Ljudi se svakodnevno susreću s korištenjem elektroničkih uređaja. Suvremeni život je nemoguć bez njih. Uostalom, govorimo o TV-u, radiju, računalu, telefonu, multicooker-u i tako dalje. Ranije, čak i prije nekoliko godina, nitko nije razmišljao o tome koji se signal koristi u svakom radnom uređaju. Sada se već dugo čuju riječi "analogni", "digitalni", "diskretni". Neke od navedenih vrsta signala su kvalitetne i pouzdane.
Digitalni prijenos ušao je u upotrebu mnogo kasnije od analognog. To je zbog činjenice da je takav signal puno lakše održavati, a tehnologija u to vrijeme nije bila toliko poboljšana.
Svaka osoba se stalno susreće s konceptom "diskretnosti". Ako ovu riječ prevedete s latinskog, onda će to značiti "diskontinuitet". Zalazeći duboko u znanost, možemo reći da je diskretni signal metoda prijenosa informacija, što podrazumijeva promjenu medija nositelja tijekom vremena. Potonji poprima bilo koju od svih mogućih vrijednosti. Sada diskrecija odlazi u drugi plan, nakon što je donesena odluka da se sustavi proizvode na čipu. Oni su holistički i sve komponente usko međusobno djeluju. U diskretnosti je sve upravo suprotno – svaki detalj je dovršen i povezan s drugima posebnim komunikacijskim linijama.
Signal
Signal je poseban kod koji se prenosi u svemir pomoću jednog ili više sustava. Ova formulacija je općenito.
U području informacija i komunikacija signal je poseban medij bilo kojeg podatka koji se koristi za prijenos poruka. Može se kreirati, ali se ne prihvaća, posljednji uvjet je neobavezan. Ako je signal poruka, tada se smatra potrebnim da ga uhvatite.
Opisani kod zadan je matematičkom funkcijom. Karakterizira sve moguće promjene parametara. U teoriji radiotehnike ovaj se model smatra osnovnim. U njemu se analog signala zvao šum. To je funkcija vremena koja slobodno stupa u interakciju s prenesenim kodom i iskrivljuje ga.
U članku su opisane vrste signala: diskretni, analogni i digitalni. Također je ukratko data glavna teorija o opisanoj temi.
Vrste signala
Postoji nekoliko dostupnih signala. Razmotrite koje vrste postoje.
- Prema fizičkom mediju nositelja podataka, odvaja se električni signal, optički, akustični i elektromagnetski. Postoji još nekoliko vrsta, ali su malo poznate.
- Prema načinu dodjele signali se dijele na regularne i nepravilne. Prvi su determinističke metode prijenosa podataka, koje su specificirane analitičkom funkcijom. Slučajni su formulirani zbog teorije vjerojatnosti, a također poprimaju bilo koje vrijednosti u različitim intervalima.
- Ovisno o funkcijama koje opisuju sve parametre signala, metode prijenosa podataka mogu biti analogne, diskretne, digitalne (metoda koja je razina kvantizirana). Koriste se za napajanje mnogih električnih uređaja.
Čitatelj je sada upoznat sa svim vrstama prijenosa signala. Nitko ih neće biti teško razumjeti, glavna stvar je malo razmisliti i zapamtiti školski tečaj fizike.
Za što se signal obrađuje?
Signal se obrađuje radi prijenosa i primanja informacija koje su u njemu šifrirane. Nakon što se ekstrahira, može se koristiti na razne načine. U nekim će se situacijama ponovno formatirati.
Postoji još jedan razlog za obradu svih signala. Sastoji se od blagog kompresije frekvencija (kako ne bi oštetili informaciju). Nakon toga se formatira i prenosi malim brzinama.
U analognim i digitalnim signalima koriste se posebne tehnike. Konkretno, filtriranje, konvolucija, korelacija. Potrebni su za vraćanje signala ako je oštećen ili ima šum.
Stvaranje i formiranje
Često je za generiranje signala potreban analogno-digitalni (ADC), a najčešće se oba koriste samo u situaciji s korištenjem DSP tehnologija. U drugim slučajevima prikladna je samo uporaba DAC-a.
Prilikom izrade fizičkih analognih kodova uz daljnju upotrebu digitalnih metoda oslanjaju se na primljene informacije koje se prenose s posebnih uređaja.
Dinamički raspon
Izračunava se kao razlika između više i niže razine glasnoće, koje su izražene u decibelima. To u potpunosti ovisi o komadu i karakteristikama izvedbe. Govorimo i o glazbenim pjesmama i o običnim dijalozima među ljudima. Uzmimo li, na primjer, spikera koji čita vijesti, tada mu se dinamički raspon kreće oko 25-30 dB. A dok čitate dio, može narasti i do 50 dB.
Analogni signal
Analogni signal je vremenski neprekidan način prijenosa podataka. Njegov nedostatak je prisutnost buke, što ponekad dovodi do potpunog gubitka informacija. Vrlo često se javljaju situacije da je nemoguće odrediti gdje se u kodu nalaze važni podaci, a gdje uobičajena izobličenja.
Upravo je zbog toga digitalna obrada signala stekla veliku popularnost i postupno zamjenjuje analognu.
Digitalni signal
Digitalni signal je poseban, opisuje se kroz diskretne funkcije. Njegova amplituda može poprimiti određenu vrijednost od već postavljenih. Dok analogni signal može stići s puno šuma, digitalni signal filtrira većinu primljenog šuma.
Osim toga, ova vrsta prijenosa podataka prenosi informacije bez nepotrebnog semantičkog opterećenja. Kroz jedan fizički kanal može se poslati nekoliko kodova odjednom.
Vrste digitalnog signala ne postoje, jer se izdvaja kao zasebna i samostalna metoda prijenosa podataka. To je binarni tok. Danas se takav signal smatra najpopularnijim. To je zbog jednostavnosti korištenja.
Aplikacija digitalnog signala
Po čemu se digitalni električni signal razlikuje od ostalih? Činjenica da je sposoban izvršiti potpunu regeneraciju u repetitoru. Kada signal koji ima najmanje smetnje uđe u komunikacijsku opremu, on odmah mijenja svoj oblik u digitalni. To omogućuje, na primjer, TV toranj da ponovno formira signal, ali bez efekta buke.
U slučaju da kod već stigne s velikim izobličenjima, tada se, nažalost, ne može vratiti. Ako usporedimo analognu komunikaciju, onda u sličnoj situaciji repetitor može izdvojiti dio podataka, trošeći mnogo energije.
Kada se govori o staničnim komunikacijama različitih formata, gotovo je nemoguće razgovarati na digitalnoj liniji s jakim izobličenjem, jer se riječi ili cijele fraze ne čuju. U ovom slučaju, analogna komunikacija je učinkovitija, jer možete nastaviti voditi dijalog.
Upravo zbog takvih problema digitalni signal vrlo često generiraju repetitori kako bi se smanjio prekid u komunikacijskoj liniji.
Diskretni signal
Sada svaka osoba na svom računalu koristi mobitel ili neku vrstu "brojčanika". Jedan od zadataka instrumenata ili softvera je prijenos signala, u ovom slučaju glasovnog toka. Za prijenos kontinuiranog vala potreban je kanal koji ima kapacitet više razine. Zato je donesena odluka da se koristi diskretni signal. Ne stvara sam val, već njegov digitalni oblik. Zašto je to? Budući da prijenos dolazi iz tehnologije (na primjer, telefona ili računala). Koje su prednosti ove vrste prijenosa informacija? Uz njegovu pomoć smanjuje se ukupna količina prenesenih podataka, a također je lakše organizirati i paketno slanje.
Koncept "diskretizacije" dugo se stabilno koristi u radu računalne tehnologije. Zahvaljujući takvom signalu, ne prenose se kontinuirane informacije koje su u potpunosti kodirane posebnim znakovima i slovima, već podaci prikupljeni u posebnim blokovima. One su zasebne i cjelovite čestice. Ova metoda kodiranja odavno je potisnuta u drugi plan, ali nije potpuno nestala. Pomoću njega možete jednostavno prenijeti male dijelove informacija.
Usporedba digitalnih i analognih signala
Pri kupnji opreme rijetko tko razmišlja o tome koje vrste signala se koriste u ovom ili onom uređaju, a još više o svom okruženju i prirodi. Ali ponekad se ipak morate nositi s konceptima.
Odavno je jasno da analogne tehnologije gube potražnju, jer je njihova upotreba neracionalna. Umjesto toga dolazi digitalna komunikacija. Morate razumjeti što je u pitanju, a što čovječanstvo odbija.
Ukratko, analogni signal je metoda prijenosa informacija, koja podrazumijeva opis podataka kontinuiranim funkcijama vremena. Zapravo, konkretno govoreći, amplituda oscilacija može biti jednaka bilo kojoj vrijednosti unutar određenih granica.
Digitalna obrada signala opisana je diskretnim funkcijama vremena. Drugim riječima, amplituda oscilacija ove metode jednaka je strogo određenim vrijednostima.
Prelazeći s teorije na praksu, mora se reći da analogni signal karakteriziraju smetnje. Kod digitalnog nema takvih problema, jer ih uspješno "izglađuje". Zahvaljujući novim tehnologijama, ova metoda prijenosa podataka u stanju je sama vratiti sve izvorne informacije bez intervencije znanstvenika.
Govoreći o televiziji, već sada možemo s povjerenjem reći: analogni prijenos odavno je nadživio svoju korisnost. Većina potrošača prelazi na digitalni signal. Nedostatak potonjeg je da ako bilo koji uređaj može primati analogni prijenos, onda je modernija metoda samo posebna tehnika. Iako je potražnja za zastarjelom metodom odavno pala, ove vrste signala još uvijek ne mogu potpuno nestati iz svakodnevnog života.
Vrlo često čujemo takve definicije kao "digitalni" ili "diskretni" signal, kako se razlikuje od "analognog"?
Razlika je u tome što je analogni signal vremenski kontinuiran (plava linija), dok se digitalni signal sastoji od ograničenog skupa koordinata (crvene točke). Ako se sve svede na koordinate, tada se bilo koji segment analognog signala sastoji od beskonačnog broja koordinata.
Za digitalni signal, koordinate duž horizontalne osi nalaze se u pravilnim intervalima, u skladu s frekvencijom uzorkovanja. U uobičajenom audio-CD formatu, to je 44 100 točaka u sekundi. Vertikalno, točnost visine koordinata odgovara znamenkastom kapacitetu digitalnog signala, za 8 bita to je 256 razina, za 16 bita = 65536 i za 24 bita = 16777216 razina. Što je dubina bita (broj razina) veća, to su okomite koordinate bliže izvornom valu.
Analogni izvori su vinilne i audio vrpce. 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 što upravo u analognom obliku zvuk percipiramo ušima. I premda naš slušni sustav opaženi zvučni tok pretvara u digitalni oblik i u tom ga obliku prenosi u mozak, znanost i tehnologija još nisu došle do mogućnosti povezivanja svirača i drugih izvora zvuka izravno u ovom obliku. Takva istraživanja sada se aktivno provode za osobe s invaliditetom, a mi uživamo isključivo u analognom zvuku.Nedostatak analognog signala je sposobnost pohranjivanja, prijenosa i repliciranja signala. Prilikom snimanja na vrpcu ili vinil, kvaliteta signala ovisit će o svojstvima vrpce ili vinila. S vremenom će se vrpca demagnetizirati i kvaliteta snimljenog signala će se pogoršati. Svako čitanje postupno uništava medij, a prepisivanjem se unosi dodatna izobličenja, gdje dodatna odstupanja dodaju sljedeći medij (traka ili vinil), uređaji za čitanje, snimanje i prijenos signala.
Napraviti kopiju analognog signala isto je kao snimiti drugu fotografiju da biste kopirali fotografiju.
Prednosti i nedostaci digitalnog signala
Prednosti digitalnog signala uključuju točnost kod kopiranja i prijenosa audio toka, pri čemu se original ne razlikuje od kopije.Glavnim se nedostatkom može smatrati to što je digitalni signal srednja faza i točnost konačnog analognog signala ovisit će o tome koliko će detaljno i točno biti opisane koordinate zvučnog vala. Sasvim je logično da što više točaka ima i što su koordinate točnije, to će val biti točniji. Ali još uvijek nema konsenzusa o tome koliko je koordinata i točnosti podataka dovoljno da se kaže da je digitalni prikaz signala dovoljan za točnu rekonstrukciju analognog signala, koji se našim ušima ne može razlikovati 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. To daje ideju o potrebi za nosačima veliki kapacitet... I to dovodi do zasebnog rata kompromisa s različitim zahtjevima za brojem točaka opisa i točnosti koordinata.
Danas se smatra sasvim dovoljnim za predstavljanje zvučnog vala s brzinom 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, daljnje povećanje brzine uzorkovanja je malo zamjetljivo, ali povećanje dubine bita daje subjektivno poboljšanje.
Kako DAC-ovi grade val
DAC je digitalno-analogni pretvarač, element koji pretvara digitalni zvuk u analogni. Brzo ćemo pogledati osnovna načela. Ako komentari pokažu interes za detaljnije razmatranje nekoliko točaka, tada će biti objavljen zaseban materijal.Višebitni DAC-ovi
Vrlo često se val prikazuje u obliku koraka, što je posljedica arhitekture prve generacije višebitnih R-2R DAC-ova, koji rade na sličan način kao i prekidač s releja.
DAC ulaz prima vrijednost sljedeće koordinate duž vertikale i u svakom svom ciklusu prebacuje trenutnu (naponsku) razinu na odgovarajuću razinu 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 kakvoće tog signala nakon restauracije. U visokofrekventnom području, oblik rezultirajućeg vala "korak" obično je daleko od izvornog. Najlakši izlaz iz situacije je povećanje brzine uzorkovanja prilikom snimanja, ali to dovodi do značajnog i neželjenog povećanja veličine datoteke.
Alternativna opcija je umjetno povećanje brzine uzorkovanja tijekom reprodukcije u DAC-u dodavanjem međuvrijednosti. Oni. predstavljamo stazu kontinuiranog vala (siva isprekidana crta) koja glatko povezuje izvorne koordinate (crvene točke) i dodajemo međutočke na ovoj liniji (tamno ljubičasta).
Kod 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 izvorniku.
Kada vidite funkciju pojačanja od 44,1 do 192 kHz u playeru ili vanjskom DAC-u, to je funkcija za dodavanje međukoordinata, a ne vraćanje ili stvaranje zvuka u području iznad 20 kHz.
U početku su to bili zasebni SRC mikro krugovi prije DAC-a, koji su potom migrirali izravno na same DAC mikro krugove. Danas možete pronaći rješenja u kojima se takav mikro krug dodaje modernim DAC-ovima, to je učinjeno 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 pokazatelja kvalitete s postojećim proizvodnim tehnologijama i višim troškovima u odnosu na "pulsne" DAC-ove s usporedivim karakteristikama. Ipak, u Hi-End proizvodima prednost se često daje starim višebitnim DAC-ovima, umjesto novim rješenjima s tehnički boljim karakteristikama.
Pulsni DAC
U kasnim 70-ima, alternativna verzija DAC-a bazirana na "pulsnoj" arhitekturi - "delta-sigma", postala je široko rasprostranjena. Pulse DAC tehnologija omogućila je pojavu ultra brzih prekidača i omogućila korištenje visoke frekvencije nositelja.
Amplituda signala je prosječna vrijednost amplituda impulsa (impulsi jednake amplitude prikazani su zelenom bojom, a konačni zvučni val je prikazan bijelom bojom).
Na primjer, slijed od osam taktnih ciklusa od pet impulsa dat će prosječnu amplitudu (1 + 1 + 1 + 0 + 0 + 1 + 1 + 0) / 8 = 0,625. Što je veća frekvencija nosioca, to će više impulsa biti izglađeno i točnija će biti amplituda. To je omogućilo predstavljanje audio toka u jednobitnom obliku sa širokim dinamičkim rasponom.
Usrednjavanje se može obaviti običnim analognim filtrom, a ako se takav skup impulsa primijeni izravno na zvučnik, onda ćemo na izlazu dobiti zvuk, a ultravisoke frekvencije se neće reproducirati zbog velike inercije emitera . Po ovom principu rade PWM pojačala u klasi D, gdje se gustoća energije impulsa ne stvara njihovim brojem, već trajanjem svakog impulsa (što je lakše implementirati, ali se ne može opisati jednostavnim binarnim kodom).
Višebitni DAC se može zamisliti kao pisač koji može primijeniti boje s pantone tintama. Delta-Sigma je inkjet pisač s ograničenim skupom boja, ali zbog mogućnosti nanošenja vrlo malih točaka (u usporedbi s pisačem za rogove), zbog različite gustoće točaka po jedinici površine, daje više nijansi.
Na slici najčešće ne vidimo pojedine točke zbog niske rezolucije oka, već samo srednji ton. Isto tako, uho ne čuje impulse odvojeno.
U konačnici, uz trenutne tehnologije 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 crtanja "digitalnog vala" s koracima, jer pa moderni DAC-ovi ne grade val sa koracima. Ispravno konstruirajte diskretni signal s točkama povezanim glatkom linijom.
Jesu li DAC-ovi idealni?
No u praksi nije sve bez oblaka, a postoji niz problema i ograničenja.
Jer Budući da je ogroman broj zapisa pohranjen u višebitnom signalu, pretvorba u impulsni signal prema principu bit-za-bit zahtijeva nepotrebno visoku frekvenciju nosioca, što moderni DAC-ovi ne podržavaju.
Glavna funkcija modernih impulsnih DAC-ova je pretvaranje višebitnog signala u jednobitni s relativno niskom frekvencijom prijenosa s decimacijom podataka. U osnovi, ovi algoritmi određuju konačnu kvalitetu zvuka impulsnih DAC-ova.
Kako bi se smanjio problem visoke frekvencije prijenosa, audio tok je podijeljen u nekoliko jednobitnih tokova, pri čemu je svaki tok odgovoran za svoju vlastitu grupu pražnjenja, što je ekvivalentno višestrukom povećanju frekvencije prijenosa broja tokova . Ti se DAC-ovi nazivaju multi-bit delta-sigma DAC-ovima.
Danas su pulsni DAC-ovi dobili drugi vjetar u brzim čipovima opće namjene u NAD i Chord proizvodima zbog mogućnosti fleksibilnog programiranja algoritama pretvorbe.
DSD format
Nakon raširene upotrebe delta-sigma DAC-ova, bilo je sasvim logično da se format binarnog koda pojavio izravno u delta-sigma kodiranju. Taj se format naziva DSD (Direct Stream Digital).Format nije bio široko korišten iz nekoliko razloga. Uređivanje datoteka u ovom formatu pokazalo se nepotrebno ograničenim: ne možete miješati streamove, prilagoditi glasnoću i primijeniti ekvilizaciju. To znači da bez gubitka kvalitete možete arhivirati samo analogne snimke i napraviti snimku s dva mikrofona nastupa uživo bez daljnje obrade. Jednom riječju, ne možete baš zaraditi.
U borbi protiv piratstva, SA-CD-ovi nisu podržani (i nisu podržani do sada) od strane računala, što ih onemogućuje u izradi kopija. Nema kopija - nema opće publike. Bilo je moguće reproducirati DSD audio sadržaj samo iz zasebnog SA-CD playera s diska s markom. Ako za PCM format postoji SPDIF standard za digitalni prijenos podataka s izvora na zasebni DAC, onda ne postoji standard za DSD format, a prve piratske kopije SA-CD diskova digitalizirane su s analognih izlaza SA-CD playeri (iako se situacija čini glupom, ali u stvarnosti su neke snimke objavljene samo na SA-CD-u, ili je ista snimka na Audio-CD-u posebno loše napravljena za promoviranje SA-CD-a).
Prekretnica se dogodila s izlaskom SONY igraćih konzola, gdje je SA-CD disk automatski kopiran na tvrdi disk konzole prije nego što se igrao. Ljubitelji DSD formata su to iskoristili. Pojava piratskih snimaka potaknula je tržište na izdavanje zasebnih DAC-ova za reprodukciju DSD streamova. Većina vanjskih DAC-ova s podrškom za DSD danas podržava USB prijenos 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 pretvorbe decimacije i prilično je konkurentan formatima visoke razlučivosti kao što je DVD-Audio.
Ne postoji definitivan odgovor na pitanje što je bolje, DSP ili PCM. Sve ovisi o kvaliteti implementacije konkretnog DAC-a i talentu tonskog inženjera prilikom snimanja završne datoteke.
Opći zaključak
Analogni zvuk je ono što čujemo i percipiramo kao svijet oko nas očima. Digitalni zvuk je skup koordinata koje opisuju zvučni val, a koji ne možemo izravno čuti a da ga ne pretvorimo u analogni signal.Analogni signal snimljen izravno na audio vrpcu ili vinil ne može se ponovno snimiti bez gubitka kvalitete, dok se digitalni val može kopirati bit po bit.
Digitalni formati snimanja konstantni su kompromis između količine koordinatne točnosti u odnosu na veličinu datoteke, a svaki digitalni signal je samo aproksimacija izvornom analognom signalu. Međutim, u isto vrijeme, različite razine tehnologija za snimanje i reprodukciju digitalnog signala i pohranjivanje na medij za analogni signal daju više prednosti digitalnom prikazu signala, slično kao digitalni fotoaparat u odnosu na filmsku kameru.
Signal je definiran kao napon ili struja koji se može prenijeti kao poruka ili informacija. Svi signali su po prirodi analogni, bilo da su izmjenični ili istosmjerni, 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 između njih nema veze. 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 izlazi binarni prikaz analognog signala, koji se zatim obrađuje procesorom aritmetičkih digitalnih signala (DSP). Nakon obrade, informacije sadržane u signalu mogu se pretvoriti natrag u analogni oblik pomoću digitalno-analognog pretvarača (DAC).
Drugi ključni koncept u definiciji signala je činjenica da signal uvijek nosi neku informaciju. To nas dovodi do ključnog problema fizičke obrade analognog signala – problema pronalaženja informacija.
Ciljevi obrade signala.
Glavna svrha obrade signala je potreba za dobivanjem informacija koje sadrže. Ova informacija obično je 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 izvuče iz signala, može se koristiti na razne načine. U nekim je slučajevima poželjno preformatirati informacije sadržane u signalu.
Konkretno, do promjene formata signala dolazi kada se audio signal prenosi u telefonskom sustavu s višestrukim pristupom s frekvencijskom podjelom (FDMA). U ovom slučaju se koriste analogne tehnike za postavljanje više glasovnih kanala u frekvencijski spektar za prijenos putem mikrovalnog radio releja, koaksijalnog ili optičkog kabela.
U slučaju digitalne komunikacije, analogne audio informacije prvo se pretvaraju u digitalne pomoću ADC-a. Digitalne informacije koje predstavljaju pojedinačne audio kanale se vremenski multipleksiraju (multipleksiranje s vremenskom podjelom, TDMA) i prenose preko serijske digitalne veze (kao u PCM sustavu).
Drugi razlog za obradu signala je komprimiranje širine pojasa signala (bez značajnog gubitka informacija), nakon čega slijedi formatiranje i prijenos informacija nižim brzinama, što vam omogućuje sužavanje potrebne propusnosti kanala. Modemi velike brzine i sustavi adaptivne pulsne kodne modulacije (ADPCM) naširoko koriste algoritme redundantnosti (kompresije) podataka, kao i digitalni mobilni komunikacijski sustavi, MPEG sustavi za snimanje zvuka i televizija visoke razlučivosti (HDTV).
Industrijski sustavi za prikupljanje i upravljanje podacima koriste informacije od senzora za generiranje odgovarajućih povratnih signala, koji zauzvrat izravno upravljaju procesom. Imajte na umu da ovi sustavi 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. često se koriste za postizanje ovog zadatka i u analognoj i u digitalnoj domeni.
SVRHE OBRADE SIGNALA- Ekstrakcija informacija o signalu (amplituda, faza, frekvencija, spektralne komponente, vremenski odnosi)
- Pretvorba formata signala (telefonija s podjelom kanala FDMA, TDMA, CDMA)
- Kompresija podataka (modemi, mobiteli, HDTV televizija, MPEG kompresija)
- Formiranje povratnih signala (upravljanje industrijskim procesom)
- Odvajanje signala od šuma (filtriranje, autokorelacija, konvolucija)
- Izolacija i pohrana signala u digitalnom obliku za daljnju obradu (FFT)
Oblikovanje signala
U većini ovih situacija (vezanih uz korištenje DSP tehnologija) potrebni su i ADC i DAC. Međutim, u nekim slučajevima je potreban samo DAC gdje se analogni signali mogu izravno generirati iz DSP-a i DAC-a. Video skenirani zasloni dobar su primjer u kojem digitalno generirani signal pokreće video sliku ili blok RAMDAC (Digital to Analogue Pixel Array Converter).
Drugi primjer je umjetno sintetizirana glazba i govor. Zapravo, generiranje fizičkih analognih signala korištenjem samo digitalnih tehnika oslanja se na informacije prethodno dobivene iz izvora takvih fizičkih analognih signala. U sustavima za prikaz, podaci na zaslonu moraju prenositi relevantne informacije operateru. Prilikom razvoja zvučnih sustava postavljaju se statistička svojstva generiranih zvukova, koja su prethodno određena raširenom primjenom 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 (kombinirana obrada signala ili MSP). U nekim slučajevima izbor metoda je jasan, u drugim slučajevima nema jasnoće u izboru i konačna odluka temelji se na određenim razmatranjima.
Što se tiče DSP-a, glavna razlika od tradicionalne računalne analize podataka je velika brzina i učinkovitost izvođenja složenih funkcija digitalne obrade kao što su filtriranje, analiza pomoću podataka i kompresija podataka u stvarnom vremenu.
Kombinirana obrada signala znači da sustav obavlja i analognu i digitalnu obradu. Takav se sustav može implementirati kao tiskana ploča, hibridni integrirani sklop (IC) ili jedan čip s integriranim elementima. ADC i DAC se smatraju kombiniranim uređajima za obradu signala, budući da svaki od njih implementira analogne i digitalne funkcije.
Nedavni napredak u tehnologiji VLSI omogućuje složenu (digitalnu i analognu) obradu na jednom čipu. Sama priroda DSP-a podrazumijeva da se te funkcije mogu izvoditi u stvarnom vremenu.
Usporedba analogne i digitalne obrade signala
Današnji inženjer je suočen s odabirom prave kombinacije analognih i digitalnih metoda za rješavanje problema obrade signala. Nemoguće je obraditi fizičke analogne signale samo digitalnim metodama, budući da su svi senzori (mikrofoni, termoparovi, piezoelektrični kristali, glave magnetskih pogona, itd.) analogni uređaji.
Neke vrste signala zahtijevaju normalizacijske krugove za daljnju obradu signala, analognih i digitalnih. Krugovi za normalizaciju signala su analogni procesori koji obavljaju takve funkcije kao što su pojačavanje, akumulacija (u mjernim i preliminarnim (međuspremnim) pojačalima), detekcija signala u pozadini buke (visoko precizna uobičajena pojačala, ekvilizatori i linearni prijemnici), kompresija dinamičkog raspona (logaritamska pojačala, logaritamski DAC-ovi i programabilna pojačala) i filtriranje (pasivno ili aktivno).
Nekoliko metoda za implementaciju obrade signala prikazano je na slici 1. Gornje područje slike prikazuje čisto analogni pristup. Ostala područja pokazuju implementaciju DSP-a. Imajte na umu da kada se odabere DSP tehnologija, sljedeće rješenje bi trebalo biti lociranje ADC-a na putu obrade signala.
ANALOGNA I DIGITALNA OBRADA SIGNALA
Slika 1. Metode obrade signala
Općenito, budući da je ADC pomaknut bliže senzoru, većinu obrade analognog signala sada obavlja ADC. Povećanje sposobnosti ADC-a može se izraziti povećanjem brzine uzorkovanja, proširenjem dinamičkog raspona, povećanjem razlučivosti, rezanjem ulaznog šuma, korištenjem ulaznog filtriranja i programabilnih pojačala (PGA), prisutnosti referenci napona na čipu itd. Svi navedeni dodaci povećavaju funkcionalnu razinu i pojednostavljuju sustav.
Uz moderne DAC i ADC proizvodne tehnologije koje su dostupne s visokim stopama uzorkovanja i razlučivosti, postignut je značajan napredak u integraciji sve većeg broja sklopova izravno u ADC / DAC.
U području mjerenja, na primjer, postoje 24-bitni ADC-ovi s ugrađenim programibilnim pojačalima (PGA) koji omogućuju izravnu digitalizaciju 10 mV mostnih signala pune skale bez daljnje normalizacije (npr. serija AD773x).
Na glasovnim i audio frekvencijama uobičajeni su složeni uređaji za kodiranje-dekodiranje - kodeci (Analog Front End, AFE) - koji imaju analogni sklop ugrađen u mikrosklop koji zadovoljava minimalne zahtjeve za vanjske 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, usporedite analogni i digitalni niskopropusni filter (LPF), svaki s graničnom frekvencijom od 1 kHz.
Digitalni filtar je implementiran kao tipičan digitalni sustav, kao što je prikazano na slici 2. Imajte na umu da postoji nekoliko implicitnih pretpostavki napravljenih u dijagramu. Prvo, za točnu obradu signala, pretpostavlja se da ADC / DAC put ima dovoljnu stopu uzorkovanja, razlučivost i dinamički raspon. Drugo, da bi dovršio sve svoje izračune unutar intervala uzorkovanja (1 / f s), DSP uređaj mora biti dovoljno brz. Treće, na ADC ulazu i DAC izlazu još uvijek postoji potreba za analognim filterima za ograničavanje i vraćanje spektra signala (anti-aliasing filter i anti-imaging filter), iako zahtjevi za njihovu izvedbu nisu visoki. Uz ove pretpostavke na mjestu, možete usporediti digitalne i analogne filtere.
Slika 2. Blok dijagram digitalnog filtra
Potrebna granična frekvencija za oba filtra je 1 kHz. Analogna pretvorba je prve vrste šestog reda (obilježena prisutnošću mreškanja u omjeru prijenosa u propusnom pojasu i odsutnošću mreškanja izvan propusnog pojasa). Njegove karakteristike prikazane su na slici 2. U praksi se ovaj filtar može predstaviti s tri filtra drugog reda, od kojih je svaki izgrađen na operacijskom pojačalu i nekoliko kondenzatora. Filtar šestog reda dovoljno je jednostavan za izradu s modernim CAD (Computer Aided Design) filterima, ali je potreban točan odabir komponenti kako bi se zadovoljila specifikacija ravnosti od 0,5 dB.
Digitalni FIR filtar 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 očita prednost sklopa je da digitalni filtar ne zahtijeva odabir komponenti i ne podliježe pomaku parametara, budući da je frekvencija sata filtra stabilizirana kristalnim rezonatorom. Filter sa 129 koeficijenata zahtijeva 129 operacija množenja i akumuliranja (MAC) za izračunavanje izlaznog uzorka. Ovi izračuni moraju biti dovršeni unutar intervala uzorkovanja od 1/fs kako bi mogli raditi u stvarnom 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 obitelj može dovršiti cijeli proces umnožavanja-akumulacije (i druge funkcije potrebne za implementaciju filtera) u jednom ciklusu instrukcija. Stoga, filtar od 129 faktora zahtijeva više od 129/100 μs = 1,3 milijuna operacija u sekundi (MIPS). Postojeći DSP-ovi su mnogo brži i stoga nisu ograničavajući čimbenik za ove aplikacije. 16-bitna serija ADSP-218x s fiksnom točkom 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 filtri
Naravno, u praksi postoje mnogi drugi čimbenici koji se uzimaju u obzir pri usporedbi analognih i digitalnih filtara, ili općenito analognih i digitalnih tehnika obrade signala. Suvremeni sustavi za obradu signala kombiniraju analogne i digitalne metode kako bi postigli željenu funkciju i iskoristili najbolje metode, analogne i digitalne.
PROGRAM MONTAŽE:
FILTER JELA ZA ADSP-21XX (JEDNOM PRECIZNOST)
MODUL fir_sub; (Podrutina FIR filtera Poziv parametara potprograma I0 -> Najstariji podaci u liniji kašnjenja I4 -> Početak tablice koeficijenata filtera L0 = Duljina filtra (N) L4 = Duljina filtra (N) M1, M5 = 1 CNTR = Duljina filtra - 1 ( N-1) Vraćene vrijednosti MR1 = rezultat zbrajanja (zaokruženo i ograničeno) I0 -> Najstariji podaci u liniji kašnjenja I4 -> Početak tablice koeficijenata filtera Registri varijabli MX0, MY0, MR Runtime (N - 1) + 6 ciklusi = N + 5 ciklusa Svi koeficijenti su napisani u formatu 1,15) .ULAZ fir; jela: MR = 0, MX0 = DM (I0, M1), MY0 = PM (I4, M5) CNTR = N-1; UČINITI konvoluciju DO CE; konvolucija: MR = MR + MX0 * MY0 (SS), MX0 = DM (I0, M1), MY0 = PM (I4, M5); MR = MR + MX0 * MY0 (RND); AKO MV SAT MR; RTS; .ENDMOD; OBRADA SIGNALA U REALNOM VREMENU
Književnost:
Uz članak "Vrste signala" pročitajte:
Digitalni sklopovi su najvažnija disciplina koja se izučava u svim visokim i srednjim obrazovnim ustanovama koje obrazuju stručnjake za elektroniku. Pravi radioamater također bi trebao biti dobro upućen u ovo pitanje. No većina knjiga i nastavnih sredstava napisana je na jeziku koji je vrlo teško razumjeti, a inženjeru elektronike početniku (možda i školarcu) teško će svladati nove informacije. Niz novih materijala za obuku iz Master Kita osmišljen je kako bi popunio ovu prazninu: u našim su člancima složeni koncepti opisani najjednostavnijim riječima.
8.1. Analogni i digitalni signali
Prvo morate shvatiti kako se analogni sklopovi općenito razlikuju od digitalnih. A glavna razlika je u signalima s kojima ti sklopovi rade.
Svi signali se mogu podijeliti u dvije glavne vrste: 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 ostali osjetilni organi, dolaznu informaciju percipiraju u analognom obliku, odnosno kontinuirano u vremenu. Prijenos zvučnih informacija – ljudski govor, zvukovi glazbenih instrumenata, rika životinja, zvukovi prirode itd. - također se izvodi u analognom obliku.
Da bismo još bolje razumjeli ovo pitanje, nacrtajmo analogni signal (slika 1.):
Sl. 1. Analogni signal
Vidimo da je analogni signal kontinuiran u vremenu i amplitudi. Za bilo koji trenutak u vremenu možete odrediti točnu 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, tisuću 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 (dolje)
Vidimo da je u svakom trenutnom vremenskom razdoblju moguće saznati trenutnu digitalnu vrijednost amplitude signala. Što se događa sa signalom (prema kojem zakonu se mijenja, kolika mu je amplituda) između intervala "provjere", ne znamo, ta informacija je za nas izgubljena. Što rjeđe provjeravamo razinu signala (što je niža stopa uzorkovanja), to imamo manje informacija o signalu. Naravno, vrijedi i suprotno: što je veća stopa uzorkovanja, to je bolja kvaliteta reprezentacije signala. U granici, povećavajući brzinu uzorkovanja do beskonačnosti, dobivamo praktički isti analogni signal.
Znači li to da je analogni signal ipak bolji od digitalnog? U teoriji, možda da. No u praksi, moderni analogno-digitalni pretvarači (ADC) rade s tako velikom brzinom uzorkovanja (do nekoliko milijuna uzoraka u sekundi), pa opisuju analogni signal u digitalnom obliku tako kvalitativno da ljudska osjetila (oči, uši) ) više ne može osjetiti razliku između izvornog 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. Stoga su sve moderne mobilne komunikacije, televizijsko i radio emitiranje 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 sklopovima treba. Istina, digitalni sklopovi 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 bolja točnost prikaza digitalnog signala.
Prosječni potrošač ne mora znati kakva je priroda signala. No ponekad je potrebno znati razliku između analognog i digitalnog formata kako bi se otvorenim očima pristupilo izboru jedne ili druge opcije, jer se danas priča da je vrijeme analognih tehnologija prošlo, zamjenjuju ih digitalne . Trebali biste razumjeti razliku kako biste znali što ostavljamo i što očekivati.
Analogni signal je kontinuirani signal s beskonačnim brojem podataka bliskih vrijednosti unutar maksimuma, čiji su svi parametri opisani vremenski ovisnom varijablom.
Digitalni signal- ovo je zasebni signal, opisan zasebnom funkcijom vremena, odnosno, u svakom trenutku vremena, veličina amplitude signala ima strogo definiranu vrijednost.
Praksa je pokazala da su kod analognih signala moguće smetnje koje se mogu otkloniti digitalnim signalom. Osim toga, digitalni može oporaviti izvorne podatke. Uz kontinuirani analogni signal, prolazi puno informacija, često nepotrebnih. Umjesto jednog analognog, može se prenositi nekoliko digitalnih.
Danas je potrošač zainteresiran za pitanje televizije, jer se u tom kontekstu često izgovara sintagma "prijelaz na digitalni signal". U ovom slučaju analogni se može smatrati reliktom prošlosti, ali upravo to prihvaća postojeća tehnologija, a za primanje digitalnog potrebna je posebna. Naravno, zbog pojave i širenja korištenja „brojeva“ gube nekadašnju popularnost.
Prednosti i nedostaci tipova signala
Sigurnost igra važnu ulogu u procjeni parametara određenog signala. Razni utjecaji, upadi čine analogni signal bespomoćnim. Kod digitalnog je to isključeno, jer je kodirano iz radio impulsa. Za velike udaljenosti prijenos digitalnih signala je kompliciran, potrebno je koristiti modulacijsko-demodulacijske sheme.
Sumirajući, možemo to reći razlike između analognog i digitalnog signala Sastoji se od:
- U kontinuitetu analognog i diskretnosti digitalnog;
- Vjerojatnije će ometati analogni prijenos;
- Zalihost analognog signala;
- U mogućnosti digitalnog filtriranja šuma i povratka izvornih informacija;
- U prijenosu digitalnog signala u kodiranom obliku. Jedan analogni signal zamjenjuje se s nekoliko digitalnih.
