Дискретный сигнал
Сейчас каждый человек пользуется мобильным телефоном или какой-то «звонилкой» на своем компьютере. Одна из задач приборов или программного обеспечения – это передача сигнала, в данном случае голосового потока. Для переноса непрерывной волны необходим канал, который имел бы пропускную способность высшего уровня. Именно поэтому было предпринято решение использовать дискретный сигнал. Он создает не саму волну, а ее цифровой вид. Почему же? Потому что передача идет от техники (например, телефона или компьютера). В чем плюсы такого вида переноса информации? С его помощью уменьшается общее количество передаваемых данных, а также легче организуется пакетная отправка.
Понятие «дискретизация» уже давно стабильно используется в работе вычислительной техники. Благодаря такому сигналу передается не непрерывная информация, которая полностью закодирована специальными символами и буквами, а данные, собранные в особенные блоки. Они являются отдельными и законченными частицами. Такой метод кодировки уже давно отодвинулся на второй план, однако не исчез полностью. С помощью него можно легко передавать небольшие куски информации.
Формат DSD
Широкого распространения формат не получил по нескольким причинам. Редактирование файлов в этом формате оказалось излишне ограниченным: нельзя микшировать потоки, регулировать громкость и применять эквализацию. А это значит, что без потери качества можно лишь архивировать аналоговые записи и производить двухмикрофонную запись живых выступлений без последующей обработки. Одним словом – денег толком не заработать.
В борьбе с пиратством диски формата SA-CD не поддерживались (и не поддерживаются до сих пор) компьютерами, что не позволяет делать их копии. Нет копий – нет широкой аудитории. Воспроизвести DSD аудиоконтент можно было только с отдельного SA-CD проигрывателя с фирменного диска. Если для PCM формата есть стандарт SPDIF для цифровой передачи данных от источника к отдельному ЦАП, то для DSD формата стандарта нет и первые пиратские копии SA-CD дисков были оцифровками с аналоговых выходов SA-CD проигрывателей (хоть ситуация и кажется глупой, но на деле некоторые записи выходили только на SA-CD, либо та же запись на Audio-CD специально была сделана некачественно для продвижения SA-CD).
Переломный момент произошел с выходом игровых приставок SONY, где SA-CD диск до воспроизведения автоматически копировался на жесткий диск приставки. Этим воспользовались поклонники формата DSD. Появление пиратских записей простимулировало рынок на выпуск отдельных ЦАП для воспроизведения DSD потока. Большинство внешних ЦАП с поддержкой DSD на сегодняшний день поддерживает передачу данных по USB используя формат DoP в виде отдельного кодирования цифрового сигнала через SPDIF.
Несущие частоты для DSD сравнительно небольшие, 2.8 и 5.6 МГц, но этот звуковой поток не требует никаких преобразований с прореживанием данных и вполне конкурентно-способен с форматами высокого разрешения, такими как DVD-Audio.
На вопрос что лучше, DSP или PCM однозначного ответа нет. Все упирается в качество реализации конкретного ЦАП и таланта звукорежиссера при записи конечного файла.
Полное руководство по выбору и эксплуатации
Цифровая стереосистема не может обойтись без цифро-аналогового преобразователя (ЦАП’а, DAC’а) – компонента, преобразующего двоичный код в аналоговый сигнал. На сегодня именно digital-направление в Hi-Fi/High End развивается быстрее всего – надеемся, что данная мини-энциклопедия ЦАП’ов послужит надежным подспорьем при выборе техники себе домой.
Характеристики ЦАП’а
— разрядность – то есть, количество уровней аналогового сигнала, которое может воспроизводить ЦАП. Для N разрядного ЦАП число уровней аналогового сигнала равно 2N (включая значение для нулевого кода);
— частота дисктеризации – максимальная частота, с которой можно изменять входной код ЦАП, получая при этом корректный результат на выходе;
— соотношение «сигнал/шум» или SNR — отношение амплитуды восстанавливаемого гармонического сигнала к сумме амплитуд всех остальных гармоник в спектре выходного сигнала, кроме кратных;
— типы поддерживаемых форматов данных.
Форматы цифровых данных
— форматы без сжатия данных или «сырые» — сюда относятся WAV, AIFF, RAW, DSD, DXD;
— форматы со сжатием без потерь (APE, FLAC, MQA, WavPack, Monkey’s Audio и другие);
— форматы со сжатием с потерями (MP3, AAC, Vorbis и прочие).
Виды цифро-аналоговых преобразователей
— широтно-импульсные модуляторы: источник тока или напряжения включается на время, а полученная импульсная последовательность фильтруется;
— циклические ЦАП’ы;
— конвейерные ЦАП’ы;
— и, наконец, столь хорошо знакомые всем аудиофилам цифро-аналоговые преобразователи передискретизации – например, дельта-сигма ЦАП’ы.— бинарные, в которых соотношение двух соседних взвешивающих элементов равно 2, а веса элементов, формирующих выходной сигнал, в нормированном виде, будут равны 1, 2, 4, 8, 16 и так далее, система управляется бинарным кодом;
— унитарные — соотношение двух соседних взвешивающих элементов равно единице, а управление системой ведется унитарным кодом;
— Фибоначчи – в данном случае сигнал формируется в системе счисления Фибоначчи;
— сегментные – в них цифровой код разделяется на группы, которые обрабатываются независимо. взвешивающие (каждому биту цифрового сигнала соответствует резистор или источник тока) – достаточно быстрые, но менее точные, так как для функционирования требуется набор различных прецизионных источников или резисторов; их разрядность ограничена восемью битами;
— лестничные (R2R-схемы) – в них значения создаются в матрице (токов или напряжений) постоянного импеданса, набранной из резисторов с сопротивлениями R и 2R.
Зачем в аудиосистеме отдельный ЦАП?
— отсутствие поддержки форматов данных – недорогие устройства могут «не уметь» работать с современными сигналами, скажем РСМ 32/768 или DSD256, что доставит неудобства в функционировании;
— набора фирменных «родовых болячек» цифрового звука – прежде всего искажений из-за потери синхронизации (эффекта джиттера, дрожания сигнала) – несоблюдения временных интервалов.
Примеры цифро-аналоговых преобразователей в различных ценовых категориях
Parasound Z-dac v2 (53 400 руб.) основан на схемах Texas Instruments TAS1020B (USB Streaming Controller), Analog Devices AD1895 (Sample Rate Converter) и Analog Devices AD1853 (D to A Converter).Chord Electronics Qutest (135 400 руб.) – в устройстве применена схема Xilinx Artix 7 (XC7A15T) FPGA, аппарат поддерживает РСМ 32/768 и DSD512.Mytek Brooklyn DAC+ (275 000 руб.) использует чип Sabre 9028 Pro 32/384 и поддерживает DSD до DSD256.MSB Reference (3 199 999 руб.) – пример высокотехнологичного устройства: 4 гибридных мультибитных модуля c эффективyым разрешением 28,5 бит на канал (384 кГц), цифровой фильтр Shark DSP 80 бит, сверхстабильный тактовый генератор Femto 140 Clock.Audio Note Fifth Element (12 300 300 руб.) – один из самых дорогих ЦАП’ов в мире, построенный на базе классического R2R-чипа Analog Devices AD1865N, ламп 1 x 5814a, 1 x 6463, 1 x EF800, 1 x 6X5 и полностью серебряных трансформаторов.Денис Репин
24 мая 2020 года
Различия в использовании оборудования
Многие устройства поставляются со встроенными средствами перевода из аналогового в цифровой. Микрофоны и динамик — прекрасные примеры аналоговых устройств. Аналоговая технология дешевле, но есть ограничение на размер данных, которые могут быть переданы в данный момент.
Цифровая технология произвела революцию в способах работы большей части оборудования. Данные преобразуются в двоичный код, а затем снова собираются в исходную форму в точке приема. Поскольку ими можно легко манипулировать, он предлагает более широкий спектр возможностей. Цифровое оборудование дороже аналогового.
2.2 Цифровой сигнал
Цифровой сигнал —
сигнал данных, у которого каждый из
представляющих параметров описывается
функцией дискретного времени и конечным
множеством возможных значений.
Сигналы представляют
собой дискретные электрические или
световые импульсы. При таком способе
вся емкость коммуникационного канала
используется для передачи одного
сигнала. Цифровой сигнал использует
всю полосу пропускания кабеля.
Полоса
пропускания — это разница между
максимальной и минимальной частотой,
которая может быть передана по кабелю.
Каждое устройство в таких сетях посылает
данные в обоих направлениях, а некоторые
могут одновременно принимать и передавать.
Дискретный цифровой
сигнал сложнее передавать на большие
расстояния, чем аналоговый сигнал,
поэтому его предварительно модулируют
на стороне передатчика, и демодулируют
на стороне приёмника информации.
Использование в цифровых системах
алгоритмов проверки и восстановления
цифровой информации позволяет существенно
увеличить надёжность передачи информации.
Замечание. Следует
иметь в виду, что реальный цифровой
сигнал по своей физической природе
является аналоговым.
Из-за шумов и
изменения параметров линий передачи
он имеет флуктуации по амплитуде,
фазе/частоте (джиттер), поляризации. Но
этот аналоговый сигнал (импульсный и
дискретный) наделяется свойствами
числа.
Сигнал определяется как напряжение или ток, который может быть передан как сообщение или как информация. По своей природе все сигналы являются
аналоговыми, будь то сигнал постоянного илипеременного тока, цифровой или импульсный. Тем не менее, принято делать различие между аналоговыми и
цифровыми сигналами.
Цифровым сигналом называется сигнал, определённым образом обработанный и преобразованный в цифры. Обычно эти цифровые сигналы связаны с реальными
аналоговыми сигналами, но иногда между ними и нет связи. В качестве примера можно привести передачу данных в локальных вычислительных сетях (LAN) или
в других высокоскоростных сетях.
В случае цифровой обработки сигнала (ЦОС) аналоговый сигнал преобразуется в двоичную форму устройством, которое называется аналого-цифровым
преобразователем (АЦП).
После обработки содержащаяся в сигнале информация может быть преобразована обратно в аналоговую форму с использованием
цифро-аналогового преобразователя (ЦАП).
Другой ключевой концепцией в определении сигнала является тот факт, что сигнал всегда несет некоторую информацию. Это ведет нас к ключевой проблеме
обработки физических аналоговых сигналов — проблеме извлечения информации.
Цели обработки сигналов
Главная цель обработки сигналов заключается в необходимости получения содержащейся в них
информации. Эта информация обычно присутствует в амплитуде сигнала (абсолютной или относительной),
в частоте или в спектральном составе, в фазе или в относительных временных зависимостях
нескольких сигналов.
Как только желаемая информация будет извлечена из сигнала, она может быть использована
различными способами. В некоторых случаях желательно переформатировать информацию, содержащуюся
в сигнале.
Что такое модуляция
Предположим, вы хотите транслировать свою музыку так, чтобы ее могли слышать люди из километров. Наивно, вы можете просто увеличить громкость. Однако звук исчезнет, если вы далеко не уедете, и люди, которые не хотят слышать вашу музыку, также будут вынуждены слушать!
Вместо этого подумайте о том, чтобы «преобразовать» вашу звуковую волну в электромагнитную и передавать музыку таким образом. Теперь люди, которые хотят слушать, могут использовать преобразователь для преобразования электромагнитных волн обратно в звук, и люди, которые не хотят слушать, не будут обеспокоены. Однако возникает проблема, когда другие люди также начинают транслировать свою музыку. Их электромагнитные волны будут мешать вашим, и ваши слушатели будут в конечном итоге смешивать звуки.
Так как радиостанции это делают? У каждого из них есть частота, и они передают свои сигналы, используя эту частоту. Человек, который хочет слушать определенную частоту, должен затем «настроиться» на эту частоту, используя свое собственное радио. Но сейчас есть другая проблема. Люди могут слышать звуки в широком диапазоне частот. Как радиостанции могут передавать все эти разные частоты, используя только одну частоту? Ответ: модуляция.
Волна с частотой радиостанции называется сигналом несущей радиостанции. Это просто синусоида без интересной информации. Информационный сигнал — это сигнал, содержащий данные, которые мы хотим передать (например, музыку в случае радиостанции). Радиостанция изменяет свойства своего несущего сигнала в зависимости от информационного сигнала, и этот процесс называется модуляцией. Модулированный сигнал транслируется, и радиостанции слушателей должны теперь демодулировать сигнал, чтобы извлечь звуковую информацию из принятого сигнала.
Аналоговый и цифровой сигналы — различия, преимущества и недостатки
Любой сигнал, аналоговый или цифровой — это электромагнитные колебания, которые распространяются с определенной частотой, в зависимости от того, какой сигнал передается, устройство, принимающее данный сигнал, переводит его в текстовую, графическую или звуковую информацию, удобную для восприятия пользователя или самого устройства. Для примера, телевизионный или радиосигнал, вышка или радиостанция может передавать и аналоговый и, на даный момент, цифровой сигнал. Приемное устройство, получая данный сигнал, преобразует его в изображение или звук, дополняя текстовой информацией (современные радиоприемники).
Звук передается в аналоговой форме и уже через приемное устройство преобразуется в электромагнитные колебания, а как уже говорилось, колебания распространяются с определенной частотой. Чем выше будет частота звука, тем выше будут колебания, а значит звук на выходе будет громче. Говоря общими словами, аналоговый сигнал распространяется непрерывно, цифровой сигнал — прерывисто (дискретно).
Так как аналоговый сигнал распространяется постоянно, то колебания суммируются и на выходе возникает несущая частота, которая в данном случае является основной и на нее осуществляется настройка приемника.
В самом приемнике происходит отделение данной частоты от других колебаний, которые уже преобразуются в звук.
К очевидным недостаткам передачи при помощи аналогового сигнала относятся — большое количество помех, невысокая безопасность передаваемого сигнала, а также большой объем передаваемой информации, часть из которой явлляется лишней.
Если говорить о цифровом сигнале, где данные передаются дискретно, стоит выделить его явные преимущества:
- высокий уровень защиты передаваемой информации за счет ее шифрования;
- легкость приема цифрового сигнала;
- отсутствие постороннего «шума»;
- цифровое вещание способно обеспечить огромное количество каналов;
- высокое качество передачи — цифровой сигнал обеспечивает фильтрацию принимаемых данных;
Для преобразования аналогового сигнала в цифровой и наоборот испльзуются специальные устройства — аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). АЦП устанавливается в передатчике, ЦАП установлен в приемнике и преобразует дискретный сигнал в аналоговый.
Что касается безопасности, почему цифровой сигнал является более защищенным, чем аналоговый. Цифровой сигнал передается в зашифрованном виде и устройство, которое принимает сигнал, должно иметь код для расшифровки сигнала.
Подведем итог, основное различие между аналоговым и цифровым сигналом заключается в структуре передаваемого сигнала. Аналоговые сигналы представляют из себя непрерывный поток колебаний с изменяющимися амплитудой и частотой. Цифровой сигнал представляет из себя дискретные колебания, значения которых зависят от передающей среды.
Преимущества и недостатки цифрового сигнала
Основным недостатком можно считать то, что сигнал в цифровом виде является промежуточной стадией и точность конечного аналогового сигнала будет зависеть от того, насколько подробно и точно будет описана координатами звуковая волна. Вполне логично, что чем больше будет точек и чем точнее будут координаты, тем более точной будет волна. Но до сих пор нет единого мнения, какое количество координат и точность данных является достаточным для того, что бы сказать, что цифровое представление сигнала достаточно для точного восстановления аналогового сигнала, неотличимого от оригинала нашими ушами.
Являются ли идеальными импульсные ЦАП?
Метафорически аналоговая инженерия похожа на то, что 10 акул могут прыгать через гигантский пылающий обруч, в то же время, в ярко освещенном театре. Проблемы сводятся к сложности, тестированию и измерению, а также к одновременному и последовательному выполнению.
Аналоговые инженеры тратят много времени на компоновку, заземление, фильтрацию и схему. Им нужно получить ответ 100 нс на шаг 1 мВ. Инженеры прошивки часто не так квалифицированы по этим аналоговым вопросам, как их аналоговые аналоги. Программистам необходимо работать с аналоговыми инженерами, чтобы помочь решить эти проблемы. Однако аналоговые инженеры часто не так комфортно относятся к этим вопросам
Ключ должен понять важность этих вопросов и быть готовым к совместной работе
На сегодняшний день считается вполне достаточным представление звуковой волны с частотой дискретизации 44,1 кГц и разрядности 16 бит. При частоте дискретизации 44,1 кГц можно восстановить сигнал с частотой до 22 кГц. Как показывают психоакустические исследования, дальнейшее повышение частоты дискретизации мало заметно, а вот повышение разрядности дает субъективное улучшение.
Представление контента: текст в сравнении с графикой
Аналоговую сложность лучше всего представить графически, тогда как прошивку лучше всего представить в текстовом виде. Для аналоговых инженеров основным инструментом является схематическая схема. Основным инструментом инженеров прошивки является письменная программа. В системе разница на кристаллах наиболее ясна. Для аналогового дизайнера схема показывает все это. Инженеры прошивки хотят, чтобы список сигналов показывал.
Функция сигнала Вход, выход, двунаправленный Для аналоговых сигналов, таких как масштабирование и пропускная способность. Эти факторы могут быть очевидны для дизайнера платы, но могут быть неясны для инженера прошивки. Большинство аналоговых инженеров считают, что блок-схемы являются лучшим способом представления программ. Хотя ранние программисты использовали блок-схемы, они неэффективны и требуют много времени и усилий. Они также приводят к плохим привычкам программирования. Блок-схемы приводят к коду, который часто вращается постоянно и становится очень запутанным — отсюда и термин «код спагетти».
Примеры сигналов
Сигналы в природе могут быть преобразованы в электронные сигналы с помощью различных датчиков . Примеры включают:
- Движение . Движение объекта можно рассматривать как сигнал, и его можно контролировать с помощью различных датчиков для получения электрических сигналов. Например, радар может подавать электромагнитный сигнал для отслеживания движения самолета. Сигнал движения является одномерным (время), а диапазон, как правило, трехмерным. Таким образом, позиция является 3-векторным сигналом; Положение и ориентация твердого тела — это 6-векторный сигнал. Сигналы ориентации можно генерировать с помощью гироскопа .
- Звук . Поскольку звук — это вибрация среды (например, воздуха), звуковой сигнал связываетзначение давления с каждым значением времени и, возможно, с тремя пространственными координатами, указывающими направление движения. Звуковой сигнал преобразуется микрофоном в электрический сигнал, генерируясигнал напряжения как аналог звукового сигнала. Звуковые сигналы могут быть записаны в дискретный набор моментов времени; например, компакт-диски (CD) содержат дискретные сигналы, представляющие звук, записанные со скоростью 44 100 выборок в секунду ; поскольку компакт-диски записываются в стерео , каждый отсчет содержит данные для левого и правого каналов, которые можно рассматривать как двухвекторный сигнал. Кодирование компакт-диска преобразуется в электрический сигнал путем считывания информации лазером , преобразовывая звуковой сигнал в оптический сигнал.
- Изображения . Картинка или изображение состоит из яркости или цветового сигнала в зависимости от двухмерного местоположения. Внешний вид объекта представлен как излучаемая или отраженная электромагнитная волна, одна из форм электронного сигнала. Его можно преобразовать в сигналы напряжения или тока с помощью таких устройств, как устройство с зарядовой связью . 2D-изображение может иметь непрерывную пространственную область, как в традиционной фотографии или живописи; или изображение может быть дискретизировано в пространстве, как в цифровом изображении с растровой разверткой . Цветные изображения обычно представлены как комбинация изображений в трех основных цветах , так что сигнал имеет векторную оценку с размерностью три.
- Видео . Видеосигнал — это последовательность изображений. Точка в видео идентифицируется по ее двумерному положению и времени, в которое она возникает, поэтому видеосигнал имеет трехмерную область. Аналоговое видео имеет одно непрерывное измерение области (поперек линии развертки ) и два дискретных измерения (кадр и линию).
- Биологические мембранные потенциалы . Значение сигнала — это электрический потенциал («напряжение»). Домен установить сложнее. Некоторые клетки или органеллы имеют одинаковый мембранный потенциал; нейроны обычно имеют разные потенциалы в разных точках. Эти сигналы имеют очень низкую энергию, но их достаточно для работы нервной системы; их можно измерить в совокупности методами электрофизиологии .
Другими примерами сигналов являются выход термопары , которая передает информацию о температуре, и выход pH-метра, который передает информацию о кислотности.
Выводы сайт
- Аналоговый сигнал непрерывен, цифровой — дискретен.
- При передаче аналогового сигнала выше риск забивания канала помехами.
- Аналоговый сигнал избыточен.
- Цифровой сигнал фильтрует помехи и восстанавливает исходные данные.
- Цифровой сигнал передается в зашифрованном виде.
- Несколько цифровых сигналов можно послать вместо одного аналогового.
Очень часто мы слышим такие определения, как «цифровой» или «дискретный» сигнал, в чем его отличие от «аналогового»?
Суть различия в том, что аналоговый сигнал непрерывный во времени (голубая линия), в то время как цифровой сигнал состоит из ограниченного набора координат (красные точки). Если все сводить к координатам, то любой отрезок аналогового сигнала состоит из бесконечного количества координат.
Цифровая модуляция — это новая форма радиосигнала. Аналоговое вещание представляет собой непрерывный поток электрических сигналов, которые со временем меняются по интенсивности. Из-за электрического заряда сигнала аналоговые передачи легко мешают штормы и другие естественные нарушения в атмосфере. Тем не менее, аналоговый сигнал обычно обеспечивает какой-то сигнал, передающий по меньшей мере часть отправляемой информации, даже с помехами.
Цифровое оборудование не посылает непрерывный сигнал. Цифровой сигнал, состоящий из математического кода, отправляется в сегменты блока. Когда цифровой сигнал встречает помехи, весь сигнал теряется из-за разделенных блоков цифрового сигнала. Однако, когда сигнал присутствует, его легче настраивать, чем аналоговый сигнал из-за математической точности трансляции.
У цифрового сигнала координаты по горизонтальной оси расположены через равные промежутки времени, в соответствии с частотой дискретизации. В распространенном формате Audio-CD это 44100 точек в секунду. По вертикали точность высоты координаты соответствует разрядности цифрового сигнала, для 8 бит это 256 уровней, для 16 бит = 65536 и для 24 бит = 16777216 уровней. Чем выше разрядность (количество уровней), тем ближе координаты по вертикали к исходной волне.
Радиостанции работают над преобразованием в цифровой сигнал. Когда сигнал сильный, звук становится четким и четким. Однако, если сигнал слабый, он, вероятно, полностью потеряется. Цифровые карманные радиосистемы борются за ретрансляцию качественного звука, потому что цифровая система не может отличить фоновый шум от звука голоса, что является проблемой для персонала неотложной помощи. В контролируемой среде, такой как радиостанция, звуковые звуковые звуковые сигналы обеспечивают превосходное качество звука.
Однако технология может быть не готова для всех приложений. Хотя большинство людей считают аналоговые радиосигналы «старыми», они по-прежнему обладают большими преимуществами по сравнению с цифровыми. Аналоговые радиостанции могут расширить диапазон сигналов, просто включив питание, если это необходимо. Аналоговый радиосигнал также может выдавать истинный голос, поэтому громкоговоритель с громким фоновым шумом может быть услышан и понят.
Аналоговыми источниками являются: винил и аудиокассеты. Цифровыми источниками являются: CD-Audio, DVD-Audio, SA-CD (DSD) и файлы в WAVE и DSD форматах (включая производные APE, Flac, Mp3, Ogg и т.п.).
