšali problem visoke nosilne frekvence, je zvočni tok razdeljen na več enobitnih tokov, kjer je vsak tok odgovoren za svojo skupino izpustov, kar je enako večkratnemu povečanju nosilne frekvence števila tokov. . Ti DAC-ji se imenujejo večbitni delta-sigma DAC-ji.

Danes so impulzni DAC-ji prejeli drugi veter pri hitrih čipih splošnega namena v izdelkih NAD in Chord zaradi zmožnosti fleksibilnega programiranja algoritmov pretvorbe.

format DSD

Po široki uporabi delta-sigma DAC-jev je bilo povsem logično, da se je format binarne kode pojavil neposredno v delta-sigma kodiranju. Ta format se imenuje DSD (Direct Stream Digital).

Format ni bil široko uporabljen iz več razlogov. Urejanje datotek v tej obliki se je izkazalo za nepotrebno omejeno: ne morete mešati tokov, prilagajati glasnosti in uporabljati izravnavo. To pomeni, da lahko brez izgube kakovosti arhivirate le analogne posnetke in naredite dvomikrofonski posnetek nastopov v živo brez nadaljnje obdelave. Z eno besedo, denarja res ne moreš zaslužiti.

V boju proti piratstvu SA-CD-jev niso podprli (in jih do sedaj ne podpirajo) računalniki, kar jim onemogoča kopiranje. Brez kopij - brez splošne publike. Zvočno vsebino DSD je bilo mogoče predvajati samo iz ločenega predvajalnika SA-CD z diska z blagovno znamko. Če za format PCM obstaja standard SPDIF za digitalni prenos podatkov iz vira v ločen DAC, potem za format DSD ni standarda in prve piratske kopije SA-CD diskov so bile digitalizirane iz analognih izhodov SA -CD predvajalniki (čeprav se zdi situacija neumna, vendar so bili v resnici nekateri posnetki izdani samo na SA-CD, ali pa je bil isti posnetek na Audio-CD posebej slabo narejen za promocijo SA-CD).

Prelomnica se je zgodila z izdajo igralnih konzol SONY, kjer je bil SA-CD disk pred predvajanjem samodejno kopiran na trdi disk konzole. Ljubitelji formata DSD so to izkoristili. Pojav piratskih posnetkov je spodbudil trg k izdaji ločenih DAC-jev za predvajanje DSD tokov. Večina zunanjih DAC-jev s podporo za DSD danes podpira prenos podatkov USB z uporabo formata DoP kot ločeno kodiranje digitalnega signala prek SPDIF.

Nosilne frekvence za DSD so razmeroma majhne, ​​2,8 in 5,6 MHz, vendar ta zvočni tok ne zahteva nobenih pretvorb decimacije in je precej konkurenčen formatom visoke ločljivosti, kot je DVD-Audio.

Ni dokončnega odgovora na vprašanje, kaj je bolje, DSP ali PCM. Vse je odvisno od kakovosti izvedbe določenega DAC-a in talenta tonskega mojstra pri snemanju končne datoteke.

Splošni sklep

Analogni zvok je tisto, kar slišimo in zaznavamo kot svet okoli nas z očmi. Digitalni zvok je niz koordinat, ki opisujejo zvočni val in ga ne moremo neposredno slišati, ne da bi ga pretvorili v analogni signal.

Analognega signala, posnetega neposredno na avdio trak ali vinil, ni mogoče ponovno posneti brez izgube kakovosti, medtem ko je val v digitalni obliki mogoče kopirati bit za bitjem.

Digitalni zapisovalni formati so stalni kompromis med količino koordinatne natančnosti in velikostjo datoteke, vsak digitalni signal pa je le približek izvirnemu analognemu signalu. Vendar pa hkrati različne ravni tehnologij za snemanje in reprodukcijo digitalnega signala ter shranjevanje na medij za analogni signal dajejo več prednosti digitalni predstavitvi signala, podobno kot digitalni fotoaparat v primerjavi s filmsko kamero.