Понятие стыка цифровых АТС

ЦСК должна обеспечивать интерфейс (стык) с аналоговыми и цифровыми абонентскими линиями (АЛ) и системами передачи.

Стыком называется граница между двумя функциональными блоками, которая задается функциональными характеристиками, общими характеристиками физического соединения, характеристиками сигналов и другими характеристиками в зависимости от специфики.

Стык обеспечивает одноразовое определение параметров соединения между двумя уст­ройствами. Эти параметры относятся к типу, количеству и функциям соединительных цепей, а также к типу, форме и последовательности сигналов, которые передаются по этим цепям.

Точное определение типов, количества, формы и последовательности соединений и взаимосвязи между двумя функциональными блоками на стыке между ними задается спе­цификацией стыка.

Стыки цифровой АТС можно разделить на следующие

Аналоговый абонентский стык;

Цифровой абонентский стык;

Абонентский стык ISDN;

Сетевые (цифровые и аналоговые) стыки.

Кольцевые соединители

Кольцевые структуры находят применение в целом ряде областей связи. Прежде всего это кольцевые системы передачи с временным группообразованием, которые по существу имеют конфигурацию последовательно соединенных однонаправленных линий, образую­щих замкнутую цепь или кольцо. При этом в каждом узле сети реализуются две основные функции:

1) каждый узел работает как регенератор, чтобы восстановить входящий цифровой сиг­нал и передать его заново;

в узлах сети опознается структура цикла временного группообразования и осуществ­ляется связь по кольцу посредством

2) удаления и ввода цифрового сигнала в определенных канальных интервалах, приписанных к каждому узлу.

Возможность перераспределения канальных интервалов между произвольными парами узлов в кольцевой системе с временным группообразованием означает, что кольцо является распределенной системой передачи и коммутации. Идея одновременности передачи и ком­мутации в кольцевых структурах была распространена на цифровые коммутационные поля.

В такой схеме с помощью единственного канала между любыми двумя узлами может быть установлено дуплексное соединение. В этом смысле кольцевая схема выполняет про­странственно-временное преобразование координат сигнала и может быть рассмотрена как один из вариантов построения S/T-ступени.

Аналоговый, дискретный, цифровой сигналы

В системах электросвязи информация передается с помощью сигналов. Международный союз электросвязи дает следующее определение сигнала:

Сигналом систем электросвязи называется совокупность электромагнитных волн, ко­торая распространяется по одностороннему каналу передачи и предназначена для воздей­ствия на приемное устройство.

1) аналоговый сигнал - сигнал у которого каждый представляющий параметр задается функцией непрерывного времени с непрерывным множеством возможных значений

2) дискретный по уровню сигнал - сигнал, у которого значения представляющих пара­метров задается функцией непрерывного времени с конечным множеством возможных зна­чений. Процесс дискретизации сигнала по уровню носит название квантования;

3) дискретный по времени сигнал - сигнал, у которого каждый представляющий пара­метр задается функцией дискретного времени с непрерывным множеством возможных зна­чений

4) цифровой сигнал - сигнал, у которого значения представляющих параметров задается функцией дискретного времени с конечным множеством возможных значений

Модуляция - это преобразование одного сигнала в другой путем изменения па­раметров сигнала-переносчика в соответствии с преобразуемым сигналом. В качестве сиг­нала-переносчика используют гармонические сигналы, периодические последовательности импульсов и т.д.

Например, при передаче по линии цифрового сигнала двоичным кодом может появиться постоянная составляющая сигнала за счет преобладания единиц во всех кодовых словах.

Отсутствие же постоянной составляющей в линии позволяет использовать согласующие трансформаторы в линейных устройствах, а также обеспечить дистанционное питание реге­нераторов постоянным током. Чтобы избавиться от нежелательной постоянной составляющей цифрового сигнала, перед посылкой в линию двоичные сигналы преобразуются с помощью специальных кодов. Для первичной цифровой системы передачи (ЦСП) принят код HDB3.

Кодирование двоичного сигнала в модифицированный квазитроичный сигнал с ис­пользованием кода HDB3 производится по следующим правилам (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Двоичный и соответствующий ему HDB3 коды

Импульсно-кодовая модуляция

Преобразование непрерывного первичного аналогового сигнала в цифровой код называется импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ). Основными операциями при ИКМ являются операции дискретизации по времени, квантова­ния (дискретизации по уровню дискретного по времени сигнала) и кодирования.

Дискретизацией аналогового сигнала по времени называется преобразование, при кото­ром представляющий параметр аналогового сигнала задается совокупностью его значений в дискретные моменты времени, или, другими словами, при котором из непрерывного анало­гового сигнала c(t) (рис. 1.6, а) получают выборочные значения с„ (рис. 1.6, б). Значения представляющего параметра сигнала, полученные в результате операции дискретизации по времени, называются отсчетами.

Наибольшее распространение получили цифровые системы передачи, в которых при­меняется равномерная дискретизация аналогового сигнала (отсчеты этого сигнала произво­дятся через одинаковые интервалы времени). При равномерной дискретизации используют­ся понятия: интервал дискретизации At (интервал времени между двумя соседними отсче­тами дискретного сигнала) и частота дискретизации Fd (величина, обратная интервалу дискретизации). Величина интервала дискретизации выбирается в соответствии с теоремой Котельникова.

Согласно теореме Котельникова, аналоговый сиг­нал с ограниченным спектром и бесконечным интерва­лом наблюдения можно без ошибок восстановить из дискретного сигнала, полученного дискретизацией ис­ходного аналогового сигнала, если частота дискретиза­ции в два раза больше максимальной частоты спектра аналогового сигнала:

Теорема Котельникова

Теоре́ма Коте́льникова (в англоязычной литературе - теорема Найквиста-Шеннона) гласит, что, если аналоговый сигнал x(t) имеет ограниченный спектр, то он может быть восстановлен однозначно и без потерь по своим дискретным отсчѐтам, взятым с частотой более удвоенной максимальной частоты спектра Fmax.

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.

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.

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.).

Преимущества и недостатки аналогового сигнала

Преимуществом аналогового сигнала является то, что именно в аналоговом виде мы воспринимаем звук своими ушами. И хотя наша слуховая система переводит воспринимаемый звуковой поток в цифровой вид и передает в таком виде в мозг, наука и техника пока не дошла до возможности именно в таком виде подключать плееры и другие источники звука напрямик. Подобные исследования сейчас активно ведутся для людей с ограниченными возможностями, а мы наслаждаемся исключительно аналоговым звуком.

Недостатком аналогового сигнала являются возможности по хранению, передаче и тиражированию сигнала. При записи на магнитную ленту или винил, качество сигнала будет зависеть от свойств ленты или винила. Со временем лента размагничивается и качество записанного сигнала ухудшается. Каждое считывание постепенно разрушает носитель, а перезапись вносит дополнительные искажения, где дополнительные отклонения добавляет следующий носитель (лента или винил), устройства считывания, записи и передачи сигнала.

Делать копию аналогового сигнала, это все равно, что для копирования фотографии ее еще раз сфотографировать.

Преимущества и недостатки цифрового сигнала

К преимуществам цифрового сигнала относится точность при копировании и передачи звукового потока, где оригинал ничем не отличается от копии.

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.

Если оперировать объемами данных, то вместимость обычной аналоговой аудиокассеты составляет всего около 700-1,1 Мб, в то время как обычный компакт диск вмещает 700 Мб. Это дает представление о необходимости носителей большой емкости. И это рождает отдельную войну компромиссов с разными требованиями по количеству описывающих точек и по точности координат.

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.

Как ЦАП строят волну

ЦАП – это цифро-аналоговый преобразователь, элемент, переводящий цифровой звук в аналоговый. Мы рассмотрим поверхностно основные принципы. Если по комментариям будет виден интерес более подробно рассмотреть ряд моментов, то будет выпущен отдельный материал.

Мультибитные ЦАП

Очень часто волну представляют в виде ступенек, что обусловлено архитектурой первого поколения мультибитных ЦАП R-2R, работающих аналогично переключателю из реле.

На вход ЦАП поступает значение очередной координаты по вертикали и в каждый свой такт он переключает уровень тока (напряжения) на соответствующий уровень до следующего изменения.

Хотя считается, что ухо человека слышит не выше 20 кГц, и по теории Найквиста можно восстановить сигнал до 22 кГц, остается вопрос качества этого сигнала после восстановления. В области высоких частот форма полученной «ступенчатой» волны обычно далека от оригинальной. Самый простой выход из ситуации – это увеличивать частоту дискретизации при записи, но это приводит к существенному и нежелательному росту объема файла.

Альтернативный вариант – искусственно увеличить частоту дискретизации при воспроизведении в ЦАП, добавляя промежуточные значения. Т.е. мы представляем путь непрерывной волны (серая пунктирная линия), плавно соединяющий исходные координаты (красные точки) и добавляем промежуточные точки на этой линии (темно фиолетовые).

При увеличении частоты дискретизации обычно необходимо повышать и разрядность, чтобы координаты были ближе к аппроксимированной волне.

Благодаря промежуточным координатам удается уменьшить «ступеньки» и построить волну ближе к оригиналу.

Когда вы видите функцию повышения частоты с 44.1 до 192 кГц в плеере или внешнем ЦАП, то это функция добавления промежуточных координат, а не восстановления или создание звука в области выше 20 кГц.

Изначально это были отдельные SRC микросхемы до ЦАП, которые потом перекочевали непосредственно в сами микросхемы ЦАП. Сегодня можно встретить решения, где к современным ЦАП добавляется такая микросхема, это сделано для того, чтобы обеспечить альтернативу встроенным алгоритмам в ЦАП и порой получить еще более лучший звук (как например это сделано в Hidizs AP100).

Основной отказ в индустрии от мультибитных ЦАП произошел из-за невозможности дальнейшего технологического развития качественных показателей при текущих технологиях производства и более высокой стоимости против «импульсных» ЦАП-ов с сопоставимыми характеристиками. Тем не менее, в Hi-End продуктах предпочтение отдают зачастую старым мультибитным ЦАП-ам, нежели новым решениям с технически более хорошими характеристиками.

Импульсные ЦАП

В конце 70-тых широкое распространение получил альтернативный вариант ЦАП-ов, основанный на «импульсной» архитектуре – «дельта-сигма». Технология импульсных ЦАП-ов стала возможной появлению сверх-быстрых ключей и позволила использовать высокую несущую частоту.

Амплитуда сигнала является средним значением амплитуд импульсов (зеленым показаны импульсы равной амплитуды, а белым итоговая звуковая волна).

Например последовательность в восемь тактов пяти импульсов даст усредненную амплитуду (1+1+1+0+0+1+1+0)/8=0,625. Чем выше несущая частота, тем больше импульсов попадает под сглаживание и получается более точное значение амплитуды. Это позволило представить звуковой поток в однобитном виде с широким динамическим диапазоном.

Усреднение возможно делать обычным аналоговым фильтром и если такой набор импульсов подать напрямую на динамик, то на выходе мы получим звук, а ультра высокие частоты не будут воспроизведены из-за большой инертности излучателя. По этому принципу работают ШИМ усилители в классе D, где плотность энергии импульсов создается не их количеством, а длительностью каждого импульса (что проще в реализации, но невозможно описать простым двоичным кодом).

Мультибитный ЦАП можно представить как принтер, способный наносить цвет пантоновыми красками. Дельта-Сигма – это струйный принтер с ограниченным набором цветов, но благодаря возможности нанесению очень мелких точек (в сравнении с пантовым принтером), за счет разной плотности точек на единицу поверхности дает больше оттенков.

На изображении мы обычно не видим отдельных точек из-за низкой разрешающей способности глаза, а только средний тон. Аналогично и ухо не слышит импульсов по отдельности.

В конечном итоге при текущих технологиях в импульсных ЦАП можно получить волну, близкую к той, что теоретически должна получится при аппроксимации промежуточных координат.

Надо отметить, что после появления дельта-сигма ЦАП исчезла актуальность рисовать «цифровую волну» ступеньками, т.к. так ступеньками волну современные ЦАП не строят. Правильно дискретный сигнал строить точками соединенной плавной линией.

Являются ли идеальными импульсные ЦАП?

Но на практике не все безоблачно, и существует ряд проблем и ограничений.

Т.к. подавляющее количество записей сохранено в многоразрядном сигнале, то перевод в импульсный сигнал по принципу «бит в бит» требует излишне высокую несущую частоту, которую современные ЦАП не поддерживают.

Основной функцией современных импульсных ЦАП является перевод многоразрядного сигнала в однобитный с относительно невысокой несущей частотой с прореживанием данных. В основном именно эти алгоритмы и определяют конечное качество звучания импульсных ЦАП-ов.

Чтобы уменьшить проблему высокой несущей частоты, звуковой поток разбивается на несколько однобитных потоков, где каждый поток отвечает за свою группу разряда, что эквивалентно кратному увеличению несущей частоты от числа потоков. Такие ЦАП называются мультибитными дельта-сигма.

Сегодня импульсные ЦАП-ы получили второе дыхание в быстродействующих микросхемах общего назначения в продуктах компаний NAD и Chord за счет возможности гибко программировать алгоритмы преобразования.

Формат DSD

После широкого распространения дельта-сигма ЦАП-ов вполне логичным было и появления формата записи двоичного кода напрямую дельта-сигма кодировке. Этот формат получил название DSD (Direct Stream Digital).

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.

Общий вывод

Аналоговый звук – это то, что мы слышим и воспринимаем, как окружающий мир глазами. Цифровой звук, это набор координат, описывающих звуковую волну, и который мы напрямую услышать не можем без преобразования в аналоговый сигнал.

Аналоговый сигнал, записанный напрямую на аудиокассету или винил нельзя без потери качества перезаписать, в то время как волну в цифровом представлении можно копировать бит в бит.

Цифровые форматы записи являются постоянным компромиссом между количеством точностью координат против объема файла и любой цифровой сигнал является лишь приближением к исходному аналоговому сигналу. Однако при этом разный уровень технологий записи и воспроизведения цифрового сигнала и хранения на носителях для аналогового сигнала дают больше преимуществ цифровому представлению сигнала, аналогично цифровой фотокамере против пленочного фотоаппарата.

Цифровая электроника в настоящее время все более и более вы-тесняет традиционную аналоговую. Ведущие фирмы, произво-дящие самую разную электронную аппаратуру, все чаще заяв-ляют о полном переходе на цифровую технологию.

Успехи в технологии производства электронных микросхем обеспечили бурное развитие цифровой техники и устройств. Использование цифровых методов обработки и передачи сигналов позволяет существенно повысить качество линий связи. Цифровые методы обработки и коммутации сигналов в телефонии позволяют в несколько раз сократить массогабаритные характеристики устройств коммутации, повысить надежность связи, ввести дополнительные функциональные возможности.

Появление быстродействующих микропроцессоров, микросхем оперативной памяти больших объемов, малогабаритных устройств хранения информации на жестких носителях больших объемов позволило создать достаточно недорогие универсальные персональные электронные вычислительные машины (компьютеры), нашедшие очень широкое применение в быту и производстве.

Цифровая техника незаменима в системах телесигнализации и телеуправления, применяемых в автоматизированных производствах, управлении удаленными объектами, например, космическими кораблями, газоперекачивающими станциями и т. п. Цифровая техника также заняла прочное место в электро-радиоизмерительных системах. Современные устройства регистрации и воспроизведения сигналов также немыслимы без применения цифровых устройств. Цифровые устройства широко используются для управления в бытовых приборах.

Очень вероятно, что в будущем цифровые устройства займут доминирующее положение на рынке электроники.

Для начала дадим несколько базовых определений .

Сигнал — это любая физическая величина (например, тем-пература, давление воздуха, интенсивность света, сила тока и т. д.), изменяющаяся со временем. Именно благодаря этому изменению во времени сигнал может нести в себе какую-то ин-формацию.

Электрический сигнал — это электрическая величина (на-пример, напряжение, ток, мощность), изменяющаяся со време-нем. Вся электроника в основном работает с электрическими сигналами, хотя в последнее время все больше используются световые сигналы, которые представляют собой изменяющуюся во времени интенсивность света.

Аналоговый сигнал — это сигнал, который может прини-мать любые значения в определенных пределах (например, на-пряжение может плавно изменяться в пределах от нуля до деся-ти вольт). Устройства, работающие только с аналоговыми сиг-налами, называются аналоговыми устройствами.

Цифровой сигнал — это сигнал, который может принимать только два значения (иногда — три значения). Причем разреше-ны некоторые отклонения от этих значений (рис. 1.1). Напри-мер, напряжение может принимать два значения: от 0 до 0,5 В (уровень нуля) или от 2,5 до 5 В (уровень единицы). Устройства, работающие исключительно с цифровыми сигналами, называ-ются цифровыми устройствами.

В природе практически все сигналы аналоговые, то есть они изменяются непрерывно в некоторых пределах. Именно поэто-му первые электронные устройства были аналоговыми. Они преобразовывали физические величины в пропорциональные им напряжение или ток, выполняли над ними какие-то операции и затем выполняли обратные преобразования в физические вели-чины. Например, голос человека (колебания воздуха) с помощью микрофона преобразуется в электрические колебания, затем эти электрические сигналы усиливаются электронным усилителем и с помощью акустической системы снова преобразуются в колебания воздуха, в более громкий звук.

Рис. 1.1. Электрические сигналы: аналоговый (слева) и цифровой (справа).

Все операции, производимые электронными устройства-ми над сигналами, можно условно разделить на три большие группы:

Обработка (или преобразование);

Передача;

Хранение.

Во всех этих случаях полезные сигналы искажаются пара-зитными сигналами — шумами, помехами, наводками. Кроме того, при обработке сигналов (например, при усилении, фильт-рации) еще искажается и их форма из-за несовершенст-ва, неидеальности электронных устройств. А при передаче на большие расстояния и при хранении сигналы к тому же ослаб-ляются.

Рис. 1.2. Искажение шумами и наводками аналогового сигнала (слева) и циф-рового сигнала (справа).

В случае аналоговых сигналов все это существенно ухуд-шает полезный сигнал, так как все его значения разрешены (рис. 1.2). Поэтому каждое преобразование, каждое промежу-точное хранение, каждая передача по кабелю или эфиру ухуд-шает аналоговый сигнал, иногда вплоть до его полного унич-тожения. Надо еще учесть, что все шумы, помехи и наводки принципиально не поддаются точному расчету, поэтому точноописать поведение любых аналоговых устройств абсолютно не-возможно. К тому же со временем параметры всех аналоговых устройств изменяются из-за старения элементов, поэтому харак-теристики этих устройств не остаются постоянными.

В отличие от аналоговых, цифровые сигналы, имеющие все-го два разрешенных значения, защищены от действия шумов, наводок и помех гораздо лучше. Небольшие отклонения от разрешенных значений никак не искажают цифровой сигнал, так как всегда существуют зоны допустимых отклонений (рис. 1.2). Именно поэтому цифровые сигналы допускают гораздо более сложную и многоступенчатую обработку, гораздо более дли-тельное хранение без потерь и гораздо более качественную передачу, чем аналоговые. К тому же поведение цифровых устройств всегда можно абсолютно точно рассчитать и пред-сказать. Цифровые устройства гораздо меньше подвержены старению, так как небольшое изменение их параметров никак не отражается на их функционировании. Кроме того, цифро-вые устройства проще проектировать и отлаживать. Понятно, что все эти преимущества обеспечивают бурное развитие циф-ровой электроники.

Однако у цифровых сигналов есть и крупный недостаток. Дело в том, что на каждом из своих разрешенных уровней циф-ровой сигнал должен оставаться хотя бы в течение какого-то минимального временного интервала, иначе его невозможно будет распознать. А аналоговый сигнал может принимать любое свое значение бесконечно малое время. Можно сказать и иначе: аналоговый сигнал определен в непрерывном времени (то есть в любой момент времени), а цифровой — в дискретном времени (то есть только в выделенные моменты времени). Поэтому мак-симально достижимое быстродействие аналоговых устройств всегда принципиально больше, чем цифровых устройств. Ана-логовые устройства могут работать с более быстро меняющи-мися сигналами, чем цифровые. Скорость обработки и передачи информации аналоговым устройством всегда может быть сде-лана выше, чем скорость ее обработки и передачи цифровым устройством.

Кроме того, цифровой сигнал передает информацию только двумя уровнями и изменением одного своего уровня на другой, а аналоговый передает информацию еще и каждым текущим значением своего уровня, то есть он более емкий с точки зрения передачи информации. Поэтому для передачи того объема по-лезной информации, который содержится в одном аналоговом сигнале, чаще всего приходится использовать несколько цифро-вых сигналов (обычно от 4 до 16).

К тому же, как уже отмечалось, в природе все сигналы ана-логовые, то есть для преобразования их в цифровые сигналы и для обратного преобразования требуется применение специальной аппаратуры (аналого-цифровых и цифро-аналоговых преоб-разователей). Так что ничто не дается даром, и плата за пре-имущества цифровых устройств может порой оказаться непри-емлемо большой.

Цифровая схемотехника – важнейшая дисциплина, которую изучают во всех высших и средних учебных заведениях, готовящих специалистов в электронике. Настоящий радиолюбитель тоже должен хорошо разбираться в этом вопросе. Но большинство книг и учебных пособий написаны очень сложным для понимания языком, и начинающему электронщику (возможно, школьнику) будет тяжело освоить новую информацию. Цикл новых обучающих материалов от Мастер Кит призван восполнить этот пробел: в наших статьях о сложных понятиях рассказывается самыми простыми словами.

8.1. Аналоговые и цифровые сигналы

Сначала надо разобраться, чем вообще аналоговая схемотехника отличается от цифровой. И главное отличие – в сигналах, с которыми работают эти схемы.
Все сигналы можно разделить на два основных вида: аналоговые и цифровые.

Аналоговые сигналы

Аналоговые сигналы наиболее привычны для нас. Можно сказать, что весь окружающий природный мир вокруг нас – аналоговый. Наши зрение и слух, а также все остальные органы чувств воспринимают поступающую информацию в аналоговой форме, то есть непрерывно во времени. Передача звуковой информации – речь человека, звуки музыкальных инструментов, рёв животных, звуки природы и т.п. – также осуществляется в аналоговом виде.
Чтобы ещё лучше понять этот вопрос, нарисуем аналоговый сигнал (рис.1.):

Рис.1. Аналоговый сигнал

Мы видим, что аналоговый сигнал непрерывен во времени и по амплитуде. Для любого момента времени можно определить точное значение амплитуды аналогового сигнала.

Цифровые сигналы

Давайте будет анализировать амплитуду сигнала не постоянно, а дискретно, через фиксированные промежутки времени. Например, раз в секунду, или чаще: десять раз в секунду. То, как часто мы будем это делать, называется частотой дискретизации: один раз в секунду – 1 Гц, тысячу раз в секунду – 1000 Гц или 1 кГц.

Для наглядности нарисуем графики аналогового (вверху) и цифрового (внизу) сигналов (рис.2.):

Рис.2. Аналоговый сигнал (вверху) и его цифровая копия (внизу)

Мы видим, что в каждый мгновенный промежуток времени можно узнать мгновенное цифровое значение амплитуды сигнала. Что происходит с сигналом (по какому закону он меняется, какова его амплитуда) между интервалами «проверки», мы не знаем, эта информация потеряна для нас. Чем реже мы проверяем уровень сигнала (чем ниже частота дискретизации), тем меньше имеем информации о сигнале. Разумеется, справедливо и обратное: чем выше частота дискретизации, тем лучше качество представления сигнала. В пределе, увеличивая частоту дискретизации до бесконечности, мы получаем практически тот же аналоговый сигнал.
Значит ли это, что аналоговый сигнал в любом случае качественнее цифрового? В теории, пожалуй, да. Но на практике современные аналого-цифровые преобразователи (АЦП) работают с такой высокой частотой дискретизации (до нескольких миллионов выборок в секунду), так качественно описывают аналоговый сигнал в цифровой форме, что органы чувств человека (глаза, уши) уже не могут почувствовать разницу между оригинальным сигналом и его цифровой моделью. Цифровой сигнал обладает очень существенным достоинством: его легче передавать по проводам или радиоволне, помехи не оказывают на такой сигнал существенного влияния. Поэтому вся современная мобильная связь, теле- и радиовещание - цифровая.

Нижний график на рис. 2 легко представить и в другом виде – как длинную последовательность пары цифр: время/амплитуда. А цифры – это как раз то, что нужно цифровым схемам. Правда, цифровые схемы предпочитают работать с цифрами в особом представлении, но об этом мы поговорим в следующем уроке.

Сейчас мы можем сделать важные выводы:

Цифровой сигнал дискретен, его можно определить только для отдельных моментов времени;
- чем выше частота дискретизации – тем лучше точность представления цифрового сигнала.

Аналоговый сигнал – это функция непрерывного аргумента (времени). Если график периодически прерывается, как происходит в последовательности импульсов, к примеру, уже говорят о некой дискретности пачки.

История появления термина

Вычислительная техника

Если вчитаться, нигде не написано, откуда пришло в мир определение — аналоговый. На западе термин употреблялся с сороковых годов профессионалами вычислительной техники. Именно в период Второй мировой войны появились первые компьютерные системы, называемые цифровыми. И для различения пришлось придумать новые эпитеты.

В мир бытовой техники понятие аналоговый вошло лишь в начале 80-х, когда на свет вышли первые процессоры Intel, а мир игрался в игрушки на ZX-Spectrum, эмулятор для устройств сегодня возможно раздобыть в интернете. Геймплей требовал необыкновенного упорства, сноровки и отменной реакции. Наравне с детворой собирали ящики и били вражеских инопланетян и взрослые. Современные игры намного уступают первым пташкам, захватившим на некоторое время умы игроков.

Звукозапись и телефония

К началу 80-х на свет стала появляться поп-музыка в электронной обработке. Музыкальный телеграф представлен на суд публики в 1876 году, не обрёл признания. Популярная музыка нравится аудитории в широком понимании слова. Телеграф умел издавать единственную ноту, передавать на расстояние, где та воспроизводилась динамиком специальной конструкции. И хотя Битлз использовали при создании Сержанта Пеппера электронный орган, синтезатор вошёл в обиход в поздние 70-е годы. По-настоящему популярным и цифровым инструмент стал уже в середине 80-х: вспомним Modern Talking. Ранее использовались синтезаторы на аналоговых схемах, начиная с Novachord в 1939 году.

Итак, потребности в различении аналоговых и цифровых технологий у рядового гражданина не возникало, пока последние не вошли прочно в обиход. Слово аналоговый стало достоянием публики с начала 80-х. Что касается происхождения термина, традиционно считается, что указатель заимствован из телефонии, позже перекочевал в звукозапись. Аналоговые колебания непосредственно подаются на динамик, немедленно раздается голос. Сигнал похож на человеческую речь, становится электрическим аналогом.

Если подать на динамик цифровой сигнал, раздастся непередаваемая какофония из нот разной тональности. Эта «речь» знакома любому, кто грузил в память компьютера программы и игры с магнитной ленты. На человеческую не походит, потому что цифровая. Что касается дискретного сигнала, в простейших системах он подается прямо на динамик, служащий интегратором. Удача или неуспех предприятия всецело зависят от правильно подобранных параметров.

Одновременно термин фигурировал в звукозаписи, где непосредственно с микрофона музыка и голос шли на ленту. Магнитная запись стала аналогом реальных артистов. Виниловые пластинки подобны музыкантам и поныне считаются лучшим носителем для любых композиций. Хотя показывают ограниченный срок службы. CD нынче часто содержат цифровой звук, расшифровываемый декодером. Согласно Википедии, новая эра началась в 1975 году (en.wikipedia.org/wiki/History_of_sound_recording).

Электрические измерения

В аналоговом сигнале наблюдается пропорциональность между напряжением, либо током и откликом на воспроизводящем устройстве. Термин тогда сочтём произошедшим от греческого analogos. Что означает пропорциональный. Впрочем, сравнение аналогично указанному выше: сигнал подобен голосу, воспроизводимому колонками.

Вдобавок в технике применяется для обозначения аналоговых сигналов иной термин – непрерывные. Что соответствует данному выше определению.

Общая информация

Энергия сигнала

Как следует из определения, аналоговый сигнал обладает бесконечной энергией, не ограничен во времени. Посему его параметры усредняются. К примеру, 220 В, присутствующие в розетки называются действующим значением по указанной причине. Поэтому применяют действующие (усредненные на некотором интервале) значения. Уже понятно, что в розетке присутствует аналоговый сигнал частоты 50 Гц.

Когда речь заходит о дискретности, применяют конечные значения. К примеру, при покупке электрошокера нужно убедиться, что энергия удара не превосходит частного значения, измеряемого в джоулях. В противном случае возникнут неприятности с использованием либо при досмотре. Поскольку, начиная с конкретного значения энергии, электрошокер применяется лишь спецподразделениями, с установленным верхним лимитом. Прочее – противозаконно в принципе, способно повлечь смертельные исход при применении.

Энергия импульса находится перемножением тока и напряжения на длительность. И это показывает конечность параметра для дискретных сигналов. В технике встречаются и цифровые последовательности. От дискретного цифровой сигнал отличается жестко заданными параметрами:

1. Длительность.
2. Амплитуда.
3. Наличие двух заданных состояний: 0 и 1.
4. Машинные биты 0 и 1 складываются в заранее оговоренные и понятные участникам слова (язык ассемблера).

Взаимное преобразование сигналов

Дополнительным определением аналогового сигнала становится его кажущаяся случайность, отсутствие видимых правил, либо схожесть с некими природными процессами. К примеру, синусоида может описать вращение Земли вокруг Солнца. Это аналоговый сигнал. В теории цепей и сигналов синусоида представляется вращающимся вектором амплитуды. А фаза тока и напряжения отличается – это два разных вектора, порождая реактивные процессы. Что наблюдается в индуктивностях и конденсаторах.

Из определения следует, что аналоговый сигнал легко преобразуется в дискретный. Любой импульсный блок питания нарезает входное напряжение из розетки на пачки. Следовательно, занимается преобразованием аналогового сигнала частоты 50 Гц в дискретные ультразвуковые пачки. Варьируя параметры нарезки, блок питания подстраивает выходные величины под требования электрической нагрузки.

Внутри приемника радиоволн с амплитудным детектором происходит обратный процесс. После выпрямления сигнала на диодах образуются импульсы различной амплитуды. Информация заложена в огибающей такого сигнала, линии, соединяющей вершины посылки. Преобразованием дискретных импульсов в аналоговую величину занимается фильтр. Принцип основан на интегрировании энергии: в период наличия напряжения возрастает заряд конденсатора, потом, в промежутке между пиками, ток образуется за счет накопленного ранее запаса электронов. Полученная волна подается на усилитель низких частот, позднее на динамики, где результат слышен окружающим.

Цифровой сигнал кодируется по-другому. Там амплитуда импульса заложена в машинной слове. Оно состоит из единиц и нулей, требуется декодирование. Операцией занимаются электронные устройства: графический адаптер, программные продукты. Каждый качал из интернета K-Lite кодеки, это тот случай. Драйвер занимается расшифровкой цифрового сигнала и преобразованием для выдачи на колонки и дисплей.

Не нужно спешить с путаницей, когда адаптер называют 3-D ускорителем и наоборот. Первый лишь преобразует поданный сигнал. К примеру, за цифровым входом DVI всегда находится адаптер. Он занимается лишь преобразованием цифр из единиц и нулей для отображения на матрице экрана. Извлекает информацию о яркости и значениях пикселей RGB. Что касается 3D-ускорителя, устройство в составе вправе (но не обязано) содержать адаптер, но главной задачей становятся сложные вычисления для построения трёхмерных изображений. Подобный приём позволяет разгрузить центральный процессор и ускорить работу персонального компьютера.

Из аналогового в цифровой сигнал преобразуется в АЦП. Это происходит программно либо внутри микросхемы. Отдельные системы сочетают оба способа. Процедура начинается взятием отсчётов, умещающихся внутри заданной области. Каждый, преобразуясь, становится машинным словом, содержащим вычисленную цифру. Потом отсчёты пакуются посылками, становится возможной пересылка другим абонентам сложной системы.

Правила дискретизации нормируются теоремой Котельникова, показывающей максимальную частоту взятия замера. Чаще отсчёт брать запрещается, поскольку происходит потеря информации. Упрощённо считают достаточным шестикратное превышение частоты отсчётов над верхней границей спектра сигнала. Больший запас считается дополнительным преимуществом, гарантирующим хорошее качество. Любой видел указания частоты дискретизации звукозаписи. Обычно параметр выше 44 кГц. Причиной служат особенности человеческого слуха: верхняя граница спектра 10 кГц. Следовательно, частоты дискретизации 44 кГц хватит для посредственной передачи звучания.

Отличие дискретного и цифрового сигнала

Наконец, человек из окружающего мира воспринимает обычно аналоговую информацию. Если глаз видит мигающий огонёк, периферическое зрение ухватит окружающий пейзаж. Следовательно, конечный эффект не видится дискретным. Разумеется, возможно попытаться создать иное восприятие, но это сложно и окажется целиком искусственным. На этом основано применение азбуки Морзе, состоящей из легко различимых на фоне помех точек и тире. Дискретные удары телеграфного ключа сложно спутать с естественными сигналами, даже при наличии сильного шума.

Аналогичным образом цифровые линии введены в технике для исключения помех. Любой любитель видео пытается раздобыть кодированную копию фильма в максимальном разрешении. Цифровая информация способна передаваться на дальние дистанции без малейших искажений. Помощниками становятся известные на обеих сторонах правила для формирования заранее оговорённых слов. Порой в цифровой сигнал закладывается избыточная информация, позволяющая исправлять или замечать ошибки. Этим устраняется неправильное восприятие.

Импульсные сигналы

Если говорить точнее, дискретные сигналы задаются отсчётами в определённые моменты времени. Понятно, что такая последовательность в реальности не формируется по причине, что фронт и спад имеют конечную длину. Импульс не передаётся мгновенно. Потому спектр последовательности не считается дискретным. Значит, сигнал так называть нельзя. На практике выделяют два класса:

1. Аналоговые импульсные сигналы – спектр которых находится преобразованием Фурье, следовательно, непрерывный, по крайней мере, на отдельных участках. Результат действия напряжения или тока на цепь находится операцией свёртки.
2. Дискретные импульсные сигналы показывают и спектр дискретный, операции с ними проводятся через дискретные преобразования Фурье. Следовательно, применяется и свёртка дискретная.

Эти уточнения важны для буквоедов, прочитавших, что импульсные сигналы бывают аналоговыми. Дискретные получили название по особенностям спектра. Термин аналоговые применяется для различения. Эпитет непрерывные применим, о чем уже сказано выше, и в связи с особенностями спектра.

Уточнение: строго дискретным считается исключительно спектр бесконечной последовательности импульсов. Для пачки гармонические составляющие всегда расплывчатые. Такой спектр напоминает последовательность импульсов, модулированных по амплитуде.