Een signaal dat slechts 2 waarden accepteert, wordt aangeroepen. Soorten signalen: analoog, digitaal, discreet

Digitale elektronica vervangt nu steeds meer de traditionele analoge elektronica. Toonaangevende bedrijven die een breed scala aan elektronische apparatuur produceren, kondigen steeds vaker een volledige transitie naar digitale technologie aan.

Vooruitgang in de productietechnologie voor elektronische chips heeft gezorgd voor de snelle ontwikkeling van digitale technologie en apparaten. Het gebruik van digitale methoden voor signaalverwerking en -overdracht kan de kwaliteit van communicatielijnen aanzienlijk verbeteren. Digitale methoden signaalverwerking en schakelen in telefonie maken het mogelijk om het gewicht en de afmetingen van schakelapparaten meerdere keren te verminderen, de communicatiebetrouwbaarheid te vergroten en extra functionaliteit te introduceren.

De opkomst van snelle microprocessors en microcircuits RAM grote volumes Kleine apparaten voor het opslaan van informatie op grote harde media maakten het mogelijk om redelijk goedkope universele persoonlijke elektronica te creëren computers(computers), die een zeer brede toepassing hebben gevonden in het dagelijks leven en de productie.

Digitale technologie onmisbaar in telesignalerings- en telecontrolesystemen die worden gebruikt bij geautomatiseerde productie en controle afgelegen objecten bijvoorbeeld ruimteschepen, benzinepompstations, enz. Digitale technologie heeft ook een sterke plaats ingenomen in elektrische en radiomeetsystemen. Moderne apparaten Ook het opnemen en reproduceren van signalen is ondenkbaar zonder het gebruik van digitale apparaten. Digitale apparaten worden veel gebruikt om huishoudelijke apparaten te bedienen.

Het is zeer waarschijnlijk dat digitale apparaten in de toekomst de elektronicamarkt zullen domineren.

Laten we eerst enkele basisdefinities geven.

Signaal is elke fysieke grootheid (bijvoorbeeld temperatuur, luchtdruk, lichtintensiteit, stroomsterkte, enz.) die in de loop van de tijd verandert. Het is dankzij deze tijdsverandering dat het signaal enige informatie kan bevatten.

Elektrisch signaal is een elektrische grootheid (bijvoorbeeld spanning, stroom, vermogen) die in de loop van de tijd verandert. Alle elektronica werkt echter in principe met elektrische signalen de laatste tijd Er wordt steeds vaker gebruik gemaakt van lichtsignalen, die een in de tijd variërende lichtintensiteit weergeven.

Analoog signaal is een signaal dat binnen bepaalde grenzen elke waarde kan aannemen (de spanning kan bijvoorbeeld soepel veranderen van nul naar tien volt). Apparaten die alleen met analoge signalen werken, worden analoge apparaten genoemd.

Digitaal signaal is een signaal dat slechts twee waarden kan aannemen (soms drie waarden). Bovendien zijn enkele afwijkingen van deze waarden toegestaan ​​(Fig. 1.1). De spanning kan bijvoorbeeld twee waarden aannemen: van 0 tot 0,5 V (nulniveau) of van 2,5 tot 5 V (eenheidsniveau). Apparaten die uitsluitend met digitale signalen werken, worden digitale apparaten genoemd.

In de natuur zijn bijna alle signalen analoog, dat wil zeggen dat ze binnen bepaalde grenzen voortdurend veranderen. Dit is de reden waarom de eerste elektronische apparaten analoog waren. Ze transformeerden fysieke hoeveelheden in een spanning of stroom die daarmee evenredig is, voerde er enkele bewerkingen op uit en voerde vervolgens inverse transformaties in fysieke grootheden uit. De stem van een persoon (luchttrillingen) wordt bijvoorbeeld met behulp van een microfoon omgezet in elektrische trillingen, waarna deze elektrische signalen worden versterkt door een elektronische versterker en met behulp van luidsprekersysteem weer omgezet in luchttrillingen, in een luider geluid.

Rijst. 1.1. Elektrische signalen: analoog (links) en digitaal (rechts).

Alle bewerkingen die door elektronische apparaten op signalen worden uitgevoerd, kunnen in drie grote groepen worden verdeeld:

Verwerking (of transformatie);

Uitzending;

Opslag.

In al deze gevallen worden nuttige signalen vervormd door parasitaire signalen - ruis, interferentie, interferentie. Bovendien wordt bij het verwerken van signalen (bijvoorbeeld tijdens versterking, filtering) hun vorm ook vervormd als gevolg van imperfectie, niet-idealiteit elektronische apparaten. En wanneer overgebracht naar lange afstanden en tijdens opslag verzwakken de signalen ook.

Rijst. 1.2. Vervorming door ruis en interferentie van een analoog signaal (links) en een digitaal signaal (rechts).

In het geval van analoge signalen verslechtert dit allemaal het bruikbare signaal aanzienlijk, omdat alle waarden ervan zijn toegestaan ​​(Fig. 1.2). Daarom verslechtert elke conversie, elke tussenopslag, elke transmissie via kabel of ether het analoge signaal, soms zelfs tot het punt van volledige vernietiging. We moeten er ook rekening mee houden dat alle ruis, interferentie en interferentie fundamenteel onmogelijk zijn om nauwkeurig te berekenen, daarom is het absoluut onmogelijk om het gedrag van analoge apparaten nauwkeurig te beschrijven. Bovendien veranderen de parameters van alle analoge apparaten in de loop van de tijd als gevolg van veroudering van de elementen, zodat de kenmerken van deze apparaten niet constant blijven.

In tegenstelling tot analoge signalen zijn digitale signalen, die slechts twee toegestane waarden hebben, veel beter beschermd tegen ruis, interferentie en interferentie. Kleine afwijkingen van de toegestane waarden vervormen het digitale signaal op geen enkele manier, omdat er altijd zones met toegestane afwijkingen zijn (Fig. 1.2). Dat is de reden waarom digitale signalen een veel complexere verwerking in meerdere fasen mogelijk maken, veel langere opslag zonder verlies en een transmissie van veel hogere kwaliteit dan analoge signalen. Bovendien kan het gedrag van digitale apparaten altijd absoluut nauwkeurig worden berekend en voorspeld. Digitale apparaten zijn veel minder gevoelig voor veroudering, omdat kleine veranderingen in hun parameters op geen enkele manier hun werking beïnvloeden. Bovendien zijn digitale apparaten gemakkelijker te ontwerpen en te debuggen. Het is duidelijk dat al deze voordelen zorgen voor een snelle ontwikkeling van digitale elektronica.

Digitale signalen hebben echter ook een groot nadeel. Feit is dat een digitaal signaal gedurende ten minste een bepaald minimaal tijdsinterval op elk van zijn toegestane niveaus moet blijven, anders zal het onmogelijk zijn het te herkennen. En een analoog signaal kan in een oneindig kleine tijd elke waarde aannemen. We kunnen het op een andere manier zeggen: een analoog signaal wordt gedefinieerd in continue tijd (dat wil zeggen, op elk tijdstip), en een digitaal signaal wordt gedefinieerd in discrete tijd (dat wil zeggen, alleen op geselecteerde tijdstippen). Daarom zijn de maximaal haalbare prestaties van analoge apparaten altijd fundamenteel groter dan die van digitale apparaten. Analoge apparaten kunnen sneller veranderende signalen verwerken dan digitale. Snelheid van informatieverwerking en -overdracht analoog apparaat kan altijd hoger worden gemaakt dan de snelheid van verwerking en verzending door een digitaal apparaat.

Bovendien verzendt een digitaal signaal informatie slechts op twee niveaus en door het ene niveau naar het andere te veranderen, terwijl een analoog signaal ook informatie verzendt met elke huidige waarde van zijn niveau, dat wil zeggen dat het ruimer is in termen van informatieoverdracht. Om de hoeveelheid nuttige informatie in één analoog signaal over te brengen, is het daarom meestal nodig om meerdere digitale signalen te gebruiken (meestal van 4 tot 16).

Bovendien zijn, zoals reeds opgemerkt, in de natuur alle signalen analoog, dat wil zeggen dat om ze in digitale signalen om te zetten en voor de omgekeerde conversie het gebruik van speciale apparatuur (analoog-naar-digitaal en digitaal-naar-analoog-omzetters) vereist is. . Niets is dus gratis, en de prijs die moet worden betaald voor de voordelen van digitale apparaten kan soms onaanvaardbaar hoog zijn.

Verschil tussen analoge en digitale communicatie.
Bij radiocommunicatie kom je vaak termen tegen als "analoog signaal" En "digitaal signaal". Voor specialisten schuilt er geen mysterie in deze woorden, maar voor onwetende mensen is het verschil tussen “digitaal” en “analoog” misschien volkomen onbekend. Ondertussen is er een zeer significant verschil.
Dus. Radiocommunicatie is altijd de overdracht van informatie (spraak, sms, telesignalering) tussen twee abonnees, een signaalbron, een zender (radiostation, repeater, basisstation) en ontvanger.
Als we het over een signaal hebben, bedoelen we meestal elektromagnetische trillingen, waardoor EMF wordt geïnduceerd en stroomschommelingen in de ontvangerantenne worden veroorzaakt. Vervolgens zet het ontvangende apparaat de ontvangen trillingen terug in een audiofrequentiesignaal en stuurt dit naar de luidspreker.
In ieder geval kan het zendersignaal zowel digitaal als analoog worden weergegeven. Geluid zelf is immers een analoog signaal. Bij een radiostation wordt het door de microfoon ontvangen geluid omgezet in de reeds genoemde elektromagnetische golven. Hoe hoger de geluidsfrequentie, hoe hoger de uitgangsoscillatiefrequentie, en hoe luider de luidspreker spreekt, hoe groter de amplitude.
De resulterende elektromagnetische trillingen, of golven, worden in de ruimte voortgeplant met behulp van een zendantenne. Om ervoor te zorgen dat de ether niet verstopt raakt door laagfrequente interferentie, en zodat verschillende radiostations de mogelijkheid hebben om parallel te werken zonder elkaar te storen, worden de trillingen die het gevolg zijn van de invloed van geluid samengevat, dat wil zeggen "gesuperponeerd" op andere trillingen die een constante frequentie hebben. Laatste frequentie Het wordt gewoonlijk de ‘draaggolf’ genoemd, en door het waar te nemen stemmen we onze radio-ontvanger af om het analoge signaal van het radiostation te ‘vangen’.
Het omgekeerde proces vindt plaats in de ontvanger: de draaggolffrequentie wordt gescheiden en de door de antenne ontvangen elektromagnetische oscillaties worden omgezet in geluidsoscillaties, en de informatie die de persoon die het bericht verzendt wil overbrengen, wordt door de spreker gehoord.
Tijdens de overdracht van een audiosignaal van het radiostation naar de ontvanger kunnen er problemen optreden. inmenging van derden, frequentie en amplitude kunnen veranderen, wat uiteraard invloed heeft op de geluiden die door de radio worden geproduceerd. Ten slotte introduceren zowel de zender als de ontvanger zelf een fout tijdens de signaalconversie. Daarom vertoont het door een analoge radio weergegeven geluid altijd enige vervorming. De stem kan ondanks de veranderingen volledig worden gereproduceerd, maar er zal sissen of zelfs een piepende ademhaling op de achtergrond optreden als gevolg van interferentie. Hoe minder betrouwbaar de ontvangst is, des te luider en duidelijker zullen deze externe geluidseffecten zijn.

Bovendien heeft het terrestrische analoge signaal een zeer zwakke mate van bescherming tegen ongeoorloofde toegang. Voor publieke radiostations maakt dit uiteraard geen verschil. Maar tijdens het gebruik van de eerste mobiele telefoons Er was een onaangenaam moment verbonden aan het feit dat vrijwel elke radio-ontvanger van derden gemakkelijk kon worden afgestemd op de gewenste golflengte om uw telefoongesprek af te luisteren.

Om zich hiertegen te beschermen, gebruiken ze het zogenaamde ‘tonen’ van het signaal, oftewel het CTCSS-systeem (Continuous Tone-Coded Squelch System), een ruisonderdrukkingssysteem gecodeerd met een continue toon, of een ‘vriend/ vijand”-signaalidentificatiesysteem, ontworpen om gebruikers die in hetzelfde frequentiebereik werken, in groepen te verdelen. Gebruikers (correspondenten) uit dezelfde groep kunnen elkaar horen dankzij een identificatiecode. Om het duidelijk uit te leggen: het werkingsprincipe van dit systeem is als volgt. Naast de verzonden informatie wordt er ook een extra signaal (of een andere toon) via de ether verzonden. De ontvanger herkent, naast de draaggolf, deze toon met de juiste instellingen en ontvangt het signaal. Als de toon in de radio-ontvanger niet is geconfigureerd, wordt het signaal niet ontvangen. Er zijn voldoende encryptiestandaarden groot aantal verschillend voor verschillende fabrikanten.
Analoog heeft deze nadelen. uitzending. Dankzij hen belooft bijvoorbeeld televisie in relatief korte tijd volledig digitaal te worden.

Digitale communicatie en uitzendingen worden als veiliger beschouwd tegen interferentie externe invloeden. Het punt is dat bij gebruik van “digitaal” het analoge signaal van de microfoon op het zendstation wordt gecodeerd digitale code. Nee, natuurlijk verspreidt een stroom van cijfers en cijfers zich niet naar de omringende ruimte. Er wordt eenvoudigweg een code van radiopulsen toegewezen aan een geluid met een bepaalde frequentie en volume. De duur en frequentie van de pulsen zijn vooraf bepaald - deze zijn hetzelfde voor zowel de zender als de ontvanger. De aanwezigheid van een impuls komt overeen met één, de afwezigheid - nul. Daarom wordt dergelijke communicatie “digitaal” genoemd.
Er wordt een apparaat genoemd dat een analoog signaal omzet in een digitale code analoog-digitaalomzetter (ADC). Een apparaat dat in de ontvanger is geïnstalleerd en dat de code omzet in een analoog signaal dat overeenkomt met de stem van uw vriend in de luidspreker mobiele telefoon GSM-standaard, een zogenaamde digitaal-naar-analoog-omzetter (DAC).
Tijdens verzending digitaal signaal fouten en vervormingen worden vrijwel geëlimineerd. Als de impuls iets sterker, langer of andersom wordt, wordt deze nog steeds als eenheid door het systeem herkend. En nul zal nul blijven, zelfs als er een willekeurig zwak signaal voor in de plaats komt. Voor ADC en DAC zijn er geen andere waarden zoals 0,2 of 0,9 - alleen nul en één. Daarom interferentie aan digitale communicatie en uitzendingen hebben vrijwel geen impact.
Bovendien is ‘digitaal’ ook beter beschermd tegen ongeoorloofde toegang. Om de DAC van een apparaat een signaal te laten ontsleutelen, moet hij immers de decoderingscode ‘kennen’. De ADC kan, samen met het signaal, zenden digitaal adres apparaat dat als ontvanger is geselecteerd. Zelfs als het radiosignaal wordt onderschept, kan het dus niet worden herkend vanwege de afwezigheid van ten minste een deel van de code. Dit geldt vooral voor communicatie.
Dus, verschillen tussen digitale en analoge signalen:
1) Een analoog signaal kan worden vervormd door interferentie, en een digitaal signaal kan ofwel volledig verstopt zijn door interferentie, ofwel zonder vervorming aankomen. Het digitale signaal is definitief aanwezig of volledig afwezig (nul of één).
2) Het analoge signaal is toegankelijk voor alle apparaten die volgens hetzelfde principe werken als de zender. Het digitale signaal is veilig beveiligd met een code en is lastig te onderscheppen als het niet voor jou bedoeld is.

Naast puur analoge en puur digitale zenders zijn er ook radiostations die zowel analoge als digitale modi ondersteunen. Ze zijn ontworpen voor de overgang van analoge naar digitale communicatie.
Met een vloot aan analoge radiostations tot je beschikking kun je dus stapsgewijs overstappen digitale standaard communicatie.
In eerste instantie bouwde u bijvoorbeeld een communicatiesysteem bij Radio Stations Baikal 30.
Ik wil u eraan herinneren dat dit een analoge zender is met 16 kanalen.

Maar de tijd verstrijkt, en het station past niet meer bij u als gebruiker. Ja, het is betrouwbaar, ja krachtig, ja met goede batterij tot 2600 mAh. Maar wanneer de vloot van radiostations met meer dan 100 mensen wordt uitgebreid, en vooral wanneer in groepen wordt gewerkt, beginnen de 16 kanalen onvoldoende te zijn.
U hoeft niet meteen op pad te gaan en digitale radiostations te kopen. De meeste fabrikanten introduceren bewust een model met een analoge transmissiemodus.
Dat wil zeggen dat u geleidelijk kunt overstappen naar bijvoorbeeld Baikal -501 of Vertex-EVX531 met behoud van bestaande systeem aansluitingen zijn in orde.

De voordelen van een dergelijke transitie zijn onmiskenbaar.
Je krijgt een werkstation
1) langer (in digitale modus is er minder verbruik.)
2) Hebben meer functies (groepsoproep, alleenwerker)
3) 32 geheugenkanalen.
Dat wil zeggen dat u in eerste instantie in eerste instantie twee kanaaldatabases maakt. Voor nieuw aangeschafte stations ( digitale kanalen) en een database met hulpkanalen met bestaande stations ( analoge kanalen). Naarmate u apparatuur aanschaft, verkleint u geleidelijk de vloot radiostations van de tweede bank en vergroot u de vloot van de eerste.
Uiteindelijk bereikt u uw doel: uw hele basis overzetten naar een digitale communicatiestandaard.
Een goede toevoeging en de digitale repeater Yaesu Fusion DR-1 kan dienen als uitbreiding op elke basis

Dit is een dual-band (144/430MHz) repeater die zowel analoge FM-communicatie als een digitaal protocol ondersteunt Systeemfusie binnenin frequentiebereik 12,5 kHz. Wij zijn ervan overtuigd dat de introductie van de nieuwste DR-1X zal de dageraad zijn van ons nieuwe en indrukwekkende multifunctionele systeem Systeemfusie.
Een van de belangrijkste kenmerken Systeemfusie is een functie AMS ( automatische selectie modus), die onmiddellijk herkent of een signaal wordt ontvangen in de V/D-modus, modus gesproken communicatie of datamodus FR analoog FM of digitaal C4FM, en schakelt automatisch over naar de juiste modus. Dankzij onze digitale transceivers dus FT1DR En FTM-400DRSysteemfusie Om de communicatie met analoge FM-radiostations te behouden, hoeft u niet langer elke keer handmatig van modus te wisselen.
Op repeater DR-1X, AMS kan zo worden geconfigureerd dat het binnenkomende digitale C4FM-signaal wordt omgezet naar analoge FM en opnieuw wordt uitgezonden, waardoor communicatie tussen digitale en analoge transceivers mogelijk wordt. AMS kan ook worden geconfigureerd voor automatische hertransmissie inkomende modus uitgang, waardoor digitale en analoge gebruikers één repeater kunnen delen.
Tot nu toe werden FM-repeaters alleen gebruikt voor traditionele FM-communicatie, en digitale repeaters alleen voor digitale communicatie. Nu echter eenvoudigweg door de conventionele analoge FM-repeater te vervangen door DR-1X, U kunt de reguliere FM-communicatie blijven gebruiken, maar ook de repeater gebruiken voor geavanceerdere digitale radiocommunicatie Systeemfusie . Ander randapparatuur, zoals duplexer en versterker, enz. u kunt het zoals gewoonlijk blijven gebruiken.

Meer gedetailleerde kenmerken van de apparatuur zijn te zien op de website in de sectie producten

Analoge, discrete en digitale signalen

INLEIDING TOT DIGITALE SIGNAALVERWERKING

Digitale signaalverwerking (DSP of digitale signaalverwerking) is een van de nieuwste en krachtigste technologieën die actief wordt geïmplementeerd in een breed scala van wetenschaps- en technologiegebieden, zoals communicatie, meteorologie, radar en sonar, medische beeldvorming, digitale audio En televisie-uitzendingen, exploratie van olie- en gasvelden, enz. We kunnen zeggen dat er sprake is van een wijdverbreide en diepe penetratie van technologie digitale verwerking signalen naar alle gebieden van menselijke activiteit. Tegenwoordig behoort DSP-technologie tot de basiskennis die wetenschappers en ingenieurs in alle sectoren zonder uitzondering nodig hebben.

Signalen

Wat is een signaal? In de meest algemene formulering is dit de afhankelijkheid van de ene grootheid van de andere. Dat wil zeggen, vanuit wiskundig oogpunt is het signaal een functie. Afhankelijkheden van de tijd worden het vaakst in overweging genomen. De fysieke aard van het signaal kan verschillen. Heel vaak dit elektrische spanning, minder vaak - actueel.

Signaalpresentatievormen:

1. tijdelijk;

2. spectraal (in het frequentiedomein).

De kosten van digitale gegevensverwerking zijn lager dan die van analoge gegevensverwerking en blijven dalen, terwijl de prestaties van computeractiviteiten voortdurend toenemen. Het is ook belangrijk dat DSP-systemen zeer flexibel zijn. Ze kunnen worden aangevuld met nieuwe programma's en opnieuw worden geprogrammeerd om te presteren diverse operaties zonder de uitrusting te veranderen. Daarom groeit de belangstelling voor wetenschappelijke en toegepaste kwesties van digitale signaalverwerking in alle takken van wetenschap en technologie.

VOORWOORD BIJ DIGITALE SIGNAALVERWERKING

Discrete signalen

De essentie van digitale verwerking is dat fysiek signaal (spanning, stroom, enz.) wordt omgezet in een reeks cijfers, dat vervolgens wordt onderworpen aan wiskundige transformaties in een computer.

Analoge, discrete en digitale signalen

Het originele fysieke signaal is continue functie tijd. Dergelijke signalen, die op elk tijdstip t worden bepaald, worden genoemd analoog.

Welk signaal wordt digitaal genoemd? Laten we een analoog signaal bekijken (Fig. 1.1 a). Het wordt continu gespecificeerd gedurende het gehele beschouwde tijdsinterval. Een analoog signaal wordt als absoluut nauwkeurig beschouwd, tenzij rekening wordt gehouden met meetfouten.

Rijst. 1.1 a) Analoog signaal

Rijst. 1.1 b) Bemonsterd signaal

Rijst. 1.1 c) Gekwantiseerd signaal

Om te ontvangen digitaal signaal, moet u twee bewerkingen uitvoeren - bemonstering en kwantisering. Het proces waarbij een analoog signaal wordt omgezet in een reeks samples wordt genoemd bemonstering, en het resultaat van een dergelijke transformatie is discreet signaal.T. arr., bemonstering bestaat uit het samenstellen van een monster uit een analoog signaal (Fig. 1.1 b), waarvan elk element wordt aangeroepen aftellen, zal gedurende een bepaald interval in de tijd worden gescheiden van aangrenzende monsters T, genaamd bemonsteringsinterval of (aangezien het bemonsteringsinterval vaak ongewijzigd is) – bemonsteringsperiode. Het omgekeerde van de bemonsteringsperiode wordt genoemd bemonsteringssnelheid en wordt gedefinieerd als:

(1.1)

Bij het verwerken van een signaal in een computerapparaat worden de samples ervan weergegeven in de vorm van binaire getallen met een beperkt aantal bits. Als gevolg hiervan kunnen de monsters slechts een eindige reeks waarden aannemen en daarom wordt deze bij het presenteren van een signaal onvermijdelijk afgerond. Het proces van het omzetten van signaalmonsters in getallen wordt genoemd kwantisering. De resulterende afrondingsfouten worden fouten of genoemd kwantiseringsruis. Kwantisering is dus de reductie van de niveaus van het bemonsterde signaal tot een bepaald raster (Fig. 1.1 c), meestal door de gebruikelijke afronding naar boven. Een signaal dat discreet is in de tijd en gekwantiseerd in niveau zal digitaal zijn.

Voorwaarden waaronder dit mogelijk is volledig herstel analoog signaal van zijn digitale equivalent, met behoud van alle informatie die oorspronkelijk in het signaal zat, worden uitgedrukt door de stellingen van Nyquist, Kotelnikov, Shannon, waarvan de essentie vrijwel hetzelfde is. Om een ​​analoog signaal te bemonsteren met volledig behoud van informatie in zijn digitale equivalent, moeten de maximale frequenties in het analoge signaal niet minder zijn dan de helft van de bemonsteringsfrequentie, dat wil zeggen fmax £ (1/2) fd, d.w.z. op één periode maximale frequentie er moeten minimaal twee tellingen zijn. Als deze voorwaarde wordt geschonden, zal het effect van maskering (vervanging) van werkelijke frequenties groter zijn dan lage frequenties. In dit geval wordt in plaats van de werkelijke frequentie een “schijnbare” frequentie in het digitale signaal opgenomen, en daarom wordt herstel van de werkelijke frequentie in het analoge signaal onmogelijk. Het gereconstrueerde signaal zal verschijnen alsof frequenties boven de helft van de bemonsteringsfrequentie zijn gereflecteerd van frequentie (1/2)fd naar het lagere deel van het spectrum en gesuperponeerd op frequenties die al in dat deel van het spectrum aanwezig zijn. Dit effect wordt genoemd aliasing of aliasing(aliasing). Een duidelijk voorbeeld aliasing kan een illusie zijn die vaak in films voorkomt: een autowiel begint tegen zijn beweging in te draaien als het wiel tussen opeenvolgende frames (analoog aan de bemonsteringssnelheid) meer dan een halve omwenteling maakt.

Het signaal omzetten naar digitale vorm rennen analoog-naar-digitaal omzetters(ADC). In de regel gebruiken ze een binair getalsysteem met een bepaald aantal cijfers op een uniforme schaal. Het vergroten van het aantal bits verbetert de nauwkeurigheid van metingen en vergroot het dynamische bereik van gemeten signalen. Informatie die verloren gaat door een gebrek aan ADC-bits is onherstelbaar, en er zijn alleen schattingen van de resulterende fout in de “afronding” van samples, bijvoorbeeld door het ruisvermogen dat wordt gegenereerd door een fout in de laatste ADC-bit. Voor dit doel wordt het concept van signaal-ruisverhouding gebruikt: de verhouding tussen signaalvermogen en ruisvermogen (in decibel). De meest gebruikte zijn 8-, 10-, 12-, 16-, 20- en 24-bit ADC's. Elk extra cijfer verbetert de signaal-ruisverhouding met 6 decibel. Het vergroten van het aantal bits verlaagt echter de bemonsteringssnelheid en verhoogt de kosten van de apparatuur. Een belangrijk aspect is ook het dynamisch bereik, bepaald door de maximale en minimale waarde signaal.

Digitale signaalverwerking hetzij vervuld speciale verwerkers, of op mainframecomputers en speciale programma's. Makkelijkst te overwegen lineair systemen. Lineair worden systemen genoemd waarvoor het principe van superpositie plaatsvindt (de reactie op de som van de ingangssignalen is gelijk aan de som van de reacties op elk signaal afzonderlijk) en homogeniteit (een verandering in de amplitude van het ingangssignaal veroorzaakt een proportionele verandering in de uitgangssignaal).

Als het ingangssignaal x(t-t 0) voor elke verschuiving t 0 een uniek uitgangssignaal y(t-t 0) genereert, wordt het systeem aangeroepen tijd invariant. De eigenschappen ervan kunnen op elk willekeurig moment worden bestudeerd. Voor beschrijving lineair systeem er wordt een speciaal ingangssignaal geïntroduceerd - enkele impuls(impulsfunctie).

Enkele impuls(enkele telling) jij 0(N) (Afb. 1.2):

Rijst. 1.2. Enkele impuls

Vanwege de eigenschappen van superpositie en homogeniteit kan elk ingangssignaal worden weergegeven als de som van dergelijke toegevoerde pulsen verschillende momenten tijd en vermenigvuldigd met de juiste coëfficiënten. Het uitgangssignaal van het systeem is in dit geval de som van de reacties op deze pulsen. De reactie op een eenheidspuls (puls met eenheidsamplitude) wordt genoemd impulsrespons van het systeemh(n). Kennis impuls reactie Hiermee kunt u de doorgang analyseren discreet systeem elk signaal. Echt, willekeurig signaal(x(n)) kan worden weergegeven als een lineaire combinatie van eenheidsmonsters.

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, enz.).

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 belangrijkste nadeel kan worden overwogen dat het signaal in digitale vorm is een tussenfase en 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 bemonsteringssnelheid van het afspelen van DAC kunstmatig te verhogen door toevoeging tussenliggende waarden. Die. we stellen ons een continu golfpad voor (grijze stippellijn) dat de originele coördinaten (rode stippen) soepel verbindt en optelt tussenliggende punten op deze lijn (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 zelfs meer te krijgen beste geluid(zoals bijvoorbeeld gebeurt in Hidizs AP100).

De belangrijkste afwijzing door de industrie van multibit DAC's vond plaats vanwege de onmogelijkheid om verder te gaan technologische ontwikkeling kwaliteitsindicatoren met de huidige productietechnologieën en hogere kosten versus “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 ultra hoge frequenties zal niet worden 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 wel inkjetprinter met een beperkt kleurengamma, maar vanwege de mogelijkheid om zeer kleine stippen aan te brengen (vergeleken met een geweiprinter), produceert het vanwege de verschillende dichtheid van stippen per oppervlakte-eenheid meer tinten.

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 tekenen van “ digitale golf» stappen, 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 het overweldigende aantal records wordt opgeslagen in een meerbitssignaal en vervolgens omgezet in puls signaal gebaseerd op het "bit-to-bit" -principe vereist het een buitensporig 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 puls-DAC's een tweede wind gekregen in snelle microcircuits algemeen doel 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 maar kunt archiveren analoge opnames en maak opnames met twee microfoons van liveoptredens zonder nabewerking. 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 aparte DAC, dan is er voor het DSD-formaat geen standaard en werden de eerste illegale kopieën van SA-CD-schijven gedigitaliseerd met analoge uitgangen SA-CD-spelers (hoewel de situatie stom lijkt, zijn sommige opnames zelfs alleen op SA-CD uitgebracht, of is dezelfde opname op Audio-CD opzettelijk slecht gemaakt om SA-CD te promoten).

Het keerpunt kwam met de vrijlating spelconsoles SONY, waar de SA-CD-schijf automatisch naartoe werd gekopieerd harde schijf consoles. 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.

Draaggolffrequenties voor DSD zijn relatief klein, 2,8 en 5,6 MHz, maar deze audiostream vereist geen conversie met gegevensverdunning en is behoorlijk concurrerend met formaten 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 definitieve 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. Tegelijkertijd geven verschillende technologieniveaus voor het opnemen en reproduceren van een digitaal signaal en het opslaan op media voor een analoog signaal echter meer voordelen digitale weergave van het signaal, vergelijkbaar met een digitale camera versus een filmcamera.

Vandaag zullen we proberen erachter te komen wat analoge en digitale signalen zijn? Hun voor- en nadelen. Laten we niet met allerlei wetenschappelijke termen en definities rondgooien, maar proberen de situatie in één oogopslag te begrijpen.

Wat is een analoog signaal?

Analoog signaal is gebaseerd op analogie elektrisch signaal(stroom- en spanningswaarden) tot de waarde van het oorspronkelijke signaal (pixelkleur, frequentie en amplitude van geluid, enz.). Die. specifieke stroom- en spanningswaarden komen overeen met de overdracht van een specifieke pixelkleur of audiosignaal.

Ik zal een voorbeeld geven waarbij ik een analoog videosignaal gebruik.

De spanning op de draad is 5 volt blauwe kleur, 6 volt - groen, 7 volt rood.

Om rode, blauwe en groene strepen op het scherm te laten verschijnen, moet je afwisselend 5, 6, 7 volt op de kabel aanbrengen. Hoe sneller we de spanning veranderen, hoe dunner de strepen die we op de monitor krijgen. Door het interval tussen spanningsveranderingen tot een minimum te beperken, krijgen we geen strepen meer, maar afwisselend gekleurde stippen.

Een belangrijk kenmerk van het analoge signaal is het feit dat het strikt van de zender naar de ontvanger wordt verzonden (bijvoorbeeld van een antenne naar een tv), er is geen feedback. Als interferentie de signaaloverdracht verstoort (bijvoorbeeld in plaats van zes volt zijn er vier), wordt de kleur van de pixel vervormd en verschijnen er rimpelingen op het scherm.
Het analoge signaal is continu.
Wat is een digitaal signaal?

Datatransmissie wordt ook uitgevoerd met behulp van een elektrisch signaal, maar er zijn slechts twee betekenissen van deze signalen en ze komen overeen met 0 en 1. Dat wil zeggen. Een reeks nullen en enen wordt langs de draden verzonden. Zoiets als dit: 01010001001, enz. Om ervoor te zorgen dat het ontvangende apparaat (bijvoorbeeld een tv) niet in de war raakt in de verzonden gegevens, worden de nummers in batches verzonden. Het gebeurt ongeveer als volgt: 10100010 10101010 10100000 10111110. Elk dergelijk pakket bevat enige informatie, bijvoorbeeld de kleur van een pixel. Een belangrijk kenmerk van een digitaal signaal is dat de zendende en ontvangende apparaten met elkaar kunnen communiceren en elkaar fouten kunnen corrigeren die tijdens de verzending kunnen optreden.

Voorbeelden van digitale en analoge signaaloverdracht

Voor een digitaal signaal gaat de verzending ongeveer als volgt:

• Interferentie: AHHHHHHHHHHH!
• Televisie: Welke? Ik kan het niet horen!
• Videorecorder: Groen!
• TV: Ja, ik snap het! Ik teken groen.
• TV: Bevestig dat de kleur rood is.
• Videorecorder: Ik bevestig het.
• Televisie: Oké! Ik ben aan het tekenen.

Transmissie voor analoog signaal:

• Videorecorder: Hé, TV, de kleur van de pixel met coördinaten 120x300 is groen.
• Interferentie: AHHHHHHHHHHH!
• Televisie: Welke? Ik kan het niet horen! Verdorie, ik teken blauw.
• Videorecorder: De volgende kleur is rood!
• Interferentie: BANG! BOOM!
• TV: Het lijkt erop dat het rood is! Ik ben aan het tekenen.
• Videorecorder: Schop!
• Interferentie: PSHSHSHSSH!
• Televisie:?!. Moet je iets tekenen?! Laat er een schop zijn!

Voor- en nadelen van digitale en analoge signalen

Uit het bovenstaande kunnen we concluderen dat, als de overige omstandigheden gelijk blijven, de kwaliteit van de informatieoverdracht met behulp van nummers hoger zal zijn dan met analoge representatie signaal. Tegelijkertijd kunnen de twee technologieën, met een goede ruisimmuniteit, op gelijke voet concurreren.