Цифров и аналогов сигнал. Разлика между аналогов и цифров сигнал

При работа с телевизионно и радиоразпръскване, както и модерни възгледивръзки, много често се срещат термини като напр « аналогов сигнал» и "цифров сигнал". За специалистите в тези думи няма никаква мистерия, но за невежите разликата между „цифров” и „аналогов” може да е напълно непозната. И все пак има много съществена разлика.

Когато говорим за сигнал, обикновено имаме предвид електромагнитни трептения, които индуцират ЕМП и причиняват флуктуации на тока в антената на приемника. Въз основа на тези вибрации приемащото устройство - телевизор, радио, уоки-токи или мобилен телефон - създава „идея“ какво изображение да се покаже на екрана (ако има видео сигнал) и какви звуци да придружават това видео сигнал.

Във всеки случай сигналът на радиостанция или мобилна комуникационна кула може да се появи както в цифрова, така и в аналогова форма. В крайна сметка, например, самият звук е аналогов сигнал. В радиостанцията звукът, възприет от микрофона, се преобразува във вече споменатите електромагнитни трептения. Колкото по-висока е честотата на звука, толкова по-висока е честотата на трептене на изхода и колкото по-високо говори високоговорителят, толкова по-голяма е амплитудата.

Получените електромагнитни трептения или вълни се разпространяват в пространството с помощта на предавателна антена. За да не се запушва въздухът с нискочестотни смущения и за да могат различните радиостанции да работят паралелно, без да си пречат, вибрациите, произтичащи от въздействието на звука, се сумират, т.е. те са „ насложени” върху други вибрации, които имат постоянна честота. Последната честота обикновено се нарича "носеща" и именно по нейното възприятие ние настройваме нашия радиоприемник, за да "хванем" аналоговия сигнал на радиостанцията.

В приемника се случва обратният процес: носещата честота се отделя и електромагнитните трептения, получени от антената, се преобразуват в звукови трептения и от високоговорителя се чува познатият глас на диктора.

В процес на прехвърляне звуков сигналвсичко може да се случи от радиото до приемника. Може да възникнат смущения от трети страни, честотата и амплитудата може да се променят, което, разбира се, ще се отрази в звуците, излъчвани от радиото. И накрая, както самите предавател, така и приемник въвеждат известна грешка по време на преобразуването на сигнала. Следователно звукът, възпроизвеждан от аналогово радио, винаги има известно изкривяване. Гласът може да се възпроизведе перфектно, въпреки промените, но ще има съскане или дори някакво хриптене, причинено от смущения във фонов режим. Колкото по-малко уверено е приемането, толкова по-силни и отчетливи ще бъдат тези външни шумови ефекти.

Освен това наземният аналогов сигнал има много слаба степен на защита срещу неоторизиран достъп. За обществените радиостанции това, разбира се, няма значение. Но докато използвате първия мобилни телефониимаше един неприятен момент, свързан с факта, че почти всяко външно радио може лесно да бъде настроено на правилната вълна, за да подслушва вашия телефонен разговор.

Аналогът има такива недостатъци. излъчване. Заради тях например телевизията обещава да стане напълно дигитална за сравнително кратко време.

Цифровите комуникации и излъчване се считат за по-устойчиви на смущения и външни влияния. Работата е там, че при използване на "цифрите" аналоговият сигнал от микрофона на предавателната станция се криптира в цифров код. Не, разбира се, потокът от фигури и числа не се разпространява в околното пространство. Просто на звука с определена честота и обем се присвоява код от радиоимпулси. Продължителността и честотата на импулсите се задават предварително - тя е еднаква както за предавателя, така и за приемника. Наличието на пулс отговаря на единица, липсата на нула. Следователно такава връзка се нарича "цифрова".

Нарича се устройство, което преобразува аналогов сигнал в цифров код аналогово-цифров преобразувател (ADC). И устройство, инсталирано в приемника, което преобразува кода в аналогов сигнал, съответстващ на гласа на вашия приятел в високоговорителя мобилен телефон GSM стандартът се нарича "цифрово-аналогов преобразувател" (DAC).

По време на предаването на цифров сигнал грешките и изкривяванията са практически изключени. Ако импулсът стане малко по-силен, по-дълъг или обратното, тогава той все още ще бъде разпознат от системата като единица. И нулата ще си остане нула, дори ако е някаква случайна слаб сигнал. За ADC и DAC няма други стойности освен 0,2 или 0,9 - само нула и едно. Следователно смущенията върху цифровите комуникации и излъчването нямат почти никакъв ефект.

Освен това „цифрата“ също е по-защитена от неоторизиран достъп. Наистина, за да може DAC на устройството да дешифрира сигнала, е необходимо той да „познае“ кода за декриптиране. ADC, заедно със сигнала, може да предава и цифровия адрес на устройството, избрано като приемник. Така дори радиосигналът да бъде прихванат, той не може да бъде разпознат поради липсата на поне част от кода. Това важи особено за мобилните клетъчни комуникации.

И така, тук разлики между цифрови и аналогови сигнали:

1) Аналоговият сигнал може да бъде изкривен от смущения, а цифровият сигнал може или да бъде напълно заглушен от смущения, или да дойде без изкривяване. Цифровият сигнал е или точно там, или напълно липсва (нула или единица).

2) Аналоговият сигнал е достъпен за възприемане от всички устройства, работещи на същия принцип като предавателя. Цифровият сигнал е сигурно кодиран и трудно се прихваща, ако не е предназначен за вас.

Аналоговият сигнал е сигнал за данни, в който всеки от представящите параметри е описан от функция на времето и непрекъснат набор от възможни стойности.

Има две пространства от сигнали - пространство L (непрекъснати сигнали), и пространство l (L малък) - пространство от последователности. Пространството l (L е малко) е пространството на коефициентите на Фурие (изброим набор от числа, определящи непрекъсната функция на краен интервал от областта на дефиниране), пространството L е пространството на непрекъснатите (аналогови) сигнали в домейна на определение. При определени условия пространството L се преобразува еднозначно в пространството l (например първите две дискретизационни теореми на Котелников).

Аналоговите сигнали се описват чрез непрекъснати функции на времето, поради което аналоговият сигнал понякога се нарича непрекъснат сигнал. Аналоговите сигнали се противопоставят на дискретните (квантувани, цифрови). Примери за непрекъснати пространства и съответните физични величини:

директно: електрическо напрежение

обиколка: позиция на ротор, колело, зъбно колело, стрелки на аналогов часовник или фаза на носещ сигнал

сегмент: позицията на бутало, контролен лост, течен термометър или електрически сигнал, ограничен по амплитуда различни многоизмерни пространства: цвят, квадратурно модулиран сигнал.

Свойствата на аналоговите сигнали са до голяма степен противоположни на тези на квантуваните или цифровите сигнали.

Липсата на дискретни нива на сигнала, които са ясно различими едно от друго, прави невъзможно прилагането на концепцията за информация към нейното описание във формата, в която се разбира в цифровите технологии. „Количеството информация“, съдържащо се в едно отчитане, ще бъде ограничено само от динамичния обхват на измервателния уред.

Без излишък. От непрекъснатостта на стойностното пространство следва, че всяка интерференция, въведена в сигнала, е неразличима от самия сигнал и следователно оригиналната амплитуда не може да бъде възстановена. Всъщност филтрирането е възможно, например, чрез честотни методи, ако е известна допълнителна информация за свойствата на този сигнал (по-специално честотната лента).

Приложение:

Аналоговите сигнали често се използват за представяне на непрекъснато променящи се физически величини. Например, аналогов електрически сигнал, взет от термодвойка, носи информация за промяна в температурата, сигнал от микрофон за бързи промени в налягането в звукова вълна и т.н.

2.2 Цифров сигнал

Цифровият сигнал е сигнал за данни, в който всеки от представящите параметри е описан от функция на дискретно време и краен набор от възможни стойности.

Сигналите са дискретни електрически или светлинни импулси. При този метод целият капацитет на комуникационния канал се използва за предаване на един сигнал. Цифровият сигнал използва цялата честотна лента на кабела. Ширината на честотната лента е разликата между максималната и минималната честота, която може да се предава по кабел. Всяко устройство в такива мрежи изпраща данни в двете посоки, а някои могат едновременно да приемат и предават. Теснолентовите системи (бейсбенд) предават данни под формата на едночестотен цифров сигнал.

Дискретният цифров сигнал е по-труден за предаване на големи разстояния от аналоговия сигнал, така че той е предварително модулиран от страната на предавателя и демодулиран от страната на приемника на информация. Използването на алгоритми за проверка и възстановяване на цифрова информация в цифровите системи може значително да повиши надеждността на предаването на информация.

Коментирайте. Трябва да се има предвид, че истинският цифров сигнал по своята физическа природа е аналогов. Поради шума и промените в параметрите на предавателните линии, той има колебания в амплитудата, фазата / честотата (трептене), поляризацията. Но този аналогов сигнал (импулсен и дискретен) е надарен със свойствата на число. В резултат на това става възможно използването на числени методи за неговата обработка (компютърна обработка).

директно: електрическо напрежение

обиколка: позиция на ротор, колело, зъбно колело, стрелки на аналогов часовник или фаза на носещ сигнал

Приложение:

2.2 Цифров сигнал

Изобщо не е необходимо обикновеният потребител да знае какво е естеството на сигналите. Но понякога трябва да знаете разликата между аналогови и цифрови форматиза да подходим с отворени очи към избора на един или друг вариант, защото днес се говори, че времето на аналоговите технологии е отминало, те се заменят с цифрови. Трябва да разберете разликата, за да знаете какво оставяме и какво да очакваме.

Аналогов сигнал- това е непрекъснат сигнал, имащ безкраен брой данни, близки по стойност в рамките на максимума, всички параметри на който се описват от времезависима променлива.

Цифров сигнал- това е отделен сигнал, описан от отделна функция на времето, съответно във всеки момент от време големината на амплитудата на сигнала има строго определена стойност.

Практиката показва, че при аналогови сигнали са възможни смущения, които се елиминират с цифров сигнал. В допълнение, digital може да възстанови оригиналните данни. При непрекъснат аналогов сигнал преминава много информация, често излишна. Вместо един аналогов, могат да се предават няколко цифрови.

Днес потребителят се интересува от въпроса за телевизията, тъй като именно в този контекст по-често се произнася фразата „преход към цифров сигнал“. В този случай аналогът може да се счита за реликва от миналото, но именно него приема съществуващата технология и е необходима специална за получаване на цифрово. Разбира се, във връзка с появата и разширяването на използването на "числа", те губят предишната си популярност.

Предимства и недостатъци на видовете сигнали

Сигурността играе важна роля при оценката на параметрите на конкретен сигнал. Различен характер на влияние, чужди прониквания правят аналоговия сигнал беззащитен. При цифровото това е изключено, тъй като е кодирано от радиоимпулси. За дълги разстояния предаването на цифрови сигнали е сложно, необходимо е да се използват схеми за модулация-демодулация.

Обобщавайки, можем да кажем това разлика между аналогов и цифров сигналсе състои от:

В непрекъснатостта на аналоговия и дискретността на цифровия;
По-вероятно е да възпрепятства аналоговото предаване;
В излишъка на аналоговия сигнал;
В способността на цифровите да филтрират смущенията и да възстановяват оригиналната информация;
При предаване на цифров сигнал в кодирана форма. Един аналогов сигнал се заменя с няколко цифрови.

Много често чуваме такива определения като "цифров" или "дискретен" сигнал, каква е разликата му от "аналогов"?

Същността на разликата е, че аналоговият сигнал е непрекъснат във времето (синя линия), докато цифровият сигнал се състои от ограничен набор от координати (червени точки). Ако всичко се сведе до координати, тогава всеки сегмент от аналогов сигнал се състои от безкраен брой координати.

За цифров сигнал координатите по хоризонталната ос са разположени на равни интервали, в съответствие с честотата на дискретизация. В общия аудио-CD формат това е 44100 точки в секунда. Вертикално, точността на височината на координатата съответства на битовата дълбочина на цифровия сигнал, за 8 бита е 256 нива, за 16 бита = 65536 и за 24 бита = 16777216 нива. Колкото по-голяма е битовата дълбочина (броят нива), толкова по-близо са вертикалните координати до оригиналната вълна.

Аналогови източници са: винил и аудио касети. Цифровите източници са: CD-Audio, DVD-Audio, SA-CD (DSD) и файлове във формати WAVE и DSD (включително производни на APE, Flac, Mp3, Ogg и др.).

Предимства и недостатъци на аналоговия сигнал

Предимството на аналоговия сигнал е, че ние възприемаме звука с ушите си в аналогова форма. И въпреки че нашата слухова система преобразува възприемания звуков поток в цифрова форма и го предава на мозъка в тази форма, науката и технологиите все още не са достигнали възможността за свързване на играчи и други звукови източници директно в тази форма. Подобни изследвания сега се провеждат активно за хора с увреждания и ние се наслаждаваме изключително на аналогов звук.

Недостатъкът на аналоговия сигнал е възможността за съхраняване, предаване и възпроизвеждане на сигнала. Когато записвате на лента или винил, качеството на сигнала ще зависи от свойствата на лентата или винила. С течение на времето лентата се демагнетизира и качеството на записания сигнал се влошава. Всяко четене постепенно разрушава носителя, а презаписването внася допълнително изкривяване, при което се добавят допълнителни отклонения от следващия носител (лента или винил), устройствата за четене, запис и предаване на сигнал.

Да направите копие на аналогов сигнал е като да направите снимка на снимка, за да я копирате отново.

Предимства и недостатъци на цифровия сигнал

Предимствата на цифровия сигнал включват точността при копиране и предаване на аудио потока, при което оригиналът не се различава от копието.

Основният недостатък може да се счита, че сигналът в цифрова форма е междинен етап и точността на крайния аналогов сигнал ще зависи от това колко подробно и точно звуковата вълна ще бъде описана от координатите. Съвсем логично е, че колкото повече точки има и колкото по-точни са координатите, толкова по-точна ще бъде вълната. Но все още няма консенсус относно това колко координати и точност на данните са достатъчни, за да се каже, че цифровото представяне на сигнала е достатъчно, за да възстанови точно аналоговия сигнал, неразличим от оригинала от нашите уши.

По отношение на обемите данни, капацитетът на конвенционалната аналогова аудио касета е само около 700-1,1 MB, докато конвенционалният CD съдържа 700 MB. Това дава представа за необходимостта от носители голям капацитет. И това поражда отделна война на компромиси с различни изисквания за броя на описващите точки и за точността на координатите.

Към днешна дата се счита за напълно достатъчно да се представи звукова вълна с честота на дискретизация 44,1 kHz и битова дълбочина 16 бита. С честота на дискретизация от 44,1 kHz може да се възстанови сигнал до 22 kHz. Както показват психоакустичните изследвания, по-нататъшното увеличение на честотата на дискретизация е едва забележимо, но увеличаването на битовата дълбочина дава субективно подобрение.

Как DAC изграждат вълна

DAC е цифрово-аналогов преобразувател, елемент, който преобразува цифров звук в аналогов. Ще разгледаме повърхностно основните принципи. Ако коментарите показват интерес към разглеждането на редица точки по-подробно, ще бъде пуснат отделен материал.

Многобитови ЦАП

Много често вълната се представя като стъпала, което се дължи на архитектурата на първото поколение многобитови DAC R-2R, които работят подобно на превключвател от реле.

Входът DAC получава стойността на следващата вертикална координата и във всеки цикъл превключва нивото на тока (напрежението) към съответното ниво до следващата промяна.

Въпреки че се смята, че човешкото ухо не чува по-високи от 20 kHz и според теорията на Найкуист е възможно да се възстанови сигнал до 22 kHz, остава въпросът за качеството на този сигнал след възстановяването. Във високочестотната област формата на получената "стъпаловидна" вълна обикновено е далеч от оригинала. Най-лесният изход от ситуацията е да се увеличи честотата на дискретизация при запис, но това води до значително и нежелано увеличение на размера на файла.

Алтернативен вариант е изкуствено увеличаване на честотата на дискретизация при възпроизвеждане в DAC чрез добавяне на междинни стойности. Тези. представяме си непрекъснат вълнов път (сива пунктирана линия), плавно свързващ оригиналните координати (червени точки) и добавящ междинни точки на тази линия (тъмно лилаво).

Тъй като честотата на вземане на проби се увеличава, обикновено е необходимо да се увеличи и битовата дълбочина, така че координатите да са по-близо до апроксимираната вълна.

Благодарение на междинните координати е възможно да се намалят "стъпките" и да се изгради вълна, по-близо до оригинала.

Когато видите функция за усилване от 44,1 до 192 kHz в плейър или външен DAC, това е функция за добавяне на междинни координати, а не за възстановяване или създаване на звук над 20 kHz.

Първоначално това бяха отделни SRC микросхеми преди DAC, които след това мигрираха директно към самите DAC микросхеми. Днес можете да намерите решения, при които такава микросхема се добавя към съвременните DAC, това се прави, за да се осигури алтернатива на вградените алгоритми в DAC и понякога да получите дори повече най-добър звук(както например се прави в Hidizs AP100).

Основното отхвърляне на многобитовите DAC в индустрията се дължи на невъзможността за по-нататъшно технологично развитие на показателите за качество с настоящите производствени технологии и по-високата цена срещу „превключване“ на DAC със сравними характеристики. Въпреки това в Hi-End продуктите често се предпочитат старите многобитови ЦАП, а не новите решения с технически по-добри характеристики.

Превключване на ЦАП

В края на 70-те години стана широко разпространена алтернативна версия на DAC, базирана на "импулсната" архитектура - "делта-сигма". Импулсната DAC технология направи възможна появата на ултра-бързи превключватели и позволи използването на висока носеща честота.

Амплитудата на сигнала е средната стойност на амплитудите на импулсите (зеленото показва импулси с еднаква амплитуда, а бялото е крайната звукова вълна).

Например, последователност от осем цикъла от пет импулса ще даде средна амплитуда от (1+1+1+0+0+1+1+0)/8=0,625. Колкото по-висока е носещата честота, толкова повече импулси попадат под изглаждане и се получава по-точна стойност на амплитудата. Това направи възможно представянето на звуковия поток в еднобитова форма с широк динамичен диапазон.

Осредняването може да се извърши с конвенционален аналогов филтър и ако такъв набор от импулси се приложи директно към високоговорителя, тогава ще получим звук на изхода и ултра високите честоти няма да бъдат възпроизведени поради голямата инерция на излъчвателя. ШИМ усилвателите в клас D работят на този принцип, където енергийната плътност на импулсите се създава не от техния брой, а от продължителността на всеки импулс (което е по-лесно за изпълнение, но не може да се опише с прост двоичен код).

Многобитовият DAC може да се разглежда като принтер, способен да прилага цветове на Pantone. Delta-Sigma е мастиленоструен принтер с ограничена гама от цветове, но поради възможността за нанасяне на много малки точки (в сравнение с еленовия принтер), поради различната плътност на точките на единица повърхност, произвежда повече нюанси.

В изображението обикновено не виждаме отделни точки поради ниската разделителна способност на окото, а само средния тон. По същия начин ухото не чува импулси отделно.

В крайна сметка, с настоящите технологии в импулсните DAC, можете да получите вълна, близка до тази, която теоретично трябва да бъде получена чрез приближаване на междинни координати.

Трябва да се отбележи, че след появата на делта-сигма DAC, уместността на рисуването на „цифрова вълна“ със стъпки изчезна, защото. така че съвременните DAC-ове не изграждат вълна със стъпки. Правилно дискретен сигнал се изгражда с точки, свързани с гладка линия.

Идеални ли са смяната на ЦАП?

Но на практика не всичко е розово и има редица проблеми и ограничения.

защото Тъй като по-голямата част от записите се съхраняват в многобитов сигнал, преобразуването в импулсен сигнал на база бит към бит изисква ненужно висока носеща честота, която съвременните ЦАП не поддържат.

Главна функциясъвременните импулсни ЦАП е преобразуването на многобитов сигнал в еднобитов сигнал с относително ниска носеща честота с децимация на данните. По принцип именно тези алгоритми определят крайното качество на звука на импулсните DAC.

За да се намали проблемът с високата носеща честота, аудиопотокът се разделя на няколко еднобитови потока, където всеки поток отговаря за своята битова група, която е еквивалентна на кратно на носещата честота от броя на потоците. Такива DAC се наричат многобитови делта-сигма.

Днес превключващите DAC са придобили нов живот във високоскоростните интегрални схеми с общо предназначение от NAD и Chord поради способността за гъвкаво програмиране на алгоритми за преобразуване.

DSD формат

След широкото използване на делта-сигма DAC, беше съвсем логично форматът на двоичния код да се появи директно в делта-сигма кодирането. Този формат се нарича DSD (Direct Stream Digital).

Форматът не беше широко използван поради няколко причини. Редактирането на файлове в този формат се оказа ненужно ограничено: не можете да смесвате потоци, да регулирате силата на звука и да прилагате еквалайзер. Това означава, че без загуба на качество можете да архивирате само аналогови записи и да създавате запис с два микрофона на изпълнения на живо без допълнителна обработка. С една дума, не можете наистина да правите пари.

В борбата срещу пиратството дисковете SA-CD не бяха (и все още не се поддържат) от компютри, което прави невъзможно да се правят копия от тях. Няма копия - няма широка публика. Беше възможно да се възпроизвежда DSD аудио съдържание само от отделен SA-CD плейър от патентован диск. Ако за формата PCM има стандарт SPDIF за пренос на цифрови данни от източник към отделен ЦАП, то за формата DSD няма стандарт и първите пиратски копия на SA-CD дискове са дигитализирани от аналоговите изходи на SA- CD плейъри (въпреки че ситуацията изглежда глупава, но в действителност някои записи са издадени само на SA-CD или същият запис на Audio-CD е умишлено направен с лошо качество, за да се рекламира SA-CD).

Повратната точка настъпи с пускането на игровите конзоли SONY, където SA-CD дискът беше автоматично копиран на твърдия диск на конзолата преди възпроизвеждане. Феновете на DSD формата се възползваха от това. Появата на пиратски записи стимулира пазара за пускане на отделни ЦАП за възпроизвеждане на DSD потоци. Повечето DSD-активирани външни ЦАП днес поддържат USB трансфер на данни, използвайки DoP формат като отделен цифров сигнал, кодиран през SPDIF.

Носещите честоти за DSD са сравнително малки, 2,8 и 5,6 MHz, но този аудио поток не изисква преобразуване на децимация на данни и е доста конкурентен на формати с висока разделителна способност като DVD-Audio.

Няма ясен отговор на въпроса кое е по-добро, DSP или PCM. Всичко зависи от качеството на изпълнение на конкретен DAC и таланта на звуковия инженер при запис на крайния файл.

Общо заключение

Аналоговият звук е това, което чуваме и възприемаме като света около нас с очите си. Цифровият звук е набор от координати, които описват звукова вълна и които не можем да чуем директно, без да ги преобразуваме в аналогов сигнал.

Аналогов сигнал, записан директно върху аудиокасета или винил, не може да бъде дублиран без загуба на качество, докато вълна в цифрово представяне може да бъде копирана малко по малко.

Цифровите формати на запис са постоянен компромис между степента на точност на координатите спрямо размера на файла и всеки цифров сигнал е само приближение на оригиналния аналогов сигнал. Въпреки това, различните нива на технология за записване и възпроизвеждане на цифров сигнал и съхранение на носител за аналогов сигнал дават повече предимства на цифровото представяне на сигнала, подобно на цифров фотоапарат спрямо филмов фотоапарат.