Informatiesignalen. Analoge signalen

Met deze woorden begon Johannes zijn Evangelie, waarin hij tijden buiten de grenzen van onze jaartelling beschreef. We beginnen dit artikel met niet minder pathos, en in alle ernst verklaren we dat er op het gebied van de omroep ‘in het begin een signaal was’.

Bij televisie is, net als bij alle elektronica, het signaal de basis. Als we het erover hebben, bedoelen we elektromagnetische oscillaties die zich met behulp van een zendantenne in de lucht voortplanten en stroomschommelingen in de ontvangstantenne veroorzaken. De uitzendgolf kan zowel in continue als gepulseerde vorm worden gepresenteerd, wat een aanzienlijke invloed heeft op het eindresultaat: de kwaliteit van de tv-ontvangst.

Wat is analoge televisie? Dit is televisie, voor iedereen bekend, die werd gezien door de ouders van onze ouders. Het wordt op een niet-gecodeerde manier uitgezonden, de basis is een analoog signaal en wordt ontvangen door een gewone analoge tv, die ons al sinds onze kindertijd bekend is. Momenteel wordt in veel landen het proces van het digitaliseren van het analoge signaal, en dus van de terrestrische televisie, uitgevoerd. In sommige Europese landen is dit proces al voltooid en is analoge televisie via de ether uitgeschakeld. Daar zijn redenen voor, die dit artikel suggereert te begrijpen.

Verschillen tussen een digitaal signaal en een analoog signaal

Voor de meeste mensen kan het verschil tussen een analoog en digitaal signaal behoorlijk subtiel zijn. En toch is hun verschil aanzienlijk en ligt het niet alleen in de kwaliteit van de televisie-uitzending.

Een analoog signaal zijn de ontvangen gegevens die we zien, horen en waarnemen als de wereld om ons heen. Deze methode voor het genereren, verwerken, verzenden en opnemen van signalen is traditioneel en nog steeds wijdverbreid. De gegevens worden omgezet in elektromagnetische golven, die de frequentie en intensiteit van de verschijnselen weerspiegelen volgens het principe van volledige correspondentie.

Een digitaal signaal is een reeks coördinaten die een elektromagnetische golf beschrijven, die zonder decodering niet ontoegankelijk is voor directe waarneming, omdat is een reeks elektromagnetische pulsen. Als ze het hebben over discretie en continuïteit van signalen, bedoelen ze respectievelijk ‘waarden nemen uit een eindige set’ en ‘waarden halen uit een oneindige set’.

Een voorbeeld van discretie zijn schoolcijfers, die waarden uit de set 1,2,3,4,5 aannemen. In feite wordt een digitaal videosignaal vaak gecreëerd door het digitaliseren van een analoog signaal.

Als we de theorie achter ons laten, kunnen we in werkelijkheid de volgende belangrijke verschillen tussen analoge en digitale signalen benadrukken:

1. analoge televisie is kwetsbaar voor interferentie die ruis introduceert, terwijl de digitale impuls ofwel volledig wordt geblokkeerd door interferentie en afwezig is, ofwel in zijn oorspronkelijke vorm arriveert.
2. Elk apparaat waarvan de werking gebaseerd is op hetzelfde principe als de uitzending van de zender, kan een analoog signaal ontvangen en lezen. De digitale golf is bedoeld voor een specifieke ‘geadresseerde’ en is daarom bestand tegen onderschepping veilig gecodeerd.

Beeldkwaliteit

De kwaliteit van het tv-beeld van analoge tv wordt grotendeels bepaald door de tv-standaard. Het frame met analoge uitzendingen omvat 625 lijnen met een beeldverhouding van 4x3. Zo geeft de oude kinescoop een beeld van televisielijnen weer, terwijl een digitaal beeld uit pixels bestaat.

Bij slechte ontvangst en interferentie gaat de tv ‘sneeuwen’ en sissen, waardoor de kijker geen beeld en geluid krijgt. In pogingen om deze situatie te verbeteren, werd dit ooit geïmplementeerd.

Andere opties

Ondanks de snelle ontwikkeling van de elektronische technologie en de voordelen van digitale signalen ten opzichte van analoge signalen, zijn er nog steeds gebieden waarop analoge technologie onmisbaar is, zoals professionele audioverwerking. Maar hoewel de originele opname misschien niet slechter is dan de digitale, zal deze na het bewerken en kopiëren onvermijdelijk ruis veroorzaken.

Hier volgt een reeks basisbewerkingen die kunnen worden uitgevoerd met een analoge stream:

• versterken en verzwakken;
• modulatie, gericht op het verminderen van de gevoeligheid voor interferentie, en demodulatie;
• filtering en frequentieverwerking;
• vermenigvuldigen, optellen en logaritme;
• het verwerken en wijzigen van de parameters van zijn fysieke grootheden.

Kenmerken van analoge en digitale televisie

Het kleinburgerlijke oordeel over de ineenstorting van de terrestrische tv en de overgang naar de omroeptechnologieën van de toekomst is enigszins oneerlijk, nu al omdat televisiekijkers de concepten: terrestrische en analoge tv vervangen. Onder terrestrische televisie wordt immers doorgaans verstaan ​​elke televisie-uitzending via een terrestrisch radiokanaal.

Zowel “analoog” als “digitaal” zijn typen terrestrische tv. Ondanks het feit dat analoge televisie verschilt van digitale televisie, is hun algemene uitzendprincipe identiek: een televisietoren zendt kanalen uit en garandeert alleen binnen een beperkte straal een signaal van hoge kwaliteit. Tegelijkertijd is de digitale dekkingsradius kleiner dan het bereik van de ongecodeerde stream, wat betekent dat repeaters dichter bij elkaar moeten worden geïnstalleerd.

Maar de mening dat ‘digitaal’ uiteindelijk ‘analoog’ zal overtreffen, is waar. TV-kijkers in veel landen zijn al “getuigen” geworden van de omzetting van een analoog signaal naar een digitaal signaal en kijken met veel plezier naar TV-programma’s in HD-kwaliteit.

Kenmerken van televisie-uitzendingen

Het bestaande terrestrische televisiesysteem maakt gebruik van analoge signalen om televisieproducten te verzenden. Ze planten zich voort door sterk oscillerende golven en bereiken aardse antennes. Om het dekkingsgebied van de uitzending te vergroten, worden repeaters geïnstalleerd. Hun functie is het concentreren en versterken van het signaal, door het naar externe ontvangers te verzenden. Signalen worden op een vaste frequentie verzonden, dus elk kanaal komt overeen met zijn eigen frequentie en wordt in numerieke volgorde aan de tv toegewezen.

Voor- en nadelen van digitale televisie-uitzendingen

Informatie die wordt verzonden met behulp van een digitale code bevat vrijwel geen fouten of vervormingen. Het apparaat dat het originele signaal digitaliseert, wordt een analoog-digitaalomzetter (ADC) genoemd.

Om pulsen te coderen wordt een systeem van enen en nullen gebruikt. Om de BCD-code te lezen en om te zetten, is in de ontvanger een apparaat ingebouwd dat een digitaal-naar-analoog-omzetter (DAC) wordt genoemd. Er zijn geen halve waarden voor zowel de ADC als de DAC, zoals 1,4 of 0,8.

Deze methode voor het versleutelen en verzenden van gegevens heeft ons een nieuw tv-formaat opgeleverd, dat veel voordelen biedt:

• het veranderen van de sterkte of lengte van de puls heeft geen invloed op de herkenning ervan door de decoder;
• uniforme uitzendingsdekking;
• in tegenstelling tot analoge uitzendingen worden de reflecties van obstakels van de geconverteerde uitzending opgeteld en wordt de ontvangst verbeterd;
• uitzendfrequenties worden efficiënter gebruikt;
• Kan worden ontvangen op analoge tv.

Verschil digitale televisie van analoog

De eenvoudigste manier om het verschil tussen analoge en digitale uitzendingen op te merken, is door de uiteindelijke kenmerken van beide technologieën in de vorm van een tabel weer te geven.

Gevoeligheid van de tv-antenne

Er bestaat geen universeel recept voor het kiezen van de ideale antenne, maar er zijn verplichte vereisten waaraan moet worden voldaan voordat deze analoge en digitale signalen kan ontvangen. Naarmate de afstand tot het uitzendobject groter wordt, nemen deze eisen toe. In het bijzonder de gevoeligheid van de ontvanger: zijn vermogen om televisiesignalen met een zwakke intensiteit op te vangen. Vaak zijn ze de oorzaak van een wazig beeld. Dit probleem kan worden opgelost met behulp van, wat de gevoeligheid van de antenne aanzienlijk verhoogt en de vraag wegneemt: hoe sluit je deze aan op digitale televisie? Dezelfde tv en dezelfde antenne, alleen een draadloze digitale tuner verschijnt in de buurt van de tv.

Wat is een antennestralingspatroon

Naast de gevoeligheid van de antenne is er een parameter die bepaalt in hoeverre deze energie kan focusseren. Het wordt directionele versterking of directiviteit genoemd en is de verhouding tussen de stralingsdichtheid in een bepaalde richting en de gemiddelde stralingsdichtheid.
Een grafische interpretatie van dit kenmerk is het antennestralingspatroon. In de kern is het een driedimensionale figuur, maar voor het gemak wordt deze uitgedrukt in twee vlakken die loodrecht op elkaar staan. Als u zo'n plat diagram bij de hand heeft en het vergelijkt met een kaart van het gebied, kunt u het ontvangstgebied van de antenne plannen voor een analoog videosignaal. Ook uit deze grafiek kun je een aantal nuttige praktische kenmerken van de tv-antenne afleiden, zoals de intensiteit van zij- en achterstraling en de beschermingscoëfficiënt.

Welk signaal is beter

Onderkend moet worden dat, ondanks de vele verbeteringen die zijn doorgevoerd op het gebied van de analoge representatie van informatie, deze manier van uitzenden zijn tekortkomingen heeft behouden. Deze omvatten vervorming tijdens verzending en ruis tijdens het afspelen.

Ook wordt de noodzaak om een ​​analoog signaal naar een digitaal signaal om te zetten veroorzaakt door de ongeschiktheid van de bestaande opnamemethode voor het opslaan van informatie in een halfgeleidergeheugen.

Helaas heeft bestaande tv vrijwel geen duidelijke voordelen ten opzichte van digitaal, waardoor de mogelijkheid wordt uitgesloten om een ​​signaal te ontvangen met een gewone tv-antenne en dit te delen tussen tv's.

Een analoog signaal is een datasignaal waarin elk van de representatieve parameters wordt beschreven door een functie van de tijd en een continue reeks mogelijke waarden.

Er zijn twee signaalruimten: de ruimte L (continue signalen) en de ruimte l (L klein) - de ruimte van reeksen. De ruimte l (L klein) is de ruimte van Fourier-coëfficiënten (een telbare reeks getallen die een continue functie definiëren op een eindig interval van het definitiedomein), de ruimte L is de ruimte van continue (analoge) signalen over het domein van definitie. Onder bepaalde omstandigheden wordt de ruimte L op unieke wijze in kaart gebracht in de ruimte l (bijvoorbeeld de eerste twee discretisatiestellingen van Kotelnikov).

Analoge signalen worden beschreven door continue functies van de tijd. Daarom wordt een analoog signaal ook wel een continu signaal genoemd. Analoge signalen worden gecontrasteerd met discrete (gekwantiseerde, digitale). Voorbeelden van doorlopende ruimtes en bijbehorende fysieke grootheden:

direct: elektrische spanning

cirkel: positie van een rotor, wiel, tandwiel, analoge wijzers of fase van een draaggolfsignaal

segment: positie van een zuiger, bedieningshendel, vloeistofthermometer of elektrisch signaal met beperkte amplitude diverse multidimensionale ruimtes: kleur, kwadratuurgemoduleerd signaal.

De eigenschappen van analoge signalen zijn grotendeels het tegenovergestelde van die van gekwantiseerde of digitale signalen.

De afwezigheid van duidelijk te onderscheiden discrete signaalniveaus maakt het onmogelijk om het concept van informatie toe te passen in de vorm zoals deze in digitale technologieën wordt begrepen om deze te beschrijven. De “hoeveelheid informatie” die in één meting zit, wordt alleen beperkt door het dynamische bereik van het meetinstrument.

Geen redundantie. Uit de continuïteit van de waarderuimte volgt dat eventuele ruis die in het signaal wordt geïntroduceerd niet te onderscheiden is van het signaal zelf en daarom kan de oorspronkelijke amplitude niet worden hersteld. In feite is filteren bijvoorbeeld mogelijk door middel van frequentiemethoden, als er aanvullende informatie over de eigenschappen van dit signaal (in het bijzonder de frequentieband) bekend is.

Sollicitatie:

Analoge signalen worden vaak gebruikt om voortdurend veranderende fysieke grootheden weer te geven. Een analoog elektrisch signaal afkomstig van een thermokoppel draagt ​​bijvoorbeeld informatie over temperatuurveranderingen, een signaal van een microfoon draagt ​​informatie over snelle veranderingen in druk in een geluidsgolf, enz.

2.2 Digitaal signaal

Een digitaal signaal is een datasignaal waarin elk van de representatieve parameters wordt beschreven door een discrete tijdfunctie en een eindige reeks mogelijke waarden.

De signalen zijn discrete elektrische of lichtpulsen. Bij deze methode wordt de volledige capaciteit van het communicatiekanaal gebruikt om één signaal uit te zenden. Het digitale signaal gebruikt de volledige kabelbandbreedte. Bandbreedte is het verschil tussen de maximale en minimale frequentie die over een kabel kan worden verzonden. Elk apparaat op dergelijke netwerken verzendt gegevens in beide richtingen, en sommige kunnen tegelijkertijd ontvangen en verzenden. Smalbandsystemen (basisband) verzenden gegevens in de vorm van een digitaal signaal met een enkele frequentie.

Een discreet digitaal signaal is moeilijker over lange afstanden te verzenden dan een analoog signaal, dus wordt het voorgemoduleerd aan de zenderzijde en gedemoduleerd aan de informatieontvangerzijde. Het gebruik van algoritmen voor het controleren en herstellen van digitale informatie in digitale systemen kan de betrouwbaarheid van de informatieoverdracht aanzienlijk vergroten.

Opmerking. Houd er rekening mee dat een echt digitaal signaal analoog is in zijn fysieke aard. Als gevolg van ruis en veranderingen in de transmissielijnparameters zijn er fluctuaties in amplitude, fase/frequentie (jitter) en polarisatie. Maar dit analoge signaal (puls en discreet) is begiftigd met de eigenschappen van een getal. Als gevolg hiervan wordt het mogelijk om numerieke methoden (computerverwerking) te gebruiken om het te verwerken.

Een analoog signaal is een functie van een continu argument (tijd). Als de grafiek periodiek wordt onderbroken, zoals bijvoorbeeld gebeurt bij een reeks pulsen, hebben we het al over een zekere discretie van de burst.

Geschiedenis van de term

Computerwetenschappen

Als je goed kijkt, staat er nergens waar de definitie ter wereld kwam - analoog. In het Westen wordt de term al sinds de jaren veertig gebruikt door computerprofessionals. Het was tijdens de Tweede Wereldoorlog dat de eerste computersystemen, digitaal genoemd, verschenen. En om onderscheid te maken, moesten we nieuwe scheldwoorden bedenken.

Het concept van analoog kwam pas begin jaren 80 in de wereld van huishoudelijke apparaten terecht, toen de eerste Intel-processors uitkwamen en de wereld met speelgoed speelde op de ZX-Spectrum. Tegenwoordig kun je een emulator voor apparaten op internet krijgen; De gameplay vereiste buitengewoon doorzettingsvermogen, behendigheid en uitstekende reactie. Samen met kinderen verzamelden volwassenen ook dozen en versloegen vijandige aliens. Moderne games zijn veel inferieur aan de vroege vogels die al een tijdje de hoofden van spelers veroverden.

Geluidsopname en telefonie

Aan het begin van de jaren 80 begon popmuziek met elektronische verwerking te verschijnen. De muziektelegraaf werd in 1876 aan het publiek gepresenteerd, maar kreeg geen erkenning. Populaire muziek spreekt een publiek aan in de breedste zin van het woord. De telegraaf was in staat één enkele noot te produceren en deze over een afstand uit te zenden, waar deze werd weergegeven door een speciaal ontworpen luidspreker. En hoewel de Beatles een elektronisch orgel gebruikten om Sergeant Pepper te creëren, werd de synthesizer eind jaren zeventig in gebruik genomen. Het instrument werd al halverwege de jaren 80 echt populair en digitaal: denk aan Modern Talking. Eerder werden analoge synthesizers gebruikt, te beginnen met Novachord in 1939.

De gemiddelde burger hoefde dus geen onderscheid te maken tussen analoge en digitale technologieën totdat deze laatste stevig verankerd raakten in het dagelijks leven. Het woord analoog is sinds begin jaren 80 in het publieke domein. Wat de oorsprong van de term betreft, wordt traditioneel aangenomen dat de index is ontleend aan de telefonie en later is gemigreerd naar geluidsopname. Analoge trillingen worden rechtstreeks naar de luidspreker gevoerd en de stem is onmiddellijk hoorbaar. Het signaal is vergelijkbaar met menselijke spraak en wordt een elektrisch analoog.

Als je een digitaal signaal op de speaker aanbrengt, hoor je een onbeschrijfelijke kakofonie van noten van verschillende tonen. Deze ‘toespraak’ is bekend bij iedereen die programma’s en spelletjes van magneetband in het computergeheugen heeft geladen. Het ziet er niet uit als een menselijke, omdat het digitaal is. Wat het discrete signaal betreft, wordt het in de eenvoudigste systemen rechtstreeks naar de luidspreker gevoerd, die als integrator dient. Het succes of falen van een onderneming hangt volledig af van correct geselecteerde parameters.

Tegelijkertijd verscheen de term in geluidsopnamen, waarbij muziek en stem rechtstreeks van de microfoon naar de band gingen. Magnetische opname is een analoog geworden van echte artiesten. Vinylplaten zijn als muzikanten en worden nog steeds beschouwd als het beste medium voor welke composities dan ook. Hoewel ze een beperkte levensduur hebben. Cd's bevatten tegenwoordig vaak digitale audio die wordt gedecodeerd door een decoder. Volgens Wikipedia begon het nieuwe tijdperk in 1975 (en.wikipedia.org/wiki/History_of_sound_recording).

Elektrische metingen

Bij een analoog signaal is er een evenredigheid tussen de spanning of stroom en de respons op het afspeelapparaat. Er wordt dan aangenomen dat de term afkomstig is van het Griekse analogos. Wat betekent proportioneel? De vergelijking is echter vergelijkbaar met die hierboven: het signaal is vergelijkbaar met een stem die door luidsprekers wordt weergegeven.

Bovendien wordt in de technologie een andere term gebruikt om naar analoge signalen te verwijzen: continu. Dat komt overeen met de hierboven gegeven definitie.

Algemene informatie

Signaal energie

Zoals uit de definitie volgt, heeft een analoog signaal oneindige energie en is het niet beperkt in de tijd. Daarom worden de parameters gemiddeld. De 220 V die in de stopcontacten aanwezig is, wordt om de aangegeven reden de effectieve waarde genoemd. Daarom worden effectieve (gemiddeld over een bepaald interval) waarden gebruikt. Het is al duidelijk dat het stopcontact een analoog signaal bevat met een frequentie van 50 Hz.

Als het om discretie gaat, worden eindige waarden gebruikt. Wanneer u bijvoorbeeld een verdovingspistool koopt, moet u ervoor zorgen dat de impactenergie een bepaalde waarde, gemeten in joule, niet overschrijdt. Anders zullen er problemen zijn met het gebruik of de inspectie. Omdat het verdovingspistool, uitgaande van een specifieke energiewaarde, alleen wordt gebruikt door speciale troepen, met een vastgestelde bovengrens. Al het andere is in principe illegaal en kan bij gebruik tot de dood leiden.

De pulsenergie wordt gevonden door de stroom en spanning te vermenigvuldigen met de duur. En dit toont de eindigheid van de parameter voor discrete signalen. Digitale sequenties zijn ook te vinden in de technologie. Een digitaal signaal verschilt van een discreet signaal door strikt gespecificeerde parameters:

1. Duur.
2. Amplitude.
3. De aanwezigheid van twee gespecificeerde toestanden: 0 en 1.
4. Machinebits 0 en 1 worden toegevoegd tot woorden die vooraf zijn overeengekomen en begrijpelijk zijn voor de deelnemers (montagetaal).

Wederzijdse signaalconversie

Een aanvullende definitie van een analoog signaal is de schijnbare willekeur ervan, de afwezigheid van zichtbare regels of de gelijkenis met bepaalde natuurlijke processen. Een sinusgolf kan bijvoorbeeld de rotatie van de aarde om de zon beschrijven. Dit is een analoog signaal. In de circuit- en signaaltheorie wordt een sinusoïde weergegeven door een roterende amplitudevector. En de fase van stroom en spanning is anders - dit zijn twee verschillende vectoren, die aanleiding geven tot reactieve processen. Wat wordt waargenomen in inductoren en condensatoren.

Uit de definitie volgt dat een analoog signaal gemakkelijk kan worden omgezet in een discreet signaal. Elke schakelende voeding snijdt de ingangsspanning van het stopcontact in bundels. Bijgevolg houdt het zich bezig met het omzetten van een analoog signaal met een frequentie van 50 Hz in discrete ultrasone bursts. Door de snijparameters te variëren, past de voeding de uitgangswaarden aan de eisen van de elektrische belasting aan.

In een radiogolfontvanger met een amplitudedetector vindt het omgekeerde proces plaats. Nadat het signaal is gelijkgericht, worden op de diodes pulsen met verschillende amplitudes gevormd. De informatie bevindt zich in de envelop van een dergelijk signaal, de lijn die de hoekpunten van het pakket verbindt. Het filter zet discrete pulsen om in analoge waarden. Het principe is gebaseerd op de integratie van energie: tijdens de periode van aanwezigheid van spanning neemt de lading van de condensator toe, waarna in het interval tussen de pieken de stroom wordt gevormd als gevolg van de eerder geaccumuleerde toevoer van elektronen. De resulterende golf wordt naar een basversterker gevoerd en later naar luidsprekers, waar het resultaat door anderen te horen is.

Het digitale signaal wordt anders gecodeerd. Daar zit de pulsamplitude in het machinewoord. Het bestaat uit enen en nullen, decodering is vereist. De bewerking wordt uitgevoerd door elektronische apparaten: grafische adapter, softwareproducten. Iedereen heeft K-Lite-codecs van internet gedownload, dit is het geval. De bestuurder is verantwoordelijk voor het decoderen van het digitale signaal en het converteren ervan voor uitvoer naar luidsprekers en display.

Er is geen reden tot verwarring wanneer een adapter een 3D-versneller wordt genoemd en omgekeerd. De eerste converteert alleen het geleverde signaal. Zo zit er achter de DVI digitale ingang altijd een adapter. Het behandelt alleen het converteren van getallen uit enen en nullen voor weergave op de schermmatrix. Haalt informatie op over helderheid en RGB-pixelwaarden. Wat de 3D-versneller betreft: het apparaat kan (maar is niet vereist) een adapter bevatten, maar de hoofdtaak is complexe berekeningen voor het construeren van driedimensionale afbeeldingen. Met deze techniek kunt u de centrale processor ontlasten en de werking van uw pc versnellen.

Het analoog naar digitaal signaal wordt omgezet in een ADC. Dit gebeurt in de software of in de chip. Sommige systemen combineren beide methoden. De procedure begint met het nemen van monsters die binnen een bepaald gebied passen. Wanneer elk woord wordt getransformeerd, wordt het een machinewoord dat het berekende cijfer bevat. Vervolgens worden de meetwaarden in pakketten verpakt, waardoor ze naar andere abonnees van het complexe systeem kunnen worden verzonden.

De bemonsteringsregels worden genormaliseerd door de stelling van Kotelnikov, die de maximale bemonsteringsfrequentie weergeeft. Vaker is het verboden om af te tellen, omdat informatie verloren gaat. Simpel gezegd wordt een zesvoudige overschrijding van de bemonsteringsfrequentie boven de bovengrens van het signaalspectrum voldoende geacht. Een groter aanbod wordt gezien als een bijkomend voordeel, waardoor een goede kwaliteit gegarandeerd is. Iedereen heeft wel eens indicaties gezien van de sampling rate van geluidsopnames. Meestal ligt de instelling boven 44 kHz. De reden zijn de eigenaardigheden van het menselijk gehoor: de bovengrens van het spectrum is 10 kHz. Daarom is een bemonsteringsfrequentie van 44 kHz voldoende voor een middelmatige geluidsoverdracht.

Verschil tussen discreet en digitaal signaal

Ten slotte neemt een mens meestal analoge informatie van de buitenwereld waar. Als het oog een flitsend licht ziet, zal het perifere zicht het omringende landschap vastleggen. Het uiteindelijke effect lijkt dus niet discreet te zijn. Natuurlijk is het mogelijk om te proberen een andere perceptie te creëren, maar dit is moeilijk en zal volkomen kunstmatig blijken te zijn. Dit is de basis voor het gebruik van morsecode, die bestaat uit punten en streepjes die gemakkelijk te onderscheiden zijn tegen het achtergrondgeluid. De discrete slagen van een telegraaftoets zijn moeilijk te verwarren met natuurlijke signalen, zelfs als er sprake is van sterke ruis.

Op dezelfde manier zijn digitale lijnen in de technologie geïntroduceerd om interferentie te elimineren. Elke videoliefhebber probeert een gecodeerde kopie van de film in maximale resolutie te krijgen. Digitale informatie kan zonder de minste vervorming over lange afstanden worden verzonden. Regels die aan beide kanten bekend zijn voor de vorming van vooraf overeengekomen woorden worden assistenten. Soms wordt overtollige informatie in een digitaal signaal ingebed, waardoor fouten kunnen worden gecorrigeerd of opgespoord. Dit elimineert misvattingen.

Pulssignalen

Om preciezer te zijn: discrete signalen worden gegeven door metingen op bepaalde tijdstippen. Het is duidelijk dat een dergelijke reeks in werkelijkheid niet wordt gevormd vanwege het feit dat de stijging en daling een eindige lengte hebben. De impuls wordt niet onmiddellijk overgedragen. Daarom wordt het spectrum van de reeks niet als discreet beschouwd. Dit betekent dat het signaal niet zo kan worden genoemd. In de praktijk zijn er twee klassen:

1. Analoge pulssignalen - waarvan het spectrum wordt bepaald door de Fourier-transformatie en dus continu is, althans in bepaalde gebieden. Het resultaat van de werking van spanning of stroom op een circuit wordt gevonden door de convolutiebewerking.
2. Discrete pulssignalen laten ook een discreet spectrum zien, waarbij bewerkingen worden uitgevoerd via discrete Fourier-transformaties. Daarom wordt ook discrete convolutie gebruikt.

Deze verduidelijkingen zijn belangrijk voor literatoren die hebben gelezen dat pulssignalen analoog kunnen zijn. Discreet zijn genoemd naar de kenmerken van het spectrum. De term analoog wordt gebruikt om onderscheid te maken. Het epitheton continu is van toepassing, zoals hierboven al vermeld, en in verband met de kenmerken van het spectrum.

Verduidelijking: alleen het spectrum van een oneindige reeks pulsen wordt als strikt discreet beschouwd. Voor een pakket zijn de harmonische componenten altijd vaag. Zo'n spectrum lijkt op een reeks amplitudegemoduleerde pulsen.

Heel vaak horen we definities als “digitaal” of “discreet” signaal; wat is het verschil met “analoog”?

De essentie van het verschil is dat het analoge signaal continu in de tijd is (blauwe lijn), terwijl het digitale signaal uit een beperkte set coördinaten bestaat (rode stippen). Als we alles terugbrengen tot coördinaten, bestaat elk segment van een analoog signaal uit een oneindig aantal coördinaten.

Bij een digitaal signaal bevinden de coördinaten langs de horizontale as zich op regelmatige afstanden, in overeenstemming met de bemonsteringsfrequentie. In het gangbare audio-cd-formaat is dit 44100 punten per seconde. De verticale nauwkeurigheid van de coördinaathoogte komt overeen met de bitdiepte van het digitale signaal; voor 8 bits zijn dit 256 niveaus, voor 16 bits = 65536 en voor 24 bits = 16777216 niveaus. Hoe hoger de bitdiepte (aantal niveaus), hoe dichter de verticale coördinaten bij de oorspronkelijke golf liggen.

Analoge bronnen zijn: vinyl en audiocassettes. Digitale bronnen zijn: CD-Audio, DVD-Audio, SA-CD (DSD) en bestanden in WAVE- en DSD-formaten (inclusief afgeleiden van APE, Flac, Mp3, Ogg, etc.).

Voor- en nadelen van analoog signaal

Het nadeel van een analoog signaal is de mogelijkheid om het signaal op te slaan, te verzenden en te repliceren. Bij het opnemen op magneetband of vinyl hangt de kwaliteit van het signaal af van de eigenschappen van de tape of het vinyl. Na verloop van tijd demagnetiseert de band en verslechtert de kwaliteit van het opgenomen signaal. Elke lezing vernietigt geleidelijk de media, en herschrijven introduceert extra vervorming, waarbij extra afwijkingen worden toegevoegd door de volgende media (tape of vinyl), lees-, schrijf- en signaaloverdrachtapparatuur.

Het maken van een kopie van een analoog signaal is hetzelfde als het kopiëren van een foto door er opnieuw een foto van te maken.

Voor- en nadelen van digitaal signaal

Het grootste nadeel is dat het digitale signaal een tussenfase is en dat de nauwkeurigheid van het uiteindelijke analoge signaal zal afhangen van hoe gedetailleerd en nauwkeurig de geluidsgolf wordt beschreven door coördinaten. Het is heel logisch dat hoe meer punten er zijn en hoe nauwkeuriger de coördinaten zijn, hoe nauwkeuriger de golf zal zijn. Maar er bestaat nog steeds geen consensus over het aantal coördinaten en de gegevensnauwkeurigheid die voldoende zijn om te zeggen dat de digitale representatie van het signaal voldoende is om nauwkeurig een analoog signaal te reconstrueren dat voor onze oren niet van het origineel te onderscheiden is.

In termen van datavolumes bedraagt ​​de capaciteit van een gewone analoge audiocassette slechts ongeveer 700-1,1 MB, terwijl een gewone CD 700 MB kan bevatten. Dit geeft een idee van de behoefte aan media met een hoge capaciteit. En dit geeft aanleiding tot een afzonderlijke compromisoorlog met verschillende eisen aan het aantal beschrijvende punten en de nauwkeurigheid van coördinaten.

Tegenwoordig wordt het als voldoende beschouwd om een ​​geluidsgolf weer te geven met een bemonsteringsfrequentie van 44,1 kHz en een bitdiepte van 16 bits. Bij een bemonsteringsfrequentie van 44,1 kHz is het mogelijk een signaal tot 22 kHz te reconstrueren. Zoals uit psycho-akoestische onderzoeken blijkt, is een verdere verhoging van de bemonsteringsfrequentie niet merkbaar, maar geeft een verhoging van de bitdiepte een subjectieve verbetering.

Hoe DAC's een golf opbouwen

Multibit DAC's

De DAC-ingang ontvangt de waarde van de volgende verticale coördinaat en schakelt bij elke klokcyclus het huidige (spannings)niveau naar het juiste niveau tot de volgende verandering.

Hoewel aangenomen wordt dat het menselijk oor niet hoger dan 20 kHz kan horen, en het volgens de theorie van Nyquist mogelijk is om het signaal te herstellen naar 22 kHz, blijft de kwaliteit van dit signaal na herstel een vraag. In het hoogfrequente gebied wijkt de resulterende “stapsgewijze” golfvorm doorgaans ver af van de oorspronkelijke. De eenvoudigste uitweg uit deze situatie is het verhogen van de bemonsteringsfrequentie tijdens het opnemen, maar dit leidt tot een aanzienlijke en ongewenste toename van de bestandsgrootte.

Een alternatief is om de DAC-afspeelbemonsteringssnelheid kunstmatig te verhogen door tussenwaarden toe te voegen. Die. we stellen ons een ononderbroken golfpad voor (grijze stippellijn) dat de oorspronkelijke coördinaten (rode stippen) soepel verbindt en tussenpunten op deze lijn toevoegt (donkerpaars).

Bij het verhogen van de bemonsteringsfrequentie is het meestal nodig om de bitdiepte te vergroten, zodat de coördinaten dichter bij de benaderde golf liggen.

Dankzij tussenliggende coördinaten is het mogelijk om de “stappen” te verkleinen en een golf op te bouwen die dichter bij het origineel ligt.

Wanneer u in een speler of externe DAC een boostfunctie ziet van 44,1 tot 192 kHz, is dit een functie van het toevoegen van tussenliggende coördinaten, en niet van het herstellen of creëren van geluid in het gebied boven de 20 kHz.

Aanvankelijk waren dit afzonderlijke SRC-chips vóór de DAC, die vervolgens rechtstreeks naar de DAC-chips zelf migreerden. Tegenwoordig kun je oplossingen vinden waarbij zo'n chip wordt toegevoegd aan moderne DAC's; dit wordt gedaan om een ​​alternatief te bieden voor de ingebouwde algoritmen in de DAC en soms nog beter geluid te krijgen (zoals dit bijvoorbeeld gebeurt in de Hidizs); AP100).

De belangrijkste weigering in de industrie van multibit DAC's vond plaats vanwege de onmogelijkheid van verdere technologische ontwikkeling van kwaliteitsindicatoren met de huidige productietechnologieën en de hogere kosten in vergelijking met "pulse" DAC's met vergelijkbare kenmerken. Bij Hi-End-producten wordt echter vaak de voorkeur gegeven aan oude multi-bit DAC's boven nieuwe oplossingen met technisch betere eigenschappen.

DAC's schakelen

De signaalamplitude is de gemiddelde waarde van de pulsamplitudes (pulsen met gelijke amplitude worden groen weergegeven en de resulterende geluidsgolf wordt wit weergegeven).

Een reeks van acht cycli van vijf pulsen geeft bijvoorbeeld een gemiddelde amplitude (1+1+1+0+0+1+1+0)/8=0,625. Hoe hoger de draaggolffrequentie, hoe meer pulsen worden afgevlakt en hoe nauwkeuriger de amplitudewaarde wordt verkregen. Dit maakte het mogelijk om de audiostream in één-bit-vorm met een groot dynamisch bereik te presenteren.

Middeling kan worden gedaan met een gewoon analoog filter, en als een dergelijke reeks pulsen rechtstreeks op de luidspreker wordt toegepast, krijgen we aan de uitgang geluid en worden ultrahoge frequenties niet gereproduceerd vanwege de hoge traagheid van de zender. PWM-versterkers werken volgens dit principe in klasse D, waar de energiedichtheid van pulsen niet wordt gecreëerd door hun aantal, maar door de duur van elke puls (wat gemakkelijker te implementeren is, maar niet kan worden beschreven met een eenvoudige binaire code).

Een multibit DAC kan worden gezien als een printer die kleur kan toepassen met behulp van Pantone-inkten. Delta-Sigma is een inkjetprinter met een beperkt kleurenbereik, maar vanwege de mogelijkheid om zeer kleine stippen aan te brengen (vergeleken met een geweiprinter), produceert deze meer tinten vanwege de verschillende dichtheid van stippen per oppervlakte-eenheid.

In een afbeelding zien we vanwege de lage resolutie van het oog meestal geen individuele stippen, maar alleen de gemiddelde toon. Op dezelfde manier hoort het oor impulsen niet individueel.

Uiteindelijk is het met de huidige technologieën in gepulseerde DAC's mogelijk om een ​​golf te verkrijgen die dichtbij ligt wat theoretisch zou moeten worden verkregen bij het benaderen van tussenliggende coördinaten.

Opgemerkt moet worden dat na de komst van de delta-sigma DAC de relevantie van het stapsgewijs tekenen van een “digitale golf” verdween, omdat Dit is hoe moderne DAC's een golf niet stapsgewijs opbouwen. Het is juist om een ​​discreet signaal te construeren met punten verbonden door een vloeiende lijn.

Zijn schakelende DAC's ideaal?

Maar in de praktijk is niet alles rooskleurig en zijn er een aantal problemen en beperkingen.

Omdat Omdat het overweldigende aantal records wordt opgeslagen in een multi-bit signaal, vereist de conversie naar een pulssignaal volgens het “bit-naar-bit” principe een onnodig hoge draaggolffrequentie, die moderne DAC's niet ondersteunen.

De belangrijkste functie van moderne puls-DAC's is het omzetten van een meerbitssignaal in een enkelbitssignaal met een relatief lage draaggolffrequentie met datadecimering. Kortom, het zijn deze algoritmen die de uiteindelijke geluidskwaliteit van puls-DAC's bepalen.

Om het probleem van de hoge draaggolffrequentie te verminderen, wordt de audiostroom verdeeld in verschillende stromen van één bit, waarbij elke stroom verantwoordelijk is voor zijn bitgroep, wat equivalent is aan een veelvoud van de draaggolffrequentie van het aantal stromen. Dergelijke DAC's worden multibit delta-sigma genoemd.

Tegenwoordig hebben gepulseerde DAC's een tweede wind gekregen in snelle chips voor algemeen gebruik in producten van NAD en Chord vanwege de mogelijkheid om conversie-algoritmen flexibel te programmeren.

DSD-formaat

Het formaat werd om verschillende redenen niet veel gebruikt. Het bewerken van bestanden in dit formaat bleek onnodig beperkt: je kunt geen streams mixen, het volume aanpassen of egalisatie toepassen. Dit betekent dat u zonder kwaliteitsverlies alleen analoge opnames kunt archiveren en zonder verdere verwerking live-optredens met twee microfoons kunt opnemen. Kortom, je kunt niet echt geld verdienen.

In de strijd tegen piraterij werden schijven in SA-CD-formaat niet ondersteund (en worden ze nog steeds niet) door computers, waardoor het onmogelijk is om er kopieën van te maken. Geen kopieën – geen breed publiek. DSD-audio-inhoud kon alleen vanaf een aparte SA-CD-speler vanaf een eigen schijf worden afgespeeld. Als er voor het PCM-formaat een SPDIF-standaard bestaat voor digitale gegevensoverdracht van een bron naar een afzonderlijke DAC, dan is er voor het DSD-formaat geen standaard en werden de eerste illegale kopieën van SA-CD-schijven gedigitaliseerd vanaf de analoge uitgangen van SA-CD-schijven. CD-spelers (hoewel de situatie stom lijkt, maar in werkelijkheid zijn sommige opnames alleen op SA-CD uitgebracht, of is dezelfde opname op Audio-CD opzettelijk van slechte kwaliteit gemaakt om SA-CD te promoten).

Het keerpunt vond plaats met de release van SONY-gameconsoles, waarbij de SA-CD-schijf vóór het afspelen automatisch naar de harde schijf van de console werd gekopieerd. Fans van het DSD-formaat profiteerden hiervan. Het verschijnen van illegale opnames stimuleerde de markt om aparte DAC's uit te brengen voor het afspelen van DSD-streams. De meeste externe DAC's met DSD-ondersteuning ondersteunen tegenwoordig USB-gegevensoverdracht met behulp van het DoP-formaat als een afzonderlijke codering van het digitale signaal via SPDIF.

De draaggolffrequenties voor DSD zijn relatief klein, 2,8 en 5,6 MHz, maar deze audiostream vereist geen datareductieconversie en is behoorlijk concurrerend met formaten met hoge resolutie, zoals dvd-audio.

Er is geen duidelijk antwoord op de vraag wat beter is: DSP of PCM. Het hangt allemaal af van de kwaliteit van de implementatie van een bepaalde DAC en het talent van de geluidstechnicus bij het opnemen van het uiteindelijke bestand.

Algemene conclusie

Een analoog signaal dat rechtstreeks op een audiocassette of vinyl is opgenomen, kan niet opnieuw worden opgenomen zonder kwaliteitsverlies, terwijl een golf in digitale weergave bit voor bit kan worden gekopieerd.

Digitale opnameformaten zijn een constante afweging tussen de mate van coördinatennauwkeurigheid en de bestandsgrootte, en elk digitaal signaal is slechts een benadering van het originele analoge signaal. De verschillende technologieniveaus voor het opnemen en reproduceren van een digitaal signaal en het opslaan op media voor een analoog signaal geven echter meer voordelen aan de digitale weergave van het signaal, vergelijkbaar met een digitale camera versus een filmcamera.

Digitaal circuitontwerp is de belangrijkste discipline die wordt bestudeerd in alle hogere en secundaire onderwijsinstellingen die specialisten in elektronica opleiden. Ook een echte radioamateur moet goed thuis zijn in deze problematiek. Maar de meeste boeken en leerboeken zijn geschreven in een taal die erg moeilijk te begrijpen is, en het zal voor een beginnende elektronica-ingenieur (misschien een scholier) moeilijk zijn om nieuwe informatie te leren. Een reeks nieuwe educatieve materialen van Master Keith is ontworpen om deze leemte op te vullen: onze artikelen bespreken complexe concepten in de eenvoudigste woorden.

8.1. Analoge en digitale signalen

Eerst moet je begrijpen hoe analoge schakelingen verschillen van digitale schakelingen. En het belangrijkste verschil zit in de signalen waarmee deze circuits werken.
Alle signalen kunnen in twee hoofdtypen worden verdeeld: analoog en digitaal.

Analoge signalen

Analoge signalen zijn voor ons het meest bekend. We kunnen zeggen dat de hele natuurlijke wereld om ons heen analoog is. Ons zicht en gehoor, evenals alle andere zintuigen, nemen binnenkomende informatie waar in analoge vorm, dat wil zeggen continu in de loop van de tijd. Overdracht van geluidsinformatie - menselijke spraak, geluiden van muziekinstrumenten, gebrul van dieren, natuurgeluiden, enz. – ook uitgevoerd in analoge vorm.
Om dit probleem nog beter te begrijpen, laten we een analoog signaal tekenen (Fig. 1):

Afb.1. Analoog signaal

We zien dat het analoge signaal continu is in tijd en amplitude. U kunt op elk moment de exacte waarde van de amplitude van het analoge signaal bepalen.

Digitale signalen

Laten we de signaalamplitude niet constant analyseren, maar discreet, met vaste intervallen. Bijvoorbeeld één keer per seconde, of vaker: tien keer per seconde. Hoe vaak we dit doen, wordt de samplingfrequentie genoemd: één keer per seconde - 1 Hz, duizend keer per seconde - 1000 Hz of 1 kHz.

Laten we voor de duidelijkheid grafieken tekenen van analoge (boven) en digitale (onder) signalen (Fig. 2):

Afb.2. Analoog signaal (boven) en zijn digitale kopie (onder)

We zien dat we bij elk momentaan tijdsinterval de momentane digitale waarde van de signaalamplitude kunnen achterhalen. We weten niet wat er met het signaal gebeurt (volgens welke wet het verandert, wat de amplitude is) tussen de “controle”-intervallen; deze informatie gaat voor ons verloren. Hoe minder vaak we het signaalniveau controleren (hoe lager de bemonsteringsfrequentie), hoe minder informatie we hebben over het signaal. Het tegenovergestelde is uiteraard ook waar: hoe hoger de bemonsteringsfrequentie, hoe beter de kwaliteit van de signaalpresentatie. Als we de bemonsteringsfrequentie tot oneindig verhogen, krijgen we vrijwel hetzelfde analoge signaal.
Betekent dit dat een analoog signaal überhaupt beter is dan een digitaal signaal? In theorie misschien wel ja. Maar in de praktijk werken moderne analoog-digitaalomzetters (ADC's) met zo'n hoge bemonsteringssnelheid (tot enkele miljoenen monsters per seconde) en beschrijven ze het analoge signaal in digitale vorm zo kwalitatief dat de menselijke zintuigen (ogen, oren) dit kunnen doen. voelen niet langer het verschil tussen het originele signaal en het digitale model. Een digitaal signaal heeft een heel belangrijk voordeel: het is gemakkelijker te verzenden via draden of radiogolven, interferentie heeft geen noemenswaardig effect op zo’n signaal. Daarom zijn alle moderne mobiele communicatie-, televisie- en radio-uitzendingen digitaal.

De onderste grafiek in Fig. 2 is gemakkelijk voor te stellen in een andere vorm - als een lange reeks van een paar getallen: tijd/amplitude. En cijfers zijn precies wat digitale circuits nodig hebben. Het is waar dat digitale circuits het liefst werken met getallen in een speciale weergave, maar daar zullen we in de volgende les over praten.

Nu kunnen we belangrijke conclusies trekken:

Een digitaal signaal is discreet, het kan alleen voor individuele momenten worden bepaald;
- hoe hoger de bemonsteringsfrequentie, hoe beter de nauwkeurigheid van de digitale signaalweergave.