Signal se definira kao napon ili struja koji se može prenijeti kao poruka ili informacija. Svi signali su po prirodi analogni, bilo da su AC ili DC, digitalni ili impulsni. Međutim, uobičajeno je razlikovati analogne i digitalne signale.
Digitalni signal je signal koji je na određeni način obrađen i pretvoren u brojeve. Obično su ovi digitalni signali povezani sa stvarnim analognim signalima, ali ponekad nema veze između njih. Primjer je prijenos podataka u lokalnim mrežama (LAN) ili drugim mrežama velike brzine.
U digitalnoj obradi signala (DSP), analogni signal se pretvara u binarni oblik pomoću uređaja koji se naziva analogno-digitalni pretvarač (ADC). ADC emituje binarni prikaz analognog signala, koji se zatim obrađuje od strane procesora aritmetičkih digitalnih signala (DSP). Nakon obrade, informacije sadržane u signalu mogu se ponovo pretvoriti u analogni oblik pomoću digitalno-analognog pretvarača (DAC).
Drugi ključni koncept u definiciji signala je činjenica da signal uvijek nosi neku informaciju. Ovo nas dovodi do ključnog problema fizičke obrade analognog signala - problema pronalaženja informacija.
Ciljevi obrade signala.
Glavna svrha obrade signala je potreba za dobijanjem informacija koje oni sadrže. Ova informacija je obično prisutna u amplitudi signala (apsolutnoj ili relativnoj), u frekvenciji ili u spektralnom sastavu, u fazi ili u relativnom vremenu ovisnosti nekoliko signala.
Nakon što se željena informacija izdvoji iz signala, može se koristiti na različite načine. U nekim slučajevima, poželjno je preformatirati informacije sadržane u signalu.
Konkretno, do promjene formata signala dolazi kada se audio signal prenosi u telefonskom sistemu s višestrukim pristupom s frekvencijskom podjelom (FDMA). U ovom slučaju se koriste analogne tehnike za postavljanje više glasovnih kanala u frekventni spektar za prijenos preko mikrovalnog radio releja, koaksijalnog ili optičkog kabla.
U slučaju digitalne komunikacije, analogne audio informacije se prvo pretvaraju u digitalne pomoću ADC-a. Digitalne informacije koje predstavljaju pojedinačne audio kanale se vremenski multipleksiraju (multipleksiranje s vremenskim podjelom, TDMA) i prenose preko serijske digitalne veze (kao u PCM sistemu).
Drugi razlog za obradu signala je kompresija širine signala (bez značajnog gubitka informacija), nakon čega slijedi formatiranje i prijenos informacija nižim brzinama, što vam omogućava da suzite potrebnu širinu kanala. Modemi velike brzine i sistemi adaptivne pulsne kodne modulacije (ADPCM) naširoko koriste algoritme redundencije (kompresije) podataka, kao i digitalni mobilni komunikacioni sistemi, MPEG sistemi za snimanje zvuka i televizija visoke definicije (HDTV).
Industrijski sistemi za prikupljanje i kontrolu podataka koriste informacije sa senzora za generiranje odgovarajućih povratnih signala, koji zauzvrat direktno kontroliraju proces. Imajte na umu da ovi sistemi zahtijevaju i ADC i DAC, kao i senzore, pretvarače signala i DSP-ove (ili mikrokontrolere).
U nekim slučajevima postoji šum u signalu koji sadrži informaciju, a glavni cilj je povrat signala. Tehnike kao što su filtriranje, autokorelacija, konvolucija, itd. se često koriste za postizanje ovog zadatka iu analognom iu digitalnom domenu.
SVRHE OBRADE SIGNALA- Ekstrakcija informacija o signalu (amplituda, faza, frekvencija, spektralne komponente, vremenski odnosi)
- Konverzija formata signala (telefonija sa podjelom kanala FDMA, TDMA, CDMA)
- Kompresija podataka (modemi, mobilni telefoni, HDTV televizija, MPEG kompresija)
- Formiranje povratnih signala (upravljanje industrijskim procesom)
- Odvajanje signala od šuma (filtriranje, autokorelacija, konvolucija)
- Izolacija i pohranjivanje signala u digitalnom obliku za dalju obradu (FFT)
Oblikovanje signala
U većini ovih situacija (vezanih za korištenje DSP tehnologija) potrebni su i ADC i DAC. Međutim, u nekim slučajevima je potreban samo DAC gdje se analogni signali mogu direktno generirati iz DSP-a i DAC-a. Video skenirani ekrani su dobar primjer u kojem digitalno generirani signal pokreće video ili RAMDAC blok (Pixel Array Digital to Analog Converter).
Drugi primjer je umjetno sintetizirana muzika i govor. Zapravo, generiranje fizičkih analognih signala korištenjem samo digitalnih tehnika oslanja se na informacije koje su prethodno dobivene iz izvora takvih fizičkih analognih signala. U sistemima za prikaz, podaci na displeju moraju prenositi relevantne informacije operateru. Prilikom razvoja zvučnih sistema postavljaju se statistička svojstva generisanih zvukova, koja su prethodno određena korišćenjem široko rasprostranjene upotrebe DSP metoda (izvor zvuka, mikrofon, pretpojačalo, ADC, itd.).
Metode i tehnologije obrade signala
Signali se mogu obraditi analognim tehnikama (analogna obrada signala ili ASP), digitalnim tehnikama (digitalna obrada signala, ili DSP) ili kombinacijom analognih i digitalnih tehnika (kombinovana obrada signala, ili MSP). U nekim slučajevima izbor metoda je jasan, u drugim slučajevima nema jasnoće u izboru i konačna odluka se zasniva na određenim razmatranjima.
Što se tiče DSP-a, glavna razlika od tradicionalne kompjuterske analize podataka je velika brzina i efikasnost obavljanja složenih funkcija digitalne obrade kao što su filtriranje, analiza pomoću podataka i kompresija podataka u realnom vremenu.
Kombinovana obrada signala znači da sistem obavlja i analognu i digitalnu obradu. Takav sistem se može implementirati kao štampana ploča, hibridno integrisano kolo (IC) ili jedan čip sa integrisanim elementima. ADC i DAC se smatraju kombinovanim uređajima za obradu signala, jer svaki od njih implementira i analogne i digitalne funkcije.
Nedavni napredak u VLSI tehnologiji omogućava složenu (digitalnu i analognu) obradu na jednom čipu. Sama priroda DSP-a implicira da se ove funkcije mogu obavljati u realnom vremenu.
Poređenje analogne i digitalne obrade signala
Današnji inženjer se suočava sa odabirom prave kombinacije analognih i digitalnih metoda za rješavanje problema obrade signala. Nemoguće je obraditi fizičke analogne signale samo digitalnim metodama, jer su svi senzori (mikrofoni, termoparovi, piezoelektrični kristali, glave magnetnih pogona, itd.) analogni uređaji.
Neki tipovi signala zahtijevaju normalizacijske krugove za dalju obradu signala, analognih i digitalnih. Kola za normalizaciju signala su analogni procesori koji obavljaju funkcije kao što su pojačavanje, akumulacija (u mjernim i preliminarnim (baferskim) pojačivačima), detekcija signala u pozadini buke (visoko precizni pojačivači zajedničkog moda, ekvilajzeri i linearni prijemnici), kompresija dinamičkog opsega (logaritamski pojačivači, logaritamski DAC-ovi i programabilni pojačavači) i filtriranje (pasivno ili aktivno).
Nekoliko metoda za implementaciju obrade signala prikazano je na slici 1. Gornja oblast slike prikazuje čisto analogni pristup. Ostala područja pokazuju implementaciju DSP-a. Imajte na umu da kada se izabere DSP tehnologija, sljedeće rješenje bi trebalo biti lociranje ADC-a na putu za obradu signala.
ANALOGNA I DIGITALNA OBRADA SIGNALA
Slika 1. Metode obrade signala
Općenito, pošto je ADC pomaknut bliže senzoru, većinu obrade analognog signala sada obavlja ADC. Povećanje mogućnosti ADC-a može se izraziti povećanjem brzine uzorkovanja, proširenjem dinamičkog opsega, povećanjem rezolucije, odsecanjem ulaznog šuma, upotrebom ulaznog filtriranja i programabilnih pojačala (PGA), prisustvom referenci napona na čipu itd. Svi navedeni dodaci povećavaju funkcionalni nivo i pojednostavljuju sistem.
Sa modernim DAC i ADC proizvodnim tehnologijama dostupnim sa visokim stopama uzorkovanja i rezolucijama, napravljen je značajan napredak u integraciji sve većeg broja kola direktno u ADC / DAC.
U polju mjerenja, na primjer, postoje 24-bitni ADC-ovi sa ugrađenim programabilnim pojačalima (PGA) koji omogućavaju direktnu digitalizaciju signala mosta od 10 mV bez dalje normalizacije (npr. AD773x serija).
Na frekvencijama glasa i zvuka uobičajeni su složeni koderi-dekoderi - kodeci (Analog Front End, AFE) - koji imaju analogno kolo ugrađeno u mikrokolo koje ispunjava minimalne zahtjeve za eksterne normalizacijske komponente (AD1819B i AD73322).
Postoje i video kodeci (AFE) za zadatke kao što je obrada CCD slike i druge (kao što su serije AD9814, AD9816 i AD984X).
Primjer implementacije
Kao primjer korištenja DSP-a, uporedite analogni i digitalni niskopropusni filter (LPF), svaki sa graničnom frekvencijom od 1 kHz.
Digitalni filter je implementiran kao tipičan digitalni sistem, kao što je prikazano na slici 2. Imajte na umu da postoji nekoliko implicitnih pretpostavki datih u dijagramu. Prvo, da bi se signal precizno obradio, pretpostavlja se da ADC/DAC staza ima dovoljnu brzinu uzorkovanja, rezoluciju i dinamički raspon. Drugo, da bi završio sve svoje proračune unutar intervala uzorkovanja (1 / f s), DSP uređaj mora biti dovoljno brz. Treće, na ADC ulazu i DAC izlazu i dalje postoji potreba za analognim filterima za ograničavanje i vraćanje spektra signala (anti-aliasing filter i anti-imaging filter), iako zahtjevi za njihovim performansama nisu visoki. Uz ove pretpostavke na mjestu, možete uporediti digitalne i analogne filtere.
Slika 2. Blok dijagram digitalnog filtera
Potrebna granična frekvencija za oba filtera je 1 kHz. Analogna konverzija je prve vrste šestog reda (karakteriše je prisustvo talasanja u prenosnom odnosu u propusnom opsegu i odsustvo talasa izvan propusnog opsega). Njegove karakteristike su prikazane na slici 2. U praksi se ovaj filter može predstaviti sa tri filtera drugog reda, od kojih je svaki izgrađen na operacionom pojačalu i nekoliko kondenzatora. Filter šestog reda je dovoljno jednostavan za kreiranje sa modernim CAD (Computer Aided Design) filterima, ali je potreban precizan odabir komponenti da bi se zadovoljila specifikacija ravnosti od 0,5 dB.
Digitalni FIR filter sa 129 faktora prikazan na slici 2 ima ravnost od samo 0,002 dB u pojasu propusnosti, linearni fazni odziv i mnogo strmiji pad. U praksi se takve karakteristike ne mogu ostvariti analognim metodama. Još jedna očigledna prednost sklopa je da digitalni filter ne zahtijeva odabir komponenti i ne podliježe pomaku parametara, budući da je frekvencija sata filtera stabilizirana kristalnim rezonatorom. Filter sa 129 koeficijenata zahtijeva 129 operacija množenja i akumulacije (MAC) da bi se izračunao izlazni uzorak. Ovi proračuni moraju biti završeni unutar intervala uzorkovanja od 1/fs da bi radili u realnom vremenu. U ovom primjeru, brzina uzorkovanja je 10 kHz, tako da je 100 µs dovoljno za obradu ako nije potrebno značajno dodatno izračunavanje. ADSP-21xx DSP porodica može da završi ceo proces umnožavanja-akumulacije (i druge funkcije potrebne za implementaciju filtera) u jednom ciklusu instrukcija. Stoga, filter sa 129 faktora zahtijeva preko 129/100 μs = 1,3 miliona operacija u sekundi (MIPS). Postojeći DSP-ovi su mnogo brži i stoga nisu ograničavajući faktor za ove aplikacije. 16-bitna serija ADSP-218x sa fiksnom tačkom postiže performanse do 75 MIPS. Listing 1 prikazuje asemblerski kod koji implementira filter na ADSP-21xx DSP procesorima. Imajte na umu da su stvarne linije izvršnog koda označene strelicama; ostalo su komentari.
Slika 3.Analogni i digitalni filteri
Naravno, u praksi postoje mnogi drugi faktori koji se uzimaju u obzir kada se uporede analogni i digitalni filteri, ili općenito analogne i digitalne tehnike obrade signala. Moderni sistemi za obradu signala kombinuju analogne i digitalne metode kako bi postigli željenu funkciju i iskoristili prednosti najboljih metoda, analognih i digitalnih.
PROGRAM MONTAŽE:
FILTER JELA ZA ADSP-21XX (JEDNOM PRECIZNOM)
MODULE fir_sub; (Podrutina FIR filtera Poziv parametara potprograma I0 -> Najstariji podaci u liniji kašnjenja I4 -> Početak tabele koeficijenata filtera L0 = Dužina filtera (N) L4 = Dužina filtera (N) M1, M5 = 1 CNTR = Dužina filtera - 1 ( N-1) Vraćene vrijednosti MR1 = Rezultat sumiranja (zaokruženo i ograničeno) I0 -> Najstariji podaci u liniji kašnjenja I4 -> Početak tabele koeficijenata filtera Promenljivi registri MX0, MY0, MR Runtime (N - 1) + 6 ciklusi = N + 5 ciklusa Sve kvote su upisane u formatu 1.15) .ENTRY fir; jela: MR = 0, MX0 = DM (I0, M1), MY0 = PM (I4, M5) CNTR = N-1; DO convolution DO CE; konvolucija: MR = MR + MX0 * MY0 (SS), MX0 = DM (I0, M1), MY0 = PM (I4, M5); MR = MR + MX0 * MY0 (RND); IF MV SAT MR; RTS; .ENDMOD; OBRADA SIGNALA U REALNOM VREMENU
književnost:
Zajedno sa člankom "Vrste signala" pročitajte:
Digitalna kola je najvažnija disciplina koja se izučava u svim visokim i srednjim obrazovnim ustanovama koje školuju specijaliste elektronike. Pravi radio-amater bi također trebao biti dobro upućen u ovo pitanje. Ali većina knjiga i nastavnih sredstava napisana je na jeziku koji je vrlo teško razumjeti, a inženjeru elektronike početniku (moguće školarcu) biće teško da savlada nove informacije. Serija novih materijala za obuku iz Master Kita osmišljena je da popuni ovu prazninu: u našim člancima složeni koncepti su opisani najjednostavnijim riječima.
8.1. Analogni i digitalni signali
Prvo morate shvatiti kako se analogno kolo općenito razlikuje od digitalnog. A glavna razlika je u signalima s kojima ovi sklopovi rade.
Svi signali se mogu podijeliti u dva glavna tipa: analogni i digitalni.
Analogni signali
Analogni signali su nam najpoznatiji. Možemo reći da je cijeli prirodni svijet oko nas analogan. Naš vid i sluh, kao i svi drugi čulni organi, dolaznu informaciju percipiraju u analognom obliku, odnosno neprekidno u vremenu. Prenos zvučnih informacija - ljudski govor, zvuci muzičkih instrumenata, rika životinja, zvuci prirode itd. - također se izvodi u analognom obliku.
Da bismo još bolje razumjeli ovo pitanje, nacrtajmo analogni signal (slika 1.):
Slika 1. Analogni signal
Vidimo da je analogni signal kontinuiran u vremenu i amplitudi. Za bilo koji trenutak možete odrediti tačnu vrijednost amplitude analognog signala.
Digitalni signali
Analizirajmo amplitudu signala ne stalno, već diskretno, u fiksnim intervalima. Na primjer, jednom u sekundi, ili češće: deset puta u sekundi. Koliko često to radimo naziva se brzina uzorkovanja: jednom u sekundi - 1 Hz, hiljadu puta u sekundi - 1000 Hz ili 1 kHz.
Radi jasnoće, nacrtajmo grafikone analognog (gore) i digitalnog (dolje) signala (slika 2.):
sl. 2. Analogni signal (gore) i digitalna kopija (dole)
Vidimo da je u svakom trenutnom vremenskom periodu moguće saznati trenutnu digitalnu vrijednost amplitude signala. Šta se dešava sa signalom (prema kom zakonu se menja, kolika je njegova amplituda) između intervala "provere", ne znamo, ova informacija je izgubljena za nas. Što rjeđe provjeravamo nivo signala (što je niža stopa uzorkovanja), to imamo manje informacija o signalu. Naravno, vrijedi i suprotno: što je veća stopa uzorkovanja, to je bolji kvalitet prezentacije signala. U limitu, povećavajući brzinu uzorkovanja do beskonačnosti, dobijamo praktično isti analogni signal.
Znači li to da je analogni signal ipak bolji od digitalnog? U teoriji, možda da. Ali u praksi, savremeni analogno-digitalni pretvarači (ADC) rade na tako visokoj stopi uzorkovanja (do nekoliko miliona uzoraka u sekundi), tako da opisuju analogni signal u digitalnom obliku tako kvalitativno da ljudska čula (oči, uši) ) više ne može osjetiti razliku između originalnog signala i njegovog digitalnog modela. Digitalni signal ima vrlo značajnu prednost: lakše ga je prenijeti preko žica ili radio valova, smetnje ne utječu značajno na takav signal. Dakle, sve moderne mobilne komunikacije, televizijsko i radio emitovanje su digitalne.
Donji grafikon na sl. 2 se lako može predstaviti u drugom obliku - kao dugačak niz brojeva: vrijeme / amplituda. A brojevi su upravo ono što digitalnim kolima treba. Istina, digitalna kola radije rade s brojevima na poseban način, ali o tome ćemo govoriti u sljedećoj lekciji.
Sada možemo izvući važne zaključke:
Digitalni signal je diskretan, može se odrediti samo za određene trenutke u vremenu;
- što je veća stopa uzorkovanja, to je veća tačnost digitalnog prikaza signala.
Vrlo često čujemo definicije kao što su "digitalni" ili "diskretni" signal, kako se razlikuje od "analognog"?
Razlika je u tome što je analogni signal kontinuiran u vremenu (plava linija), dok se digitalni signal sastoji od ograničenog skupa koordinata (crvene tačke). Ako se sve svede na koordinate, tada se bilo koji segment analognog signala sastoji od beskonačnog broja koordinata.
Za digitalni signal, koordinate duž horizontalne ose nalaze se u pravilnim intervalima, u skladu sa frekvencijom uzorkovanja. U uobičajenom Audio-CD formatu, ovo je 44.100 tačaka u sekundi. Vertikalno, tačnost visine koordinata odgovara cifrenom kapacitetu digitalnog signala, za 8 bita to je 256 nivoa, za 16 bita = 65536 i za 24 bita = 16777216 nivoa. Što je veća dubina bita (broj nivoa), to su vertikalne koordinate bliže originalnom talasu.
Analogni izvori su vinil i audio trake. Digitalni izvori su: CD-Audio, DVD-Audio, SA-CD (DSD) i datoteke u WAVE i DSD formatima (uključujući derivate APE, Flac, Mp3, Ogg, itd.).
Prednosti i nedostaci analognog signala
Prednost analognog signala je u tome što u analognom obliku zvuk percipiramo ušima. I iako naš slušni sistem pretvara percipirani zvučni tok u digitalni oblik i u tom obliku ga prenosi u mozak, nauka i tehnologija još nisu došle do mogućnosti povezivanja igrača i drugih izvora zvuka direktno u ovom obliku. Takvo istraživanje se sada aktivno provodi za osobe s invaliditetom, a mi uživamo isključivo u analognom zvuku.Nedostatak analognog signala je mogućnost pohranjivanja, prijenosa i repliciranja signala. Prilikom snimanja na traku ili vinil, kvalitet signala ovisit će o svojstvima trake ili vinila. Vremenom će se traka demagnetizirati i kvalitet snimljenog signala će se pogoršati. Svako čitanje postepeno uništava medij, a prepisivanjem se unosi dodatna distorzija, pri čemu dodatna odstupanja dodaju sljedeći medij (traka ili vinil), uređaji za čitanje, snimanje i prijenos signala.
Napraviti kopiju analognog signala je kao da snimite drugu fotografiju da biste kopirali fotografiju.
Prednosti i nedostaci digitalnog signala
Prednosti digitalnog signala uključuju tačnost pri kopiranju i prijenosu audio toka, pri čemu se original ne razlikuje od kopije.Glavnim nedostatkom može se smatrati to što je digitalni signal srednja faza i tačnost konačnog analognog signala ovisit će o tome koliko će detaljno i precizno biti opisane koordinate zvučnog vala. Sasvim je logično da što više tačaka ima i što su koordinate tačnije, to će val biti tačniji. Ali još uvijek nema konsenzusa o tome koliko je koordinata i tačnosti podataka dovoljno da se kaže da je digitalni prikaz signala dovoljan za preciznu rekonstrukciju analognog signala, koji se našim ušima ne razlikuje od originala.
Što se tiče količine podataka, kapacitet konvencionalne analogne audio kasete je samo oko 700-1,1 MB, dok obični CD ima 700 MB. Ovo ukazuje na potrebu za medijima visokog kapaciteta. I to dovodi do zasebnog rata kompromisa sa različitim zahtjevima za brojem tačaka opisa i tačnosti koordinata.
Danas se smatra sasvim dovoljnim da se predstavi zvučni talas sa stopom uzorkovanja od 44,1 kHz i dubinom bita od 16 bita. Uz brzinu uzorkovanja od 44,1 kHz, možete oporaviti do 22 kHz. Kao što pokazuju psihoakustičke studije, dalje povećanje brzine uzorkovanja je malo primjetno, ali povećanje dubine bita daje subjektivno poboljšanje.
Kako DAC-ovi grade talas
DAC je digitalno-analogni pretvarač, element koji pretvara digitalni zvuk u analogni. Brzo ćemo pogledati osnovne principe. Ako komentari pokažu interes za detaljnije razmatranje nekoliko tačaka, tada će biti objavljen poseban materijal.Multibit DACs
Vrlo često se talas predstavlja u obliku stepenica, što je zbog arhitekture prve generacije višebitnih R-2R DAC-ova, koji rade na sličan način kao i prekidač sa releja.
DAC ulaz prima vrijednost sljedeće koordinate duž vertikale i u svakom svom ciklusu prebacuje trenutni (naponski) nivo na odgovarajući nivo do sljedeće promjene.
Iako se vjeruje da ljudsko uho ne čuje više od 20 kHz, a prema Nyquistovoj teoriji moguće je vratiti signal do 22 kHz, ostaje pitanje kvalitete ovog signala nakon restauracije. U visokofrekventnom području, oblik rezultujućeg "stepenog" vala obično je daleko od originalnog. Najlakši izlaz iz situacije je povećanje brzine uzorkovanja prilikom snimanja, ali to dovodi do značajnog i neželjenog povećanja veličine datoteke.
Alternativna opcija je da se veštački poveća brzina uzorkovanja tokom reprodukcije u DAC-u dodavanjem srednjih vrednosti. One. predstavljamo putanju neprekidnog talasa (siva isprekidana linija) koji glatko povezuje originalne koordinate (crvene tačke) i dodajemo međutačke na ovoj liniji (tamno ljubičasta).
Prilikom povećanja brzine uzorkovanja, obično je potrebno povećati dubinu bita tako da koordinate budu bliže aproksimiranom valu.
Zahvaljujući srednjim koordinatama, moguće je smanjiti "korake" i izgraditi val bliže originalu.
Kada vidite funkciju pojačanja od 44,1 do 192 kHz u plejeru ili eksternom DAC-u, to je funkcija za dodavanje međukoordinata, a ne vraćanje ili stvaranje zvuka u području iznad 20 kHz.
U početku su to bila odvojena SRC mikrokola prije DAC-a, koja su potom migrirala direktno na sama DAC mikrokola. Danas možete pronaći rješenja u kojima se takvo mikrokolo dodaje modernim DAC-ovima, to se radi kako bi se pružila alternativa ugrađenim algoritmima u DAC-u i ponekad dobio još bolji zvuk (kao što je, na primjer, učinjeno u Hidizsu AP100).
Glavno odbijanje u industriji od višebitnih DAC-ova dogodilo se zbog nemogućnosti daljnjeg tehnološkog razvoja indikatora kvalitete sa trenutnim proizvodnim tehnologijama i višim troškovima u odnosu na "pulsne" DAC-ove s uporedivim karakteristikama. Ipak, u Hi-End proizvodima prednost se često daje starim višebitnim DAC-ovima, umjesto novim rješenjima sa tehnički boljim karakteristikama.
Pulsni DAC
Kasnih 70-ih, alternativna verzija DAC-a zasnovana na "pulsnoj" arhitekturi - "delta-sigma", postala je široko rasprostranjena. Pulse DAC tehnologija omogućila je pojavu ultra-brzih prekidača i omogućila korištenje visoke noseće frekvencije.
Amplituda signala je prosječna vrijednost amplituda impulsa (impulsi jednake amplitude su prikazani zelenom bojom, a konačni zvučni val je prikazan bijelom bojom).
Na primjer, niz od osam ciklusa takta od pet impulsa će dati prosječnu amplitudu (1 + 1 + 1 + 0 + 0 + 1 + 1 + 0) / 8 = 0,625. Što je frekvencija nosioca veća, to će više impulsa biti izglađeno i amplituda će biti preciznija. Ovo je omogućilo predstavljanje audio toka u jednobitnom obliku sa širokim dinamičkim rasponom.
Usrednjavanje se može obaviti običnim analognim filterom, a ako se takav skup impulsa primijeni direktno na zvučnik, onda ćemo na izlazu dobiti zvuk, a ultra visoke frekvencije se neće reproducirati zbog velike inercije emitera. PWM pojačivači u klasi D rade po ovom principu, gdje se gustoća energije impulsa stvara ne njihovim brojem, već trajanjem svakog impulsa (što je lakše implementirati, ali se ne može opisati jednostavnim binarnim kodom).
Višebitni DAC se može zamisliti kao štampač koji može nanositi boju pomoću pantone mastila. Delta-Sigma je inkjet štampač sa ograničenim skupom boja, ali zbog mogućnosti nanošenja veoma malih tačaka (u poređenju sa štampačem za rogove), zbog različite gustine tačaka po jedinici površine, daje više nijansi.
Na slici najčešće ne vidimo pojedinačne tačke zbog niske rezolucije oka, već samo srednji ton. Isto tako, uho ne čuje impulse odvojeno.
Konačno, sa trenutnim tehnologijama u impulsnim DAC-ovima, možete dobiti val blizak onom koji bi se teoretski trebao dobiti pri aproksimaciji međukoordinata.
Treba napomenuti da je nakon pojave delta-sigma DAC-a nestala hitnost da se nacrta "digitalni val" sa koracima, jer tako da moderni DAC-ovi ne grade talas sa koracima. Ispravno konstruirajte diskretni signal sa tačkama povezanim glatkom linijom.
Da li su DAC-ovi idealni?
Ali u praksi nije sve bez oblaka, i postoji niz problema i ograničenja.
Jer ogroman broj zapisa se pohranjuje u višebitni signal, a zatim konverzija u impulsni signal po principu “bit-za-bit” zahtijeva nepotrebno visoku frekvenciju nosioca, što moderni DAC-ovi ne podržavaju.
Glavna funkcija modernih impulsnih DAC-a je da konvertuje višebitni signal u jednobitni sa relativno niskom nosećom frekvencijom sa decimacijom podataka. U osnovi, ovi algoritmi određuju konačni kvalitet zvuka impulsnih DAC-ova.
Da bi se smanjio problem visoke noseće frekvencije, audio tok je podijeljen u nekoliko jednobitnih tokova, pri čemu je svaki tok odgovoran za svoju vlastitu grupu pražnjenja, što je ekvivalentno višestrukom povećanju noseće frekvencije broja tokova. . Ovi DAC-ovi se nazivaju multi-bitni delta-sigma DAC-ovi.
Danas su impulsni DAC-ovi dobili drugi vjetar u brzim čipovima opšte namjene u NAD i Chord proizvodima zbog mogućnosti fleksibilnog programiranja algoritama konverzije.
DSD format
Nakon široke upotrebe delta-sigma DAC-ova, bilo je sasvim logično da se format binarnog koda pojavio direktno u delta-sigma kodiranju. Ovaj format se zove DSD (Direct Stream Digital).Format nije bio široko korišten iz nekoliko razloga. Ispostavilo se da je uređivanje datoteka u ovom formatu nepotrebno ograničeno: ne možete miješati streamove, podesiti jačinu zvuka i primijeniti ekvilizaciju. To znači da bez gubitka kvaliteta, možete arhivirati samo analogne snimke i napraviti dva mikrofona snimanje nastupa uživo bez dalje obrade. Jednom riječju, ne možete stvarno zaraditi novac.
U borbi protiv piraterije, SA-CD-ovi nisu podržani (i nisu podržani do sada) od strane računara, što ih onemogućava da prave kopije. Nema kopija - nema opće publike. Bilo je moguće reprodukovati DSD audio sadržaj samo sa zasebnog SA-CD plejera sa brendiranog diska. Ako za PCM format postoji SPDIF standard za digitalni prijenos podataka od izvora do zasebnog DAC-a, onda ne postoji standard za DSD format i prve piratske kopije SA-CD diskova su digitalizirane sa analognih izlaza SA -CD plejeri (iako situacija izgleda glupo, ali u stvarnosti neki snimci su objavljeni samo na SA-CD-u, ili je isti snimak na Audio-CD-u posebno loše napravljen za promociju SA-CD-a).
Prekretnica se dogodila izdavanjem SONY igraćih konzola, gdje je SA-CD disk automatski kopiran na hard disk konzole prije nego što se pustio u rad. Ljubitelji DSD formata su to iskoristili. Pojava piratskih snimaka stimulisala je tržište da izda odvojene DAC-ove za reprodukciju DSD streamova. Većina eksternih DAC-ova sa podrškom za DSD danas podržava USB prenos podataka koristeći DoP format kao zasebno kodiranje digitalnog signala preko SPDIF-a.
Noseće frekvencije za DSD su relativno male, 2,8 i 5,6 MHz, ali ovaj audio stream ne zahtijeva nikakve konverzije decimacije i prilično je konkurentan formatima visoke definicije kao što je DVD-Audio.
Ne postoji definitivan odgovor na pitanje šta je bolje, DSP ili PCM. Sve zavisi od kvaliteta implementacije konkretnog DAC-a i talenta tonskog inženjera prilikom snimanja finalnog fajla.
Opšti zaključak
Analogni zvuk je ono što čujemo i doživljavamo kao svijet oko nas očima. Digitalni zvuk je skup koordinata koje opisuju zvučni val, a koji ne možemo direktno čuti a da ga ne pretvorimo u analogni signal.Analogni signal snimljen direktno na audio traku ili vinil ne može se ponovo snimiti bez gubitka kvaliteta, dok se talas u digitalnom obliku može kopirati bit po bit.
Digitalni formati snimanja su stalni kompromis između količine koordinatne tačnosti u odnosu na veličinu datoteke, a svaki digitalni signal je samo aproksimacija originalnom analognom signalu. Međutim, u isto vrijeme, različiti nivoi tehnologija za snimanje i reprodukciju digitalnog signala i pohranjivanje na medij za analogni signal daju više prednosti digitalnom predstavljanju signala, slično kao digitalna kamera u odnosu na filmsku kameru.
Danas ćemo pokušati da shvatimo šta su analogni i digitalni signali? Njihove prednosti i mane. Nećemo bacati razne naučne termine i definicije, već ćemo pokušati da dokučimo situaciju na prste.
Šta je analogni signal?
Analogni signal se zasniva na analogiji električnog signala (vrijednosti struje i napona) prema vrijednosti originalnog signala (boja piksela, frekvencija zvuka i amplituda, itd.). One. određene vrijednosti struje i napona odgovaraju prijenosu određene boje piksela ili audio signala.
Navest ću primjer analognog video signala.
Napon na žici 5 volti odgovara plavoj, 6 volti zelenoj, 7 volti crvenoj.
Da bi se na ekranu pojavile crvene, plave i zelene pruge, potrebno je naizmjenično primijeniti 5, 6, 7 volti na kabel. Što brže mijenjamo napone, to su tanje pruge na monitoru. Smanjujući interval između promjena napona na minimum, više ne dobivamo pruge, već naizmjenično obojene tačke jedna za drugom.
Važna karakteristika analognog signala je činjenica da se prenosi striktno od predajnika do prijemnika (na primjer, od antene do televizora), nema povratne informacije. Stoga, ako smetnje ometa prijenos signala (na primjer, umjesto šest volti doći će četiri), boja piksela će biti izobličena, a na ekranu će se pojaviti talasi.
Analogni signal je kontinuiran.
Šta je digitalni signal?
Prijenos podataka se također vrši pomoću električnog signala, ali vrijednosti tih signala su samo dvije i odgovaraju 0 i 1. tj. niz nula i jedinica se prenosi preko žica. Otprilike ovako: 01010001001 itd. Da se prijemni uređaj (npr. televizor) ne bi zabunio u prenošenim podacima, cifre se prenose u serijama. Ide otprilike ovako: 10100010 10101010 10100000 10111110. Svaki takav paket nosi neke informacije, na primjer, boju piksela. Važna karakteristika digitalnog signala je da uređaji za odašiljanje i prijem mogu međusobno komunicirati i ispravljati greške jednu za drugom do kojih može doći tokom prijenosa.
Primjeri digitalnog i analognog prijenosa signala
Za digitalni signal, prijenos ide otprilike ovako:
- Smetnje: AAAAAAAAAAAAAA!
- TV: Koji? Ne mogu čuti!
- VCR: Zeleno!
- TV: Da, shvatio sam! Crtam zeleno.
- TV: Molimo potvrdite da je boja crvena.
- VCR: Potvrđujem.
- TV: Ok! ja crtam.
Prijenos za analogni signal:
- VCR: Hej, TV, boja piksela sa koordinatama 120x300 je zelena.
- Smetnje: AAAAAAAAAAAAAA!
- TV: Koji? Ne mogu čuti! Prokletstvo, nacrtaću plavo.
- VCR: Sljedeća boja je crvena!
- Smetnje: BUM! BOOM!
- TV: Crvena, nekako! ja crtam.
- VCR: Lopata!
- Smetnje: PShShShShSh!
- TV set: ?!. Trebaš nešto da nacrtaš?! Neka bude lopata!
Prednosti i nedostaci digitalnih i analognih signala
Iz navedenog možemo zaključiti da će, pod svim ostalim jednakim uvjetima, kvalitet prijenosa informacija pomoću znamenke biti veći nego kod analognog signala. U isto vrijeme, uz dobru otpornost na buku, dvije tehnologije mogu se ravnopravno takmičiti.
Digitalna elektronika sada sve više istiskuje tradicionalnu analognu. Vodeće kompanije koje proizvode široku lepezu elektronske opreme sve češće proglašavaju potpuni prelazak na digitalnu tehnologiju.
Napredak u tehnologiji za proizvodnju elektronskih mikro kola osigurao je brz razvoj digitalne tehnologije i uređaja. Upotreba digitalnih metoda obrade i prijenosa signala može značajno poboljšati kvalitet komunikacijskih linija. Digitalne metode obrade i komutacije signala u telefoniji omogućavaju višestruko smanjenje težinskih i veličinskih karakteristika komutacijskih uređaja, povećanje pouzdanosti komunikacije i uvođenje dodatne funkcionalnosti.
Pojava brzih mikroprocesora, memorijskih čipova sa slučajnim pristupom velikog volumena i uređaja za pohranu podataka male veličine na tvrdim medijima velikog volumena omogućila je stvaranje prilično jeftinih univerzalnih osobnih elektroničkih računala (računara), koji su bili vrlo široki. primjena u svakodnevnom životu i proizvodnji.
Digitalna tehnologija je nezaobilazna u sistemima daljinske signalizacije i daljinskog upravljanja koji se koriste u automatizovanoj proizvodnji, kontroli udaljenih objekata, na primer, svemirskih brodova, pumpnih stanica za gas itd. Digitalna tehnologija je takođe zauzela snažno mesto u električnim radio mernim sistemima. Moderni uređaji za snimanje i reprodukciju signala također su nezamislivi bez upotrebe digitalnih uređaja. Digitalni uređaji se široko koriste za kontrolu kućnih aparata.
Vrlo je vjerovatno da će digitalni uređaji u budućnosti dominirati tržištem elektronike.
Prvo, dajmo neke osnovne definicije..
Signal Je li bilo koja fizička veličina (na primjer, temperatura, tlak zraka, intenzitet svjetlosti, struja, itd.) koja se mijenja tokom vremena. Zahvaljujući ovoj promjeni vremena signal može nositi neku vrstu informacija.
Električni signal Je električna veličina (na primjer, napon, struja, snaga) koja se mijenja tokom vremena. Sva elektronika uglavnom radi sa električnim signalima, iako se u posljednje vrijeme sve više koristi svjetlosni signal koji predstavlja intenzitet svjetlosti koji se mijenja tokom vremena.
Analogni signal- ovo je signal koji može uzeti bilo koju vrijednost unutar određenih granica (na primjer, napon može lagano varirati od nula do deset volti). Uređaji koji prihvataju samo analogne signale nazivaju se analogni uređaji.
Digitalni signal To je signal koji može imati samo dvije vrijednosti (ponekad tri vrijednosti). Štaviše, neka odstupanja od ovih vrijednosti su dozvoljena (slika 1.1). Na primjer, napon može imati dvije vrijednosti: od 0 do 0,5 V (nulti nivo) ili od 2,5 do 5 V (jedinstveni nivo). Uređaji koji rade isključivo sa digitalnim signalima nazivaju se digitalni uređaji.
U prirodi su gotovo svi signali analogni, odnosno kontinuirano se mijenjaju u određenim granicama. Zato su prvi elektronski uređaji bili analogni. Pretvarali su fizičke veličine u napon ili struju proporcionalnu njima, izvodili neke operacije na njima, a zatim vršili inverzne transformacije u fizičke veličine. Na primjer, ljudski glas (vibracije zraka) se pomoću mikrofona pretvara u električne vibracije, zatim se ovi električni signali pojačavaju elektronskim pojačalom i, uz pomoć sistema zvučnika, ponovo pretvaraju u vibracije zraka, u jači zvuk. .
Rice. 1.1. Električni signali: analogni (lijevo) i digitalni (desno).
Sve operacije koje obavljaju elektronski uređaji na signalima mogu se uslovno podijeliti u tri velike grupe:
Obrada (ili transformacija);
Broadcast;
Skladištenje.
U svim ovim slučajevima, korisni signali su izobličeni parazitskim signalima - buka, smetnje, smetnje. Osim toga, prilikom obrade signala (na primjer, kod pojačanja, filtriranja), njihov oblik je također izobličen zbog nesavršenosti, nesavršenosti elektroničkih uređaja. A kada se prenose na velike udaljenosti i tokom skladištenja, signali su takođe oslabljeni.
Rice. 1.2. Izobličenje šumom i smetnjama analognog signala (lijevo) i digitalnog signala (desno).
U slučaju analognih signala, sve to značajno degradira korisni signal, jer su sve njegove vrijednosti dozvoljene (slika 1.2). Stoga, svaka transformacija, svako međuskladištenje, svaki prijenos preko kabla ili zraka, degradira analogni signal, ponekad do njegovog potpunog uništenja. Također moramo uzeti u obzir da se sav šum, smetnje i hvatanje u osnovi ne mogu precizno izračunati, stoga je apsolutno nemoguće precizno opisati ponašanje bilo kojeg analognog uređaja. Osim toga, vremenom se parametri svih analognih uređaja mijenjaju zbog starenja elemenata, pa karakteristike ovih uređaja ne ostaju konstantne.
Za razliku od analognih, digitalni signali, koji imaju samo dvije dozvoljene vrijednosti, mnogo su bolje zaštićeni od šuma, smetnji i smetnji. Mala odstupanja od dozvoljenih vrednosti ni na koji način ne narušavaju digitalni signal, jer uvek postoje zone dozvoljenih odstupanja (slika 1.2). Zato digitalni signali omogućavaju mnogo složeniju i višestepenu obradu, mnogo duže skladištenje bez gubitaka i mnogo bolji prenos od analognih. Osim toga, ponašanje digitalnih uređaja uvijek se može precizno izračunati i predvidjeti. Digitalni uređaji su mnogo manje podložni starenju, jer mala promjena njihovih parametara ni na koji način ne utječe na njihovo funkcioniranje. Osim toga, digitalne uređaje je lakše dizajnirati i otklanjati greške. Jasno je da sve ove prednosti osiguravaju brz razvoj digitalne elektronike.
Međutim, digitalni signali imaju i veliki nedostatak. Činjenica je da na svakom od svojih dozvoljenih nivoa digitalni signal mora ostati barem u nekom minimalnom vremenskom intervalu, inače će ga biti nemoguće prepoznati. A analogni signal može poprimiti bilo koju od svojih vrijednosti za beskonačno malo vrijeme. Može se reći i na drugi način: analogni signal je definiran u kontinuiranom vremenu (tj. u svakom trenutku), a digitalni signal u diskretnom vremenu (odnosno samo u odabranim trenucima vremena). Stoga je maksimalna dostižna brzina analognih uređaja uvijek fundamentalno veća od digitalnih uređaja. Analogni uređaji mogu podnijeti brže promjenjive signale od digitalnih. Brzina obrade i prijenosa informacija analognim uređajem uvijek može biti veća od brzine njihove obrade i prijenosa digitalnim uređajem.
Osim toga, digitalni signal prenosi informaciju samo na dva nivoa i promjenom jednog svog nivoa u drugi, a analogni signal prenosi i informacije sa svakom trenutnom vrijednošću svog nivoa, odnosno kapacitetniji je sa stanovišta prijenos informacija. Stoga je za prijenos količine korisnih informacija sadržanih u jednom analognom signalu najčešće potrebno koristiti nekoliko digitalnih signala (obično od 4 do 16).
Osim toga, kao što je već napomenuto, u prirodi su svi signali analogno-analogni, odnosno da bi se pretvorili u digitalne signale i za obrnutu konverziju koristi se posebna oprema (analogno-digitalni i digitalno-analogni pretvarači). potrebno. Dakle, ništa nije besplatno, a naknade za prednosti digitalnih uređaja ponekad se mogu pokazati neprihvatljivo visokim.
