În fiecare zi oamenii se confruntă cu utilizarea dispozitivelor electronice. Viața modernă este imposibilă fără ele. La urma urmei, vorbim despre un televizor, radio, computer, telefon, multicooker și așa mai departe. Mai devreme, chiar și în urmă cu câțiva ani, nimeni nu s-a gândit ce semnal este folosit în fiecare dispozitiv de lucru. Acum cuvintele „analogic”, „digital”, „discret” s-au auzit de mult. Unele dintre tipurile de semnale enumerate sunt de înaltă calitate și fiabile.
Transmisia digitală a intrat în uz mult mai târziu decât cea analogică. Acest lucru se datorează faptului că un astfel de semnal este mult mai ușor de întreținut, iar tehnologia la acea vreme nu era atât de mult îmbunătățită.
Fiecare persoană întâlnește constant conceptul de „discreție”. Dacă traduceți acest cuvânt din latină, atunci va însemna „discontinuitate”. Intrând adânc în știință, putem spune că un semnal discret este o metodă de transmitere a informațiilor, care implică o schimbare a mediului purtător în timp. Acesta din urmă ia oricare dintre toate valorile posibile. Acum discreția trece în plan secund, după ce s-a luat decizia de a produce sisteme pe un cip. Sunt holistice și toate componentele interacționează strâns unele cu altele. În discretie, totul este exact invers - fiecare detaliu este completat și conectat la alții prin linii speciale de comunicare.
Semnal
Un semnal este un cod special care este transmis în spațiu de către unul sau mai multe sisteme. Această formulare este generală.
În domeniul informației și comunicării, un semnal este un mediu special al oricăror date, care este folosit pentru transmiterea mesajelor. Poate fi creat, dar nu acceptat, ultima condiție este opțională. Dacă semnalul este un mesaj, atunci prinderea lui este considerată necesară.
Codul descris este dat de o funcție matematică. Caracterizează toate modificările posibile ale parametrilor. În teoria ingineriei radio, acest model este considerat de bază. În ea, analogul semnalului se numea zgomot. Este o funcție a timpului care interacționează liber cu codul transmis și îl distorsionează.
Articolul descrie tipurile de semnale: discrete, analogice și digitale. Teoria principală asupra subiectului descris este de asemenea prezentată pe scurt.
Tipuri de semnale
Există mai multe semnale disponibile. Luați în considerare ce tipuri există.
- În funcție de mediul fizic al suportului de date, un semnal electric, optic, acustic și electromagnetic, este separat. Există mai multe specii, dar sunt puțin cunoscute.
- Conform metodei de atribuire, semnalele sunt împărțite în regulate și neregulate. Primele sunt metode deterministe de transfer de date, care sunt specificate de o funcție analitică. Cele aleatorii sunt formulate datorită teoriei probabilității și, de asemenea, iau orice valori la intervale diferite.
- În funcție de funcțiile care descriu toți parametrii semnalului, metodele de transmisie a datelor pot fi analogice, discrete, digitale (o metodă care este cuantificată la nivel). Sunt folosite pentru alimentarea multor aparate electrice.
Cititorul este acum familiarizat cu toate tipurile de transmisie de semnal. Nu va fi greu pentru nicio persoană să le înțeleagă, principalul lucru este să vă gândiți puțin și să vă amintiți cursul de fizică școlar.
Pentru ce este procesat semnalul?
Semnalul este procesat pentru a transmite și a primi informații care sunt criptate în el. Odată extras, poate fi folosit într-o varietate de moduri. În unele situații, acesta va fi reformatat.
Există un alt motiv pentru procesarea tuturor semnalelor. Constă într-o uşoară compresie a frecvenţelor (pentru a nu deteriora informaţia). După aceea, este formatat și transmis la viteze mici.
În semnalele analogice și digitale se folosesc tehnici speciale. În special, filtrarea, convoluția, corelația. Sunt necesare pentru a restabili semnalul dacă este deteriorat sau are zgomot.
Creație și formare
Adesea, analog-to-digital (ADC) este necesar pentru a genera semnale și, cel mai adesea, ambele sunt utilizate numai într-o situație cu utilizarea tehnologiilor DSP. În alte cazuri, numai utilizarea unui DAC este potrivită.
Atunci când creează coduri fizice analogice cu utilizarea în continuare a metodelor digitale, se bazează pe informațiile primite, care sunt transmise de la dispozitive speciale.
Interval dinamic
Se calculează ca diferență între nivelurile de zgomot mai mare și mai scăzută, care sunt exprimate în decibeli. Depinde complet de piesă și de caracteristicile performanței. Vorbim atât despre piese muzicale, cât și despre dialoguri obișnuite între oameni. Dacă luăm, de exemplu, un crainic care citește știrile, atunci intervalul său dinamic fluctuează în jurul valorii de 25-30 dB. Și în timp ce citești o bucată, aceasta poate crește până la 50 dB.
Semnal analog
Un semnal analogic este un mod continuu de transmitere a datelor. Dezavantajul său este prezența zgomotului, care uneori duce la o pierdere completă a informațiilor. Foarte des apar situații în care este imposibil să se determine unde sunt datele importante în cod și unde sunt distorsiunile obișnuite.
Din această cauză procesarea semnalului digital a câștigat o mare popularitate și înlocuiește treptat analogul.
Semnal digital
Un semnal digital este special, este descris prin funcții discrete. Amplitudinea sa poate lua o anumită valoare din cele deja setate. În timp ce semnalul analogic este capabil să sosească cu mult zgomot, atunci semnalul digital filtrează cea mai mare parte a zgomotului primit.
În plus, acest tip de transfer de date transferă informații fără încărcare semantică inutilă. Mai multe coduri pot fi trimise simultan printr-un canal fizic.
Tipuri de semnal digital nu există, deoarece se remarcă ca o metodă separată și independentă de transmitere a datelor. Este un flux binar. În zilele noastre, un astfel de semnal este considerat cel mai popular. Acest lucru se datorează ușurinței în utilizare.
Aplicație de semnal digital
Ce face un semnal electric digital diferit de alții? Faptul că este capabil să efectueze regenerarea completă în repetor. Când un semnal care are cea mai mică interferență intră în echipamentul de comunicație, acesta își schimbă imediat forma în digital. Acest lucru permite, de exemplu, turnului TV să formeze din nou un semnal, dar fără efectul de zgomot.
În cazul în care codul ajunge deja cu distorsiuni mari, atunci, din păcate, nu poate fi restaurat. Dacă luăm comunicația analogică în comparație, atunci într-o situație similară repetorul poate extrage o parte din date, cheltuind multă energie.
Când discutăm despre comunicații celulare de diferite formate, este aproape imposibil să vorbiți pe o linie digitală cu distorsiuni puternice, deoarece cuvintele sau frazele întregi nu sunt auzite. În acest caz, comunicarea analogică este mai eficientă, deoarece puteți continua să conduceți un dialog.
Din cauza unor astfel de probleme semnalul digital este generat de repetoare foarte des pentru a reduce întreruperea liniei de comunicație.
Semnal discret
Acum fiecare persoană folosește un telefon mobil sau un fel de „apelare” pe computerul său. Una dintre sarcinile instrumentelor sau software-ului este de a transmite un semnal, în acest caz un flux de voce. Pentru a transporta un val continuu, este nevoie de un canal care are o capacitate de nivel superior. De aceea s-a luat decizia de a folosi un semnal discret. Nu creează valul în sine, ci forma sa digitală. De ce este asta? Pentru că transmisia vine din tehnologie (de exemplu, un telefon sau un computer). Care sunt avantajele acestui tip de transfer de informații? Cu ajutorul acestuia, cantitatea totală de date transmise este redusă, iar trimiterea în lot este, de asemenea, mai ușor de organizat.
Conceptul de „discretizare” a fost folosit de mult timp în mod stabil în munca tehnologiei computerelor. Datorită unui astfel de semnal, nu se transmit informații continue, care sunt complet codificate cu caractere și litere speciale, ci date colectate în blocuri speciale. Sunt particule separate și complete. Această metodă de codificare a fost mult timp retrogradată în plan secund, dar nu a dispărut complet. Cu el, puteți transfera cu ușurință mici bucăți de informații.
Comparația semnalelor digitale și analogice
Atunci când cumpără echipamente, aproape nimeni nu se gândește la ce tipuri de semnale sunt folosite în acest sau acel dispozitiv și cu atât mai mult la mediul și natura lor. Dar uneori mai trebuie să te ocupi de concepte.
De mult a fost clar că tehnologiile analogice pierd cerere, deoarece utilizarea lor este irațională. În schimb, vine comunicarea digitală. Trebuie să înțelegeți ce este în joc și ce respinge omenirea.
Pe scurt, un semnal analogic este o metodă de transmitere a informațiilor, care presupune descrierea datelor prin funcții continue ale timpului. De fapt, vorbind în mod specific, amplitudinea oscilațiilor poate fi egală cu orice valoare în anumite limite.
Procesarea semnalului digital este descrisă de funcții discrete ale timpului. Cu alte cuvinte, amplitudinea de oscilație a acestei metode este egală cu valorile strict specificate.
Trecând de la teorie la practică, trebuie spus că semnalul analogic se caracterizează prin interferență. Cu digitalul, nu există astfel de probleme, pentru că le „netezește” cu succes. Datorită noilor tehnologii, această metodă de transmitere a datelor este capabilă să restaureze toate informațiile originale de la sine, fără intervenția unui om de știință.
Vorbind despre televiziune, putem spune deja cu încredere: transmisia analogică și-a depășit de mult utilitatea. Majoritatea consumatorilor trec la un semnal digital. Dezavantajul acestuia din urmă este că, dacă orice dispozitiv este capabil să primească transmisie analogică, atunci o metodă mai modernă este doar o tehnică specială. Deși cererea pentru metoda învechită a scăzut de mult, aceste tipuri de semnale încă nu sunt capabile să dispară complet din viața de zi cu zi.
Foarte des auzim definiții precum semnalul „digital” sau „discret”, cum este diferit de „analogic”?
Diferența este că semnalul analogic este continuu în timp (linia albastră), în timp ce semnalul digital constă dintr-un set limitat de coordonate (puncte roșii). Dacă totul este redus la coordonate, atunci orice segment al unui semnal analogic constă dintr-un număr infinit de coordonate.
Pentru un semnal digital, coordonatele de-a lungul axei orizontale sunt situate la intervale regulate, în conformitate cu frecvența de eșantionare. În formatul obișnuit Audio-CD, acesta este de 44.100 de puncte pe secundă. Pe verticală, precizia înălțimii coordonatelor corespunde capacității de cifre a semnalului digital, pentru 8 biți este de 256 de niveluri, pentru 16 biți = 65536 și pentru 24 de biți = 16777216 nivele. Cu cât este mai mare adâncimea de biți (numărul de niveluri), cu atât coordonatele verticale sunt mai apropiate de unda originală.
Sursele analogice sunt vinil și casete audio. Sursele digitale sunt: CD-Audio, DVD-Audio, SA-CD (DSD) și fișiere în formatele WAVE și DSD (inclusiv derivatele APE, Flac, Mp3, Ogg etc.).
Avantaje și dezavantaje ale semnalului analogic
Avantajul semnalului analogic este că este în formă analogică în care percepem sunetul cu urechile noastre. Și, deși sistemul nostru auditiv transformă fluxul de sunet perceput în formă digitală și îl transferă în această formă către creier, știința și tehnologia nu au ajuns încă la posibilitatea de a conecta playere și alte surse de sunet direct în această formă. O astfel de cercetare este acum efectuată în mod activ pentru persoanele cu dizabilități și ne bucurăm exclusiv de sunet analogic.Dezavantajul unui semnal analogic este capacitatea de a stoca, transmite și replica semnalul. Când înregistrați pe bandă sau vinil, calitatea semnalului va depinde de proprietățile casetei sau vinilului. În timp, banda se va demagnetiza și calitatea semnalului înregistrat se va deteriora. Fiecare citire distruge treptat suportul, iar rescrierea introduce o distorsiune suplimentară, unde abaterile suplimentare sunt adăugate de către următorul mediu (bandă sau vinil), dispozitive de citire, înregistrare și transmitere a unui semnal.
A face o copie a unui semnal analogic este ca și cum ai face o altă fotografie pentru a copia o fotografie.
Avantajele și dezavantajele unui semnal digital
Avantajele unui semnal digital includ acuratețea la copierea și transmiterea unui flux audio, unde originalul nu este diferit de copie.Principalul dezavantaj poate fi considerat că semnalul digital este o etapă intermediară, iar acuratețea semnalului analog final va depinde de cât de detaliat și de exact vor fi descrise coordonatele undei sonore. Este destul de logic că cu cât sunt mai multe puncte și cu cât coordonatele sunt mai precise, cu atât unda va fi mai precisă. Dar încă nu există un consens cu privire la câte coordonate și precizia datelor sunt suficiente pentru a spune că reprezentarea digitală a semnalului este suficientă pentru a reconstrui cu acuratețe semnalul analogic, care nu se poate distinge de original de urechile noastre.
În ceea ce privește volumul de date, capacitatea unei casete audio analogice convenționale este de numai aproximativ 700-1,1 MB, în timp ce un CD obișnuit deține 700 MB. Acest lucru dă o idee despre nevoia de transportatori capacitate mare... Și acest lucru dă naștere unui război separat de compromisuri cu cerințe diferite pentru numărul de puncte de descriere și acuratețea coordonatelor.
Astăzi este considerat suficient să reprezinte o undă sonoră cu o rată de eșantionare de 44,1 kHz și o adâncime de biți de 16 biți. Cu o rată de eșantionare de 44,1 kHz, puteți recupera până la 22 kHz. După cum arată studiile psihoacustice, o creștere suplimentară a ratei de eșantionare este puțin vizibilă, dar o creștere a adâncimii de biți oferă o îmbunătățire subiectivă.
Cum DAC-urile construiesc valul
Un DAC este un convertor digital-analogic, un element care convertește sunetul digital în analog. Vom arunca o privire rapidă asupra principiilor de bază. Dacă comentariile arată interes pentru a lua în considerare mai multe puncte în detaliu, atunci va fi lansat un material separat.DAC-uri multibiți
Foarte des, valul este prezentat sub formă de pași, ceea ce se datorează arhitecturii primei generații de DAC-uri R-2R multibiți, care funcționează într-un mod similar cu un comutator de la un releu.
Intrarea DAC primește valoarea următoarei coordonate de-a lungul verticalei și în fiecare dintre ciclurile sale comută nivelul curentului (tensiunii) la nivelul corespunzător până la următoarea modificare.
Deși se crede că urechea umană nu aude mai mult de 20 kHz și, conform teoriei Nyquist, este posibil să se restabilească un semnal de până la 22 kHz, rămâne întrebarea cu privire la calitatea acestui semnal după restaurare. În regiunea de înaltă frecvență, forma undei „pas” rezultată este de obicei departe de cea originală. Cea mai ușoară cale de ieșire din situație este creșterea ratei de eșantionare la înregistrare, dar aceasta duce la o creștere semnificativă și nedorită a dimensiunii fișierului.
O opțiune alternativă este creșterea artificială a ratei de eșantionare în timpul redării în DAC prin adăugarea de valori intermediare. Acestea. reprezentăm calea unui val continuu (linie gri întreruptă) care leagă coordonatele originale (puncte roșii) și adăugăm puncte intermediare pe această linie (violet închis).
La creșterea ratei de eșantionare, este de obicei necesar să creșteți adâncimea de biți, astfel încât coordonatele să fie mai aproape de unda aproximativă.
Datorită coordonatelor intermediare, este posibil să reduceți „pașii” și să construiți valul mai aproape de original.
Când vedeți o funcție de amplificare de la 44,1 la 192 kHz într-un player sau DAC extern, este o funcție pentru a adăuga coordonate intermediare, nu a restabili sau a crea sunet în regiunea de peste 20 kHz.
Inițial, acestea au fost microcircuite SRC separate înainte de DAC, care apoi au migrat direct către microcircuitele DAC în sine. Astăzi puteți găsi soluții în care un astfel de microcircuit este adăugat la DAC-urile moderne, acest lucru se face pentru a oferi o alternativă la algoritmii încorporați în DAC și, uneori, pentru a obține un sunet și mai bun (cum, de exemplu, se face în Hidizs). AP100).
Principalul refuz din industrie de la DAC-uri multi-biți a apărut din cauza imposibilității dezvoltării tehnologice ulterioare a indicatorilor de calitate cu tehnologiile de producție actuale și a unui cost mai mare față de DAC-uri „puls” cu caracteristici comparabile. Cu toate acestea, în produsele Hi-End, se acordă adesea preferință vechilor DAC-uri multi-biți, mai degrabă decât soluțiilor noi cu caracteristici mai bune din punct de vedere tehnic.
Pulse DAC
La sfârșitul anilor 70, o versiune alternativă a DAC-urilor bazată pe o arhitectură „puls” – „delta-sigma”, a devenit larg răspândită. Tehnologia Pulse DAC a făcut posibilă apariția comutatoarelor ultra-rapide și a permis utilizarea unei frecvențe purtătoare înalte.
Amplitudinea semnalului este valoarea medie a amplitudinilor pulsului (impulsurile de amplitudine egală sunt afișate în verde, iar unda sonoră finală este afișată în alb).
De exemplu, o secvență de opt cicluri de ceas de cinci impulsuri va da o amplitudine medie (1 + 1 + 1 + 0 + 0 + 1 + 1 + 0) / 8 = 0,625. Cu cât frecvența purtătorului este mai mare, cu atât mai multe impulsuri vor fi netezite și amplitudinea va fi mai precisă. Acest lucru a făcut posibilă prezentarea fluxului audio într-o formă de un bit cu o gamă dinamică largă.
Media se poate face cu un filtru analogic obișnuit, iar dacă un astfel de set de impulsuri este aplicat direct difuzorului, atunci vom obține sunet la ieșire, iar frecvențele ultra înalte nu vor fi reproduse din cauza inerției mari a emițătorului. Amplificatoarele PWM din clasa D funcționează conform acestui principiu, unde densitatea de energie a impulsurilor este creată nu de numărul lor, ci de durata fiecărui impuls (care este mai ușor de implementat, dar nu poate fi descris cu un cod binar simplu).
Un DAC multi-biți poate fi gândit ca o imprimantă capabilă să aplice culoare cu cerneluri Pantone. Delta-Sigma este o imprimantă cu jet de cerneală cu un set limitat de culori, dar datorită capacității de a aplica puncte foarte mici (în comparație cu o imprimantă cu coarne), datorită densității diferite de puncte pe unitatea de suprafață, dă mai multe nuanțe.
În imagine, de obicei nu vedem puncte individuale din cauza rezoluției scăzute a ochiului, ci doar tonul de mijloc. La fel, urechea nu aude impulsurile separat.
În cele din urmă, cu tehnologiile actuale în DAC-uri cu impulsuri, puteți obține o undă apropiată de cea care teoretic ar trebui să fie obținută la aproximarea coordonatelor intermediare.
De remarcat că, după apariția DAC-ului delta-sigma, a dispărut urgența de a desena un „undă digitală” cu pași, deoarece așa că DAC-urile moderne nu construiesc un val cu pași. Construiți corect un semnal discret cu puncte conectate printr-o linie netedă.
Este ideală schimbarea DAC-urilor?
Dar, în practică, nu totul este fără nori și există o serie de probleme și limitări.
pentru că numărul copleșitor de înregistrări este stocat într-un semnal pe mai mulți biți, apoi conversia într-un semnal de impuls conform principiului „bit-pen-bit” necesită o frecvență purtătoare inutil de mare, pe care DAC-urile moderne nu o acceptă.
Funcția principală a DAC-urilor moderne cu impuls este de a converti un semnal pe mai mulți biți într-unul de un bit cu o frecvență purtătoare relativ scăzută cu decimarea datelor. Practic, acești algoritmi sunt cei care determină calitatea finală a sunetului a DAC-urilor de impuls.
Pentru a reduce problema unei frecvențe purtătoare înalte, fluxul audio este împărțit în mai multe fluxuri de un bit, unde fiecare flux este responsabil pentru propriul grup de descărcare, ceea ce este echivalent cu o creștere multiplă a frecvenței purtătoare a numărului de fluxuri. . Aceste DAC-uri sunt numite DAC-uri delta-sigma multi-biți.
Astăzi, DAC-urile cu impuls au primit un al doilea vânt în cipurile de mare viteză de uz general în produsele NAD și Chord datorită capacității de a programa în mod flexibil algoritmii de conversie.
format DSD
După utilizarea pe scară largă a DAC-urilor delta-sigma, era destul de logic ca formatul codului binar să apară direct în codificarea delta-sigma. Acest format se numește DSD (Direct Stream Digital).Formatul nu a fost utilizat pe scară largă din mai multe motive. Editarea fișierelor în acest format s-a dovedit a fi limitată inutil: nu puteți amesteca fluxuri, nu puteți regla volumul și nu puteți aplica egalizarea. Aceasta înseamnă că, fără pierderi de calitate, puteți arhiva doar înregistrări analogice și puteți face o înregistrare cu două microfoane a spectacolelor live fără procesare ulterioară. Într-un cuvânt, nu poți face bani cu adevărat.
În lupta împotriva pirateriei, SA-CD-urile nu au fost suportate (și nu sunt suportate până acum) de computere, ceea ce le împiedică să facă copii. Fără copii - fără public general. A fost posibil să redați conținut audio DSD doar de pe un player SA-CD separat de pe un disc de marcă. Dacă pentru formatul PCM există un standard SPDIF pentru transmiterea digitală a datelor de la o sursă la un DAC separat, atunci nu există un standard pentru formatul DSD și primele copii piratate ale discurilor SA-CD au fost digitizate de la ieșirile analogice ale SA -CD playere (deși situația pare o prostie, dar în realitate unele înregistrări au fost lansate doar pe SA-CD, sau aceeași înregistrare pe Audio-CD a fost făcută special prost pentru a promova SA-CD).
Momentul de cotitură a avut loc odată cu lansarea consolelor de jocuri SONY, unde discul SA-CD a fost copiat automat pe hard disk-ul consolei înainte de a fi redat. Fanii formatului DSD au profitat de acest lucru. Apariția înregistrărilor piratate a stimulat piața să lanseze DAC-uri separate pentru redarea fluxurilor DSD. Majoritatea DAC-urilor externe cu suport DSD acceptă astăzi transferul de date USB folosind formatul DoP ca codificare separată a semnalului digital prin SPDIF.
Frecvențele purtătoare pentru DSD sunt relativ mici, 2,8 și 5,6 MHz, dar acest flux audio nu necesită conversii decimare și este destul de competitiv cu formatele de înaltă definiție precum DVD-Audio.
Nu există un răspuns cert la întrebarea care este mai bine, DSP sau PCM. Totul se bazează pe calitatea implementării unui anumit DAC și pe talentul inginerului de sunet la înregistrarea fișierului final.
Concluzie generală
Sunetul analogic este ceea ce auzim și percepem ca lumea din jurul nostru cu ochii noștri. Sunetul digital este un set de coordonate care descriu o undă sonoră și pe care nu o putem auzi direct fără a o converti într-un semnal analogic.Un semnal analogic înregistrat direct pe o bandă audio sau vinil nu poate fi reînregistrat fără pierderea calității, în timp ce un val în formă digitală poate fi copiat bit cu bit.
Formatele de înregistrare digitală reprezintă un compromis constant între cantitatea de precizie a coordonatelor și dimensiunea fișierului, iar orice semnal digital este doar o aproximare față de semnalul analogic original. Totuși, în același timp, diferite niveluri de tehnologii pentru înregistrarea și reproducerea unui semnal digital și stocarea pe suporturi pentru un semnal analogic oferă mai multe avantaje unei reprezentări digitale a semnalului, similar cu o cameră digitală față de o cameră cu film.
Un semnal este definit ca o tensiune sau curent care poate fi transmis ca mesaj sau informație. Toate semnalele sunt analogice prin natura lor, fie ele AC sau DC, digitale sau pulsate. Cu toate acestea, este obișnuit să se facă distincția între semnalele analogice și cele digitale.
Un semnal digital este un semnal care a fost procesat într-un anumit mod și transformat în numere. De obicei, aceste semnale digitale sunt asociate cu semnale analogice reale, dar uneori nu există nicio legătură între ele. Un exemplu este transmisia de date în rețelele locale (LAN) sau în alte rețele de mare viteză.
În procesarea semnalului digital (DSP), un semnal analogic este convertit în formă binară de un dispozitiv numit convertor analog-digital (ADC). ADC emite o reprezentare binară a semnalului analogic, care este apoi procesată de un procesor de semnal digital aritmetic (DSP). După procesare, informațiile conținute în semnal pot fi convertite înapoi în formă analogică folosind un convertor digital-analogic (DAC).
Un alt concept cheie în definirea semnalului este faptul că un semnal poartă întotdeauna anumite informații. Acest lucru ne conduce la problema cheie a procesării fizice a semnalului analogic - problema regăsirii informațiilor.
Obiectivele procesării semnalului.
Scopul principal al procesării semnalului este nevoia de a obține informațiile pe care le conțin. Această informație este de obicei prezentă în amplitudinea unui semnal (absolută sau relativă), în frecvență sau în compoziția spectrală, în fază sau în dependențele relative de timp ale mai multor semnale.
Odată ce informația dorită a fost extrasă din semnal, aceasta poate fi utilizată într-o varietate de moduri. În unele cazuri, este de dorit să reformatați informațiile conținute în semnal.
În special, modificarea formatului semnalului are loc atunci când semnalul audio este transmis într-un sistem telefonic cu acces multiplu prin diviziune în frecvență (FDMA). În acest caz, tehnicile analogice sunt folosite pentru a plasa mai multe canale de voce în spectrul de frecvență pentru transmisie prin releu radio cu microunde, cablu coaxial sau cu fibră optică.
În cazul comunicațiilor digitale, informațiile audio analogice sunt mai întâi convertite în digitale folosind un ADC. Informațiile digitale care reprezintă canalele audio individuale sunt multiplexate în timp (multiplexarea pe diviziune în timp, TDMA) și transmise printr-o legătură digitală serială (ca într-un sistem PCM).
Un alt motiv pentru procesarea semnalului este comprimarea lățimii de bandă a semnalului (fără pierderi semnificative de informații), urmată de formatarea și transmiterea informațiilor la rate mai mici, ceea ce vă permite să restrângeți lățimea de bandă necesară a canalului. Modemurile de mare viteză și sistemele de modulare a codului adaptiv al impulsurilor (ADPCM) folosesc pe scară largă algoritmi de redundanță (compresie) a datelor, la fel ca sistemele de comunicații mobile digitale, sistemele de înregistrare audio MPEG și televiziunea de înaltă definiție (HDTV).
Sistemele industriale de achiziție și control de date utilizează informații de la senzori pentru a genera semnale de feedback adecvate, care la rândul lor controlează direct procesul. Rețineți că aceste sisteme necesită atât ADC-uri, cât și DAC-uri, precum și senzori, conditionatoare de semnal și DSP-uri (sau microcontrolere).
În unele cazuri, există zgomot în semnalul care conține informația, iar scopul principal este recuperarea semnalului. Tehnici precum filtrarea, autocorelarea, convoluția etc. sunt adesea folosite pentru a îndeplini această sarcină atât în domeniul analogic, cât și în cel digital.
SCOPELE PRELUCRĂRII SEMNALULUI- Extragerea informațiilor semnalului (amplitudine, fază, frecvență, componente spectrale, relații temporale)
- Conversie format de semnal (telefonie cu diviziune de canale FDMA, TDMA, CDMA)
- Comprimarea datelor (modemuri, telefoane mobile, televiziune HDTV, compresie MPEG)
- Formarea semnalelor de feedback (controlul proceselor industriale)
- Separarea semnalului de zgomot (filtrare, autocorelare, convoluție)
- Izolarea și stocarea unui semnal în formă digitală pentru procesare ulterioară (FFT)
Modelarea semnalului
În majoritatea acestor situații (legate de utilizarea tehnologiilor DSP), sunt necesare atât un ADC, cât și un DAC. Cu toate acestea, în unele cazuri este necesar doar un DAC unde semnalele analogice pot fi generate direct de la DSP și DAC. Afișajele scanate video sunt un exemplu bun în care un semnal generat digital conduce imaginea video sau un bloc RAMDAC (Digital to Analogue Pixel Array Converter).
Un alt exemplu este muzica și vorbirea sintetizate artificial. De fapt, generarea de semnale fizice analogice folosind doar tehnici digitale se bazează pe informațiile obținute anterior din surse de astfel de semnale fizice analogice. În sistemele de afișare, datele de pe afișaj trebuie să transmită informații relevante operatorului. La dezvoltarea sistemelor de sunet se stabilesc proprietățile statistice ale sunetelor generate, care au fost determinate anterior prin utilizarea pe scară largă a metodelor DSP (sursă de sunet, microfon, preamplificator, ADC etc.).
Metode și tehnologii de procesare a semnalului
Semnalele pot fi procesate folosind tehnici analogice (procesarea semnalului analogic sau ASP), tehnici digitale (procesarea semnalului digital sau DSP) sau o combinație de tehnici analogice și digitale (procesarea semnalului combinat sau MSP). În unele cazuri, alegerea metodelor este clară, în alte cazuri nu există claritate în alegere și decizia finală se bazează pe anumite considerente.
În ceea ce privește DSP, principala diferență față de analiza tradițională a datelor pe computer este viteza mare și eficiența realizării funcțiilor complexe de procesare digitală, cum ar fi filtrarea, analiza folosind date și compresia datelor în timp real.
Procesarea combinată a semnalului înseamnă că sistemul efectuează atât procesare analogică, cât și digitală. Un astfel de sistem poate fi implementat ca o placă de circuit imprimat, un circuit integrat hibrid (IC) sau un singur cip cu elemente integrate. ADC-urile și DAC-urile sunt considerate dispozitive combinate de procesare a semnalului, deoarece fiecare dintre ele implementează atât funcții analogice, cât și digitale.
Progresele recente în tehnologia VLSI permit procesarea complexă (digitală și analogică) pe un singur cip. Însăși natura DSP implică faptul că aceste funcții pot fi efectuate în timp real.
Comparație între procesarea semnalului analog și digital
Inginerul de astăzi se confruntă cu alegerea combinației potrivite de metode analogice și digitale pentru a rezolva o problemă de procesare a semnalului. Este imposibil să procesați semnale fizice analogice folosind doar metode digitale, deoarece toți senzorii (microfoane, termocupluri, cristale piezoelectrice, capete de unități magnetice etc.) sunt dispozitive analogice.
Unele tipuri de semnale necesită circuite de normalizare pentru procesarea ulterioară a semnalului, atât analogic, cât și digital. Circuitele de normalizare a semnalului sunt procesoare analogice care îndeplinesc funcții precum amplificare, acumulare (în amplificatoare de măsurare și preliminare (buffer), detectarea semnalului pe un fundal de zgomot (amplificatoare de înaltă precizie în mod comun, egalizatoare și receptoare liniare), compresie în intervalul dinamic. (amplificatoare logaritmice, DAC-uri logaritmice și amplificatoare cu câștig programabil) și filtrare (pasivă sau activă).
Mai multe metode de implementare a procesării semnalului sunt prezentate în Figura 1. Zona de sus a figurii prezintă o abordare pur analogică. Restul zonelor prezintă implementarea DSP. Rețineți că, odată ce tehnologia DSP este selectată, următoarea soluție ar trebui să fie localizarea ADC-ului pe calea de procesare a semnalului.
PRELUCRAREA SEMNALELOR ANALOGICE SI DIGITALE
Figura 1. Metode de procesare a semnalului
În general, deoarece ADC-ul a fost mutat mai aproape de senzor, cea mai mare parte a procesării semnalului analogic este acum realizată de ADC. Creșterea capacităților ADC poate fi exprimată prin creșterea ratei de eșantionare, extinderea gamei dinamice, creșterea rezoluției, tăierea zgomotului de intrare, utilizarea filtrarii de intrare și a amplificatoarelor programabile (PGA), prezența referințelor de tensiune pe cip etc. Toate completările menționate măresc nivelul funcțional și simplifică sistemul.
Cu tehnologiile moderne de producție DAC și ADC disponibile cu rate și rezoluții mari de eșantionare, s-au făcut progrese semnificative în integrarea unui număr tot mai mare de circuite direct în ADC / DAC.
În domeniul măsurării, de exemplu, există ADC-uri pe 24 de biți cu amplificatoare programabile (PGA) încorporate care permit ca semnalele de punte de 10 mV la scară completă să fie digitizate direct fără normalizare ulterioară (de exemplu seria AD773x).
La frecvențele de voce și audio sunt comune dispozitive complexe de decodificare a codificatorului - codecuri (Analog Front End, AFE) - care au un circuit analogic încorporat în microcircuit care îndeplinește cerințele minime pentru componentele de normalizare externe (AD1819B și AD73322).
Există, de asemenea, codecuri video (AFE) pentru sarcini precum procesarea imaginii CCD și altele (cum ar fi seriile AD9814, AD9816 și AD984X).
Exemplu de implementare
Ca exemplu de utilizare a unui DSP, comparați filtrele trece-jos analog și digitale (LPF), fiecare cu o frecvență de tăiere de 1 kHz.
Filtrul digital este implementat ca un sistem digital tipic, așa cum se arată în Figura 2. Rețineți că există câteva ipoteze implicite făcute în diagramă. În primul rând, pentru a procesa cu acuratețe semnalul, se presupune că calea ADC / DAC are o rată de eșantionare, rezoluție și interval dinamic suficient. În al doilea rând, pentru a finaliza toate calculele sale în intervalul de eșantionare (1 / f s), dispozitivul DSP trebuie să fie suficient de rapid. În al treilea rând, la intrarea ADC și la ieșirea DAC există încă nevoie de filtre analogice pentru limitarea și restabilirea spectrului de semnal (filtru anti-aliasing și filtru anti-imaging), deși cerințele pentru performanța lor nu sunt ridicate. Cu aceste ipoteze în vigoare, puteți compara filtrele digitale și analogice.
Figura 2. Schema bloc a unui filtru digital
Frecvența de tăiere necesară pentru ambele filtre este de 1 kHz. Conversia analogică este de primul fel de ordinul al șaselea (caracterizată prin prezența ondulației în raportul de transmisie în banda de trecere și absența ondulației în afara benzii de trecere). Caracteristicile sale sunt prezentate în Figura 2. În practică, acest filtru poate fi reprezentat de trei filtre de ordinul doi, fiecare dintre acestea fiind construit pe un amplificator operațional și mai mulți condensatori. Filtrul de ordinul al șaselea este suficient de simplu pentru a fi creat cu filtre moderne CAD (Computer Aided Design), dar este necesară o selecție precisă a componentelor pentru a îndeplini specificația de planeitate de 0,5 dB.
Filtrul digital FIR cu 129 de factori prezentat în Figura 2 are o planeitate de numai 0,002 dB în banda de trecere, un răspuns de fază liniar și o declinare mult mai abruptă. În practică, astfel de caracteristici nu pot fi realizate folosind tehnici analogice. Un alt avantaj evident al circuitului este că filtrul digital nu necesită selecția componentelor și nu este supus derivei parametrilor, deoarece frecvența de ceas a filtrului este stabilizată de un rezonator cu cristal. Un filtru cu 129 de coeficienți necesită 129 de operații de înmulțire și acumulare (MAC) pentru a calcula eșantionul de ieșire. Aceste calcule trebuie finalizate în intervalul de eșantionare 1/fs pentru a funcționa în timp real. În acest exemplu, rata de eșantionare este de 10 kHz, deci 100 µs sunt suficiente pentru procesare dacă nu este necesar un calcul suplimentar semnificativ. Familia ADSP-21xx DSP poate finaliza întregul proces de multiplicare-acumulare (și alte funcții necesare pentru implementarea filtrului) într-un singur ciclu de instrucțiuni. Prin urmare, un filtru cu 129 de factori necesită peste 129/100 μs = 1,3 milioane de operații pe secundă (MIPS). DSP-urile existente sunt mult mai rapide și, prin urmare, nu reprezintă un factor limitativ pentru aceste aplicații. Seria ADSP-218x cu punct fix pe 16 biți atinge performanțe de până la 75MIPS. Lista 1 arată codul de asamblare care implementează filtrul pe procesoarele ADSP-21xx DSP. Rețineți că liniile reale ale codului executabil sunt marcate cu săgeți; restul sunt comentarii.
Figura 3.Filtre analogice și digitale
Desigur, în practică, există mulți alți factori luați în considerare atunci când se compară filtrele analogice versus digitale sau tehnicile de procesare a semnalului analog versus digital în general. Sistemele moderne de procesare a semnalului combină metode analogice și digitale pentru a obține funcția dorită și profită de cele mai bune metode, atât analogice, cât și digitale.
PROGRAM DE MONTAJ:
FILTRU DE BAD PENTRU ADSP-21XX (SINGURA PRECIZIUNE)
MODUL fir_sub; (subrutina filtru FIR Apelarea parametrilor subrutinei I0 -> Cele mai vechi date din linia de întârziere I4 -> Începutul tabelului coeficienților de filtru L0 = Lungimea filtrului (N) L4 = Lungimea filtrului (N) M1, M5 = 1 CNTR = Lungimea filtrului - 1 ( N-1) Valori returnate MR1 = Rezultatul sumării (rotunjit și limitat) I0 -> Cele mai vechi date din linia de întârziere I4 -> Începutul tabelului coeficienților de filtru Registre variabile MX0, MY0, MR Runtime (N - 1) + 6 cicluri = N + 5 cicluri Toate cotele sunt scrise în format 1.15) .INTRARE brad; brad: MR = 0, MX0 = DM (I0, M1), MY0 = PM (I4, M5) CNTR = N-1; DO convoluție PÂNĂ CE; convoluție: MR = MR + MX0 * MY0 (SS), MX0 = DM (I0, M1), MY0 = PM (I4, M5); MR = MR + MX0 * MY0 (RND); IF MV SAT MR; RTS; .ENDMOD; PROCESAREA SEMNALULUI ÎN TIMP REAL
Literatură:
Împreună cu articolul „Tipuri de semnale” citiți:
Circuitul digital este cea mai importantă disciplină care se studiază în toate instituțiile de învățământ superior și secundar care formează specialiști în electronică. Un radioamator adevărat ar trebui să fie, de asemenea, bine versat în această chestiune. Dar majoritatea cărților și tutorialelor sunt scrise într-un limbaj care este foarte greu de înțeles și va fi dificil pentru un inginer electronic începător (poate un școlar) să stăpânească informații noi. O serie de noi materiale de instruire de la Master Kit este concepută pentru a umple acest gol: în articolele noastre, conceptele complexe sunt descrise în cele mai simple cuvinte.
8.1. Semnale analogice și digitale
Mai întâi trebuie să vă dați seama cum diferă în general circuitele analogice de cele digitale. Și principala diferență este în semnalele cu care funcționează aceste circuite.
Toate semnalele pot fi împărțite în două tipuri principale: analogice și digitale.
Semnale analogice
Semnalele analogice ne sunt cele mai cunoscute. Putem spune că întreaga lume naturală din jurul nostru este analogică. Vederea și auzul nostru, precum și toate celelalte organe de simț, percep informațiile primite într-o formă analogică, adică continuu în timp. Transmiterea de informații sonore - vorbirea umană, sunetele instrumentelor muzicale, vuietul animalelor, sunetele naturii etc. - realizat și în formă analogică.
Pentru a înțelege și mai bine această problemă, să desenăm un semnal analogic (Fig. 1.):
Fig. 1. Semnal analog
Vedem că semnalul analogic este continuu în timp și în amplitudine. Pentru orice moment, puteți determina valoarea exactă a amplitudinii semnalului analogic.
Semnale digitale
Să analizăm amplitudinea semnalului nu în mod constant, ci discret, la intervale fixe. De exemplu, o dată pe secundă, sau mai des: de zece ori pe secundă. Cât de des facem acest lucru se numește rata de eșantionare: o dată pe secundă - 1 Hz, de o mie de ori pe secundă - 1000 Hz sau 1 kHz.
Pentru claritate, să desenăm graficele semnalelor analogice (sus) și digitale (jos) (Fig. 2.):
Fig. 2. Semnal analogic (sus) și copie digitală (jos)
Vedem că în fiecare perioadă instantanee de timp este posibil să aflăm valoarea digitală instantanee a amplitudinii semnalului. Ce se întâmplă cu semnalul (după ce lege se schimbă, care este amplitudinea lui) între intervalele de „verificare”, nu știm, această informație ne este pierdută. Cu cât verificăm mai rar nivelul semnalului (cu cât rata de eșantionare este mai mică), cu atât avem mai puține informații despre semnal. Desigur, este adevărat și invers: cu cât rata de eșantionare este mai mare, cu atât calitatea prezentării semnalului este mai bună. În limită, mărind rata de eșantionare la infinit, obținem practic același semnal analogic.
Înseamnă asta că semnalul analogic este oricum mai bun decât cel digital? În teorie, poate că da. Dar, în practică, convertoarele analog-digitale (ADC) moderne funcționează la o rată de eșantionare atât de mare (până la câteva milioane de mostre pe secundă), astfel încât ele descriu un semnal analogic în formă digitală atât de calitativ încât simțurile umane (ochi, urechi). ) nu mai simte diferența dintre semnalul original și modelul său digital. Un semnal digital are un avantaj foarte semnificativ: este mai ușor de transmis prin fire sau unde radio, interferența nu afectează semnificativ un astfel de semnal. Prin urmare, toate comunicațiile mobile moderne, emisiunile de televiziune și radio sunt digitale.
Graficul de jos din fig. 2 poate fi ușor reprezentat într-o altă formă - ca o secvență lungă a unei perechi de numere: timp / amplitudine. Și numerele sunt exact ceea ce au nevoie circuitele digitale. Adevărat, circuitele digitale preferă să lucreze cu numerele într-un mod special, dar despre asta vom vorbi în lecția următoare.
Acum putem trage concluzii importante:
Semnalul digital este discret, poate fi determinat doar pentru anumite momente în timp;
- cu cât rata de eșantionare este mai mare, cu atât acuratețea reprezentării semnalului digital este mai bună.
Consumatorul mediu nu trebuie să știe care este natura semnalelor. Dar uneori este necesar să se cunoască diferența dintre formatele analogice și cele digitale pentru a aborda cu ochii deschiși alegerea uneia sau alteia variante, pentru că astăzi se zvonește că vremea tehnologiilor analogice a trecut, acestea fiind înlocuite cu cele digitale. . Ar trebui să înțelegeți diferența pentru a ști la ce plecăm și la ce să ne așteptăm.
Semnal analog este un semnal continuu cu un număr infinit de date apropiate ca valoare în limita maximă, toți parametrii cărora sunt descriși de o variabilă dependentă de timp.
Semnal digital- acesta este un semnal separat, descris de o funcție separată a timpului, respectiv, în fiecare moment de timp, mărimea amplitudinii semnalului are o valoare strict definită.
Practica a arătat că în cazul semnalelor analogice este posibilă interferența care poate fi eliminată cu un semnal digital. În plus, digitalul poate recupera datele originale. Cu un semnal analogic continuu, trec o mulțime de informații, adesea inutile. În loc de un analog, pot fi transmise mai multe digitale.
Astăzi, consumatorul este interesat de problema televiziunii, deoarece în acest context este adesea pronunțată sintagma „tranziție la un semnal digital”. În acest caz, analogul poate fi considerat o relicvă a trecutului, dar tocmai asta acceptă tehnologia existentă și este nevoie de una specială pentru a primi digital. Desigur, din cauza apariției și extinderii utilizării „numerelor”, acestea își pierd popularitatea anterioară.
Avantajele și dezavantajele tipurilor de semnal
Siguranța joacă un rol important în evaluarea parametrilor unui anumit semnal. Diverse influențe, intruziuni fac semnalul analogic lipsit de apărare. Cu digital, acest lucru este exclus, deoarece este codificat din impulsuri radio. Pentru distante mari, transmisia semnalelor digitale este complicata, este necesara folosirea schemelor de modulare-demodulatie.
Rezumând, putem spune asta diferențe dintre semnalul analog și cel digital consta din:
- În continuitatea analogului și discretitatea digitalului;
- Mai probabil să interfereze cu transmisia analogică;
- Redundanța semnalului analogic;
- În capacitatea de a filtra digital zgomotul și de a recupera informațiile originale;
- În transmiterea unui semnal digital sub formă codificată. Un semnal analogic este înlocuit cu mai multe semnale digitale.
