Tipuri de semnale. Semnale informative. Semnale analogice. Semnale discrete
Diferența dintre comunicațiile analogice și digitale.
Când aveți de-a face cu comunicațiile radio, întâlniți adesea termeni precum "semnal analog"Și "semnal digital". Pentru specialiști nu există un mister în aceste cuvinte, dar pentru oamenii ignoranți diferența dintre „digital” și „analogic” poate fi complet necunoscută. Între timp, există o diferență foarte semnificativă.
Asa de. Comunicarea radio este întotdeauna transmisia de informații (voce, SMS, telesemnalizare) între doi abonați - o sursă de semnal - un transmițător (stație radio, repetitor, stație de bază) și un receptor.
Când vorbim despre un semnal, de obicei ne referim la oscilații electromagnetice care induc EMF și provoacă fluctuații de curent în antena receptorului. Apoi, dispozitivul de recepție convertește vibrațiile recepționate înapoi într-un semnal de frecvență audio și îl trimite la difuzor.
În orice caz, semnalul emițătorului poate fi reprezentat atât în formă digitală, cât și analogică. La urma urmei, de exemplu, sunetul în sine este un semnal analogic. La un post de radio, sunetul primit de microfon este convertit în undele electromagnetice deja menționate. Cu cât frecvența sunetului este mai mare, cu atât este mai mare frecvența de oscilație de ieșire și cu cât difuzorul vorbește mai tare, cu atât amplitudinea este mai mare. 
Oscilațiile electromagnetice rezultate, sau undele, sunt propagate în spațiu folosind o antenă de transmisie. Pentru ca undele de aer să nu fie înfundate cu interferențe de joasă frecvență și pentru ca diferite posturi de radio să aibă posibilitatea de a lucra în paralel fără a interfera între ele, vibrațiile rezultate din influența sunetului sunt rezumate, adică „suprapuse” pe alte vibraţii care au o frecvenţă constantă. Ultima frecvență este de obicei numită „purtător”, și pentru a o percepe ne acordăm receptorul radio pentru a „prinde” semnalul analog al postului de radio.
Procesul invers are loc în receptor: frecvența purtătoare este separată, iar oscilațiile electromagnetice primite de antenă sunt convertite în oscilații sonore, iar informația pe care persoana care transmite mesajul a vrut să o transmită se aude de la difuzor.
În timpul transmiterii unui semnal audio de la stația de radio la receptor, pot apărea interferențe terțe, frecvența și amplitudinea se pot schimba, ceea ce, desigur, va afecta sunetele produse de receptorul radio. În cele din urmă, atât emițătorul, cât și receptorul introduc unele erori în timpul conversiei semnalului. Prin urmare, sunetul reprodus de un radio analog are întotdeauna o oarecare distorsiune. Vocea poate fi reprodusă pe deplin, în ciuda modificărilor, dar vor exista șuierat sau chiar unele șuierături în fundal cauzate de interferențe. Cu cât recepția este mai puțin fiabilă, cu atât mai puternice și mai distincte vor fi aceste efecte de zgomot străin. 
În plus, semnalul analogic terestru are un grad foarte slab de protecție împotriva accesului neautorizat. Pentru posturile de radio publice acest lucru, desigur, nu are nicio diferență. Dar atunci când ați folosit primele telefoane mobile, a existat un moment neplăcut asociat cu faptul că aproape orice receptor radio terț putea fi reglat cu ușurință la lungimea de undă dorită pentru a asculta conversația dvs. telefonică.
Pentru a se proteja împotriva acestui lucru, ei folosesc așa-numita „tonare” a semnalului sau, cu alte cuvinte, sistemul CTCSS (Continuous Tone-Coded Squelch System), un sistem de reducere a zgomotului codificat cu un ton continuu sau un „prieten/ sistem de identificare a semnalului foe”, conceput pentru a separa utilizatorii care lucrează în același interval de frecvență, în grupuri. Utilizatorii (corespondenții) din același grup se pot auzi reciproc datorită unui cod de identificare. Explicând în mod clar, principiul de funcționare al acestui sistem este următorul. Odată cu informațiile transmise, un semnal suplimentar (sau un alt ton) este trimis și prin aer. Receptorul, pe lângă purtător, recunoaște acest ton cu setările corespunzătoare și primește semnalul. Dacă tonul în radio-receptor nu este configurat, atunci semnalul nu este recepționat. Există un număr destul de mare de standarde de criptare care diferă de la diferiți producători.
Difuzarea analogică are astfel de dezavantaje. Din cauza lor, de exemplu, televiziunea promite să devină complet digitală într-un timp relativ scurt. 
Comunicațiile digitale și difuzarea sunt considerate mai protejate de interferențe și influențe externe. Chestia este că atunci când utilizați „digital”, semnalul analogic de la microfonul de la stația de transmisie este criptat într-un cod digital. Nu, desigur, un flux de cifre și numere nu se răspândește în spațiul înconjurător. Pur și simplu, un cod de impulsuri radio este atribuit unui sunet cu o anumită frecvență și volum. Durata și frecvența impulsurilor sunt predeterminate - este aceeași atât pentru emițător, cât și pentru receptor. Prezența unui impuls corespunde unuia, absența - zero. Prin urmare, o astfel de comunicare se numește „digitală”.
Se numește un dispozitiv care convertește un semnal analogic într-un cod digital convertor analog-digital (ADC). Și un dispozitiv instalat în receptor care convertește codul într-un semnal analogic corespunzător vocii prietenului tău în difuzorul unui telefon mobil GSM, numit convertor digital-analogic (DAC).
În timpul transmisiei semnalului digital, erorile și distorsiunile sunt practic eliminate. Dacă impulsul devine puțin mai puternic, mai lung sau invers, atunci va fi în continuare recunoscut de sistem ca unitate. Și zero va rămâne zero, chiar dacă în locul lui apare un semnal slab aleatoriu. Pentru ADC și DAC, nu există alte valori, cum ar fi 0,2 sau 0,9 - doar zero și unu. Prin urmare, interferența nu are aproape niciun efect asupra comunicațiilor digitale și a difuzării.
În plus, „digitalul” este, de asemenea, mai protejat de accesul neautorizat. La urma urmei, pentru ca DAC-ul dispozitivului să decripteze semnalul, trebuie să „știe” codul de decriptare. ADC, împreună cu semnalul, poate transmite și adresa digitală a dispozitivului selectat ca receptor. Astfel, chiar dacă semnalul radio este interceptat, acesta nu poate fi recunoscut din cauza absenței a cel puțin unei părți din cod. Acest lucru este valabil mai ales pentru comunicații.
Asa de, diferențe dintre semnalele digitale și analogice:
1) Un semnal analogic poate fi distorsionat de interferență, iar un semnal digital poate fi fie complet blocat de interferențe, fie ajunge fără distorsiuni. Semnalul digital este fie prezent, fie complet absent (fie zero, fie unul).
2) Semnalul analogic este accesibil tuturor dispozitivelor care funcționează pe același principiu ca emițătorul. Semnalul digital este protejat în siguranță de un cod și este dificil de interceptat dacă nu este destinat pentru dvs. 
Pe lângă posturile pur analogice și pur digitale, există și posturi de radio care acceptă atât modul analogic, cât și cel digital. Sunt concepute pentru tranziția de la comunicațiile analogice la cele digitale.
Așadar, având la dispoziție o flotă de posturi radio analogice, poți trece treptat la un standard de comunicare digitală.
De exemplu, inițial ați construit un sistem de comunicații la posturile de radio Baikal 30.
Permiteți-mi să vă reamintesc că aceasta este o stație analogică cu 16 canale. 
Dar timpul trece, iar stația încetează să ți se potrivească ca utilizator. Da, este fiabil, da, puternic și cu o baterie bună de până la 2600 mAh. Dar la extinderea parcului de posturi de radio cu peste 100 de persoane, și mai ales atunci când lucrează în grup, cele 16 canale ale sale încep să fie insuficiente.
Nu trebuie să epuizați imediat și să cumpărați posturi de radio digitale. Majoritatea producătorilor introduc în mod deliberat un model cu un mod de transmisie analogică.
Adică, puteți trece treptat la, de exemplu, Baikal -501 sau Vertex-EVX531, menținând în același timp sistemul de comunicații existent în stare de funcționare.
Avantajele unei astfel de tranziții sunt incontestabile.
Primești o stație de lucru
1) mai lungă (în modul digital este mai puțin consum.)
2) A avea mai multe funcții (apel de grup, lucrător singur)
3) 32 de canale de memorie.
Adică, inițial creați baze de date cu 2 canale. Pentru posturi noi achiziționate (canale digitale) și o bază de canale de asistență cu posturi existente (canale analogice). Treptat, pe măsură ce achiziționați echipamente, veți reduce flota de posturi de radio ale celei de-a doua bănci și veți crește flota primei.
În cele din urmă, îți vei atinge obiectivul - să-ți transferi întreaga bază la un standard de comunicare digitală.
O bună adăugare și extindere la orice bază poate fi repetorul digital Yaesu Fusion DR-1 
Acesta este un repetor dual-band (144/430MHz) care acceptă comunicații analogice FM, precum și un protocol digital în același timp System Fusion
în intervalul de frecvență de 12,5 kHz. Suntem încrezători că introducerea celor mai recente DR-1X va fi zorii noului nostru și impresionant sistem multifuncțional System Fusion.
Una dintre caracteristicile cheie System Fusion
este o funcție AMS (Selectare automată a modului), care recunoaște instantaneu dacă un semnal este primit în modul V/D, modul voce sau modul de date FR analogic FM sau digital C4FM și comută automat la cel corespunzător. Astfel, datorită transceiverelor noastre digitale FT1DRȘi FTM-400DRSystem Fusion
Pentru a menține comunicarea cu posturile de radio FM analogice, nu mai este nevoie să comutați manual modurile de fiecare dată.
Pe repetor DR-1X, AMS poate fi configurat astfel încât semnalul digital C4FM de intrare să fie convertit în FM analogic și retransmis, permițând astfel comunicarea între transceiver-urile digitale și analogice. AMS poate fi, de asemenea, configurat pentru a transmite automat modul de intrare la ieșire, permițând utilizatorilor digitali și analogici să partajeze un singur repetor.
Până acum, repetoarele FM erau folosite doar pentru comunicațiile FM tradiționale, iar repetoarele digitale doar pentru comunicațiile digitale. Cu toate acestea, acum pur și simplu înlocuind repetorul FM analogic convențional cu DR-1X, puteți continua să utilizați comunicațiile FM obișnuite, dar și un repetor pentru comunicații radio digitale mai avansate System Fusion
. Alte periferice, cum ar fi duplexorul și amplificatorul etc. îl puteți folosi în continuare ca de obicei.
Caracteristicile mai detaliate ale echipamentului pot fi văzute pe site la secțiunea de produse
Foarte des auzim definiții precum semnalul „digital” sau „discret” care este diferența lui de „analogic”?
Esența diferenței 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 reducem totul 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 44100 de puncte pe secundă. Precizia verticală a înălțimii coordonatei corespunde adâncimii de biți 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.).
Avantajele și dezavantajele semnalului analogic
Avantajul unui semnal analogic este că percepem sunetul cu urechile în formă analogică. Și, deși sistemul nostru auditiv transformă fluxul de sunet perceput în formă digitală și îl transmite în această formă creierului, știința și tehnologia nu au ajuns încă la punctul de a conecta jucătorii și alte surse de sunet direct în această formă. Cercetări similare sunt acum efectuate 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 magnetică sau vinil, calitatea semnalului va depinde de proprietățile benzii sau vinilului. În timp, banda se demagnetizează, iar calitatea semnalului înregistrat se deteriorează. Fiecare citire distruge treptat suportul media, iar rescrierea introduce distorsiuni suplimentare, unde abaterile suplimentare sunt adăugate de următorul suport (bandă sau vinil), dispozitive de citire, scriere și transmisie a semnalului.
A face o copie a unui semnal analogic este același lucru cu a copia o fotografie prin realizarea din nou a unei fotografii.
Avantajele și dezavantajele semnalului digital
Avantajele unui semnal digital includ acuratețea la copierea și transmiterea unui flux audio, unde originalul nu este diferit de copie.Principalul dezavantaj este că semnalul digital este o etapă intermediară, iar acuratețea semnalului analog final va depinde de cât de detaliat și de exact este descrisă unda sonoră prin coordonate. 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 asupra numărului de coordonate și acuratețea datelor este suficientă pentru a spune că reprezentarea digitală a semnalului este suficientă pentru a restabili 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 obișnuite 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 medii de mare capacitate. 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 frecvență de eșantionare de 44,1 kHz și o adâncime de biți de 16 biți. La o rată de eșantionare de 44,1 kHz, este posibil să reconstruiți un semnal de până la 22 kHz. După cum arată studiile psihoacustice, o creștere suplimentară a frecvenței de eșantionare nu este vizibilă, dar o creștere a adâncimii de biți oferă o îmbunătățire subiectivă.
Cum DAC-urile construiesc un val
Un DAC este un convertor digital-analogic, un element care convertește sunetul digital în analog. Ne vom uita superficial la principiile de bază. Dacă comentariile indică interesul de a analiza mai detaliat un număr de puncte, va fi lansat un material separat.DAC-uri multibiți
Foarte des, o undă este reprezentată ca pași, ceea ce se datorează arhitecturii primei generații de DAC-uri R-2R multi-biți, care funcționează similar cu un comutator releu.
Intrarea DAC primește valoarea următoarei coordonate verticale și la fiecare ciclu de ceas comută nivelul curent (tensiunii) la nivelul corespunzător până la următoarea modificare.
Deși se crede că urechea umană nu poate auzi mai mult de 20 kHz, iar conform teoriei Nyquist este posibil să se restabilească semnalul la 22 kHz, calitatea acestui semnal după restaurare rămâne o întrebare. În regiunea de înaltă frecvență, forma de undă „în trepte” 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 alternativă este creșterea artificială a ratei de eșantionare a redării DAC prin adăugarea de valori intermediare. Acestea. ne imaginăm o cale de undă continuă (linie punctată gri) care conectează fără probleme coordonatele originale (puncte roșii) și adăugăm puncte intermediare pe această linie (violet închis).
Când creșteți frecvența 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 un val mai aproape de original.
Când vedeți o funcție de amplificare de la 44,1 la 192 kHz într-un player sau DAC extern, aceasta este o funcție de adăugare a coordonatelor intermediare, nu de restabilire sau de creare a sunetului în regiunea de peste 20 kHz.
Inițial, acestea erau cipuri SRC separate înainte de DAC, care apoi au migrat direct către cipurile DAC în sine. Astăzi puteți găsi soluții în care un astfel de cip 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 (ca de exemplu, acest lucru se face în Hidizs). AP100).
Principalul refuz din industrie de la DAC-uri multibiți a apărut din cauza imposibilității dezvoltării tehnologice ulterioare a indicatorilor de calitate cu tehnologiile de producție actuale și a costului mai mare față de DAC-urile „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.
Comutarea DAC-urilor
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 permis apariția comutatoarelor ultra-rapide și a permis utilizarea frecvențelor purtătoare înalte.
Amplitudinea semnalului este valoarea medie a amplitudinilor pulsului (impulsurile de amplitudine egală sunt afișate în verde, iar unda sonoră rezultată este afișată în alb).
De exemplu, o secvență de opt cicluri de cinci impulsuri va da o amplitudine medie (1+1+1+0+0+1+1+0)/8=0,625. Cu cât frecvența purtătoarei este mai mare, cu atât mai multe impulsuri sunt netezite și se obține o valoare mai precisă a amplitudinii. 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 la ieșire vom obține sunet, iar frecvențele ultra înalte nu vor fi reproduse din cauza inerției mari a emițătorului. Amplificatoarele PWM funcționează pe acest principiu în clasa D, 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 multibiți poate fi gândit ca o imprimantă capabilă să aplice culoare folosind cerneluri Pantone. Delta-Sigma este o imprimantă cu jet de cerneală cu o gamă limitată de culori, dar datorită capacității de a aplica puncte foarte mici (comparativ cu o imprimantă cu coarne), produce mai multe nuanțe datorită densității diferite de puncte pe unitatea de suprafață.
Într-o imagine, de obicei nu vedem puncte individuale din cauza rezoluției scăzute a ochiului, ci doar tonul mediu. La fel, urechea nu aude impulsurile individual.
În cele din urmă, cu tehnologiile actuale în DAC-uri în impulsuri, este posibil să se obțină o undă apropiată de ceea ce ar trebui să se obțină teoretic atunci când se aproximează coordonatele intermediare.
Trebuie remarcat faptul că, după apariția DAC-ului delta-sigma, relevanța trasării unei „unde digitale” în trepte a dispărut, deoarece Acesta este modul în care DAC-urile moderne nu construiesc un val în trepte. Este corect să construiți un semnal discret cu puncte conectate printr-o linie netedă.
Este ideală schimbarea DAC-urilor?
Dar, în practică, nu totul este roz și există o serie de probleme și limitări.
Deoarece Deoarece numărul copleșitor de înregistrări este stocat într-un semnal pe mai mulți biți, conversia într-un semnal de impuls folosind principiul „bit la 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-un semnal pe un singur bit cu o frecvență purtătoare relativ scăzută cu decimarea datelor. Practic, acești algoritmi determină calitatea finală a sunetului a DAC-urilor cu impuls.
Pentru a reduce problema frecvenței purtătoare înalte, fluxul audio este împărțit în mai multe fluxuri de un bit, unde fiecare flux este responsabil pentru propriul său grup de biți, care este echivalent cu un multiplu al frecvenței purtătoare a numărului de fluxuri. Astfel de DAC-uri sunt numite delta-sigma multibiți.
Astăzi, DAC-urile cu pulsații au primit un al doilea vânt în cipurile de mare viteză de uz general în produsele de la 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, a fost destul de logic să apară un format pentru înregistrarea codului binar 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 sau aplica egalizarea. Aceasta înseamnă că, fără pierderi de calitate, puteți arhiva doar înregistrări analogice și puteți produce înregistrări cu două microfoane ale spectacolelor live fără procesare ulterioară. Într-un cuvânt, nu poți face bani cu adevărat.
În lupta împotriva pirateriei, discurile în format SA-CD nu au fost (și încă nu sunt) suportate de computere, ceea ce face imposibilă realizarea de copii ale acestora. Fără copii – fără public larg. A fost posibil să redați conținut audio DSD doar de pe un player SA-CD separat de pe un disc proprietar. Dacă pentru formatul PCM există un standard SPDIF pentru transferul de date digitale de la o sursă la un DAC separat, atunci pentru formatul DSD nu există un standard și primele copii piratate ale discurilor SA-CD au fost digitizate de la ieșirile analogice ale SA- CD playere (deși situația pare stupidă, dar în realitate unele înregistrări au fost lansate doar pe SA-CD, sau aceeași înregistrare pe Audio-CD a fost făcută în mod deliberat de proastă calitate pentru a promova SA-CD).
Punctul 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 redare. 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 o 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 nicio conversie de reducere a datelor și este destul de competitiv cu formatele de înaltă rezoluție, cum ar fi DVD-Audio.
Nu există un răspuns clar la întrebarea care este mai bine, DSP sau PCM. Totul depinde de calitatea implementării unui anumit DAC și de 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 le putem auzi direct fără conversie la un semnal analogic.Un semnal analogic înregistrat direct pe o casetă audio sau vinil nu poate fi reînregistrat fără pierderea calității, în timp ce o undă în reprezentare digitală poate fi copiată bit pentru 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 a semnalului analogic original. Cu toate acestea, diferitele niveluri de tehnologie pentru înregistrarea și reproducerea unui semnal digital și stocarea pe suporturi pentru un semnal analogic oferă mai multe avantaje reprezentării 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 ca informație. Prin natura lor, toate semnalele sunt analogice, fie ele DC sau AC, digitale sau impuls. Cu toate acestea, este obișnuit să se facă o distincție 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 conectate la semnale analogice reale, dar uneori nu există nicio legătură între ele. Un exemplu este transmisia de date prin rețele locale (LAN) sau alte rețele de mare viteză.
În procesarea semnalului digital (DSP), semnalul analogic este convertit în formă binară de un dispozitiv numit convertor analog-digital (ADC). Ieșirea ADC produce 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 unui semnal este faptul că un semnal poartă întotdeauna anumite informații. Acest lucru ne conduce la o problemă cheie în procesarea fizică a semnalului analogic: problema regăsirii informațiilor.
Obiectivele procesării semnalului.
Scopul principal al procesării semnalului este necesitatea de a obține informațiile conținute în acestea. Această informație este de obicei prezentă în amplitudinea semnalului (absolută sau relativă), frecvența sau conținutul spectral, fază sau sincronizarea relativă a semnalelor multiple.
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, o schimbare a formatului de semnal are loc atunci când se transmite un semnal audio într-un sistem telefonic cu acces multiplu prin diviziune de frecvență (FDMA). În acest caz, metode analogice sunt utilizate pentru a plasa mai multe canale de voce în spectrul de frecvență pentru transmisie prin releu radio cu microunde, cablu coaxial sau cablu cu fibră optică.
În comunicarea digitală, informațiile audio analogice sunt mai întâi convertite în digitale folosind un ADC. Informațiile digitale care reprezintă canalele audio individuale sunt multiplexate în timp (acces multiplu 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 viteze reduse, ceea ce permite îngustarea lățimii de bandă a canalului necesară. Modemurile de mare viteză și sistemele de modulare a codului adaptiv al impulsurilor (ADPCM) folosesc pe scară largă algoritmi de eliminare (compresie) a redundanței 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 informațiile primite de la senzori pentru a genera semnale de feedback adecvate, care la rândul lor controlează direct procesul. Vă rugăm să rețineți că aceste sisteme necesită atât ADC, cât și DAC, precum și senzori, conditionatoare de semnal și DSP-uri (sau microcontrolere).
În unele cazuri, există zgomot în semnalul care conține informații și scopul principal este reconstrucția semnalului. Tehnici precum filtrarea, autocorelarea, convoluția etc. sunt adesea folosite pentru a îndeplini această sarcină atât în domeniul analogic, cât și în cel digital.
OBIECTIVELE PRELUCRĂRII SEMNALULUI- Extragerea informațiilor despre semnal (amplitudine, fază, frecvență, componente spectrale, relații de timp)
- Conversie format de semnal (FDMA, TDMA, telefonie CDMA)
- Comprimarea datelor (modemuri, telefoane mobile, HDTV, compresie MPEG)
- Generarea de semnale de feedback (controlul proceselor industriale)
- Izolarea semnalului de zgomot (filtrare, autocorelare, convoluție)
- Izolarea și stocarea unui semnal în formă digitală pentru procesare ulterioară (FFT)
Condiționarea semnalului
În majoritatea situațiilor de mai sus (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 atunci când semnalele analogice pot fi generate direct de la DSP și DAC. Un bun exemplu este afișajele video de baleiaj, în care un semnal generat digital conduce imaginea video sau unitatea RAMDAC (matrice de pixeli digital to analog converter).
Un alt exemplu este muzica și vorbirea sintetizate artificial. În realitate, generarea de semnale fizice analogice folosind metode numai digitale se bazează pe informațiile obținute anterior din surse de semnale fizice analogice similare. În sistemele de afișare, datele de pe afișaj trebuie să transmită informații relevante operatorului. La proiectarea sistemelor de sunet sunt specificate proprietățile statistice ale sunetelor generate, care au fost determinate anterior prin utilizarea extensivă 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 mixt sau MSP). În unele cazuri, alegerea metodelor este clară, în alte cazuri alegerea nu este clară și decizia finală se bazează pe anumite considerente.
În ceea ce privește DSP, principala diferență între acesta și analiza tradițională a datelor pe computer este viteza mare și eficiența funcțiilor complexe de procesare digitală, cum ar fi filtrarea, analiza și compresia datelor în timp real.
Termenul „prelucrare combinată a semnalului” implică faptul că sistemul realizează 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 cip separat cu elemente integrate. ADC-urile și DAC-urile sunt considerate a fi dispozitive combinate de procesare a semnalului, deoarece fiecare dintre ele implementează atât funcții analogice, cât și digitale.
Progresele recente în tehnologia IC Very High Level Integration (VLSI) permit procesarea complexă (digitală și analogică) pe un singur cip. Însăși natura DSP-ului înseamnă că aceste funcții pot fi efectuate în timp real.
Comparație între procesarea semnalului analog și digital
Inginerul de astăzi se confruntă cu alegerea combinației adecvate de tehnici analogice și digitale pentru a rezolva o problemă de procesare a semnalului. Este imposibil să procesați semnale fizice analogice numai folosind metode digitale, deoarece toți senzorii (microfoane, termocupluri, cristale piezoelectrice, capete de unitate de disc 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 (tampon)), detectarea semnalului pe un fundal de zgomot (amplificatoare în mod comun de înaltă precizie, 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 arată o abordare pur analogică. Zonele rămase descriu implementarea DSP. Rețineți că, odată ce o tehnologie DSP a fost selectată, următoarea decizie trebuie 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 este mutat mai aproape de senzor, cea mai mare parte a procesării semnalului analogic este acum realizată de ADC. Creșterea capacităților ADC se poate reflecta în 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 disponibile pentru a produce DAC-uri și ADC-uri cu rate și rezoluții mari de eșantionare, s-au făcut progrese semnificative în integrarea din ce în ce mai multe circuite direct în ADC-uri/DAC-uri.
În industria de măsurare, de exemplu, există ADC-uri pe 24 de biți cu amplificatoare programabile (PGA) încorporate care permit ca semnalele de punte de 10 mV să fie digitizate direct, fără normalizare ulterioară (de exemplu, seria AD773x).
La frecvențele de voce și audio, sunt comune dispozitivele complexe de codare-decodare - codecuri (Analog Front End, AFE), care au un circuit analogic încorporat în cip care îndeplinește cerințele minime pentru componentele externe de normalizare (AD1819B și AD73322).
Există, de asemenea, codecuri video (AFE) pentru aplicații precum procesarea imaginilor CCD și altele (cum ar fi seriile AD9814, AD9816 și AD984X).
Exemplu de implementare
Ca exemplu de utilizare a DSP, comparați filtrele trece-jos (LPF) analog și digitale, fiecare cu o frecvență de tăiere de 1 kHz.
Filtrul digital este implementat ca un sistem digital tipic, prezentat în Figura 2. Rețineți că diagrama face câteva ipoteze implicite. În primul rând, pentru a procesa cu acuratețe semnalul, se presupune că calea ADC/DAC are suficiente valori ale frecvenței de eșantionare, rezoluției și intervalului dinamic. În al doilea rând, pentru a-și finaliza toate calculele 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 sunt scăzute. Cu aceste ipoteze în vigoare, filtrele digitale și analogice pot fi comparate.
Figura 2. Schema bloc a unui filtru digital
Frecvența de tăiere necesară pentru ambele filtre este de 1 kHz. Conversia analogică este implementată de primul fel de ordinul al șaselea (caracterizat prin prezența ondulațiilor coeficientului de transmisie în banda de trecere și absența ondulațiilor 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. Folosind sisteme moderne de proiectare a filtrelor asistate de computer (CAD), crearea unui filtru de ordinul al șaselea este destul de ușoară, dar îndeplinirea specificației de planeitate de 0,5 dB necesită o selecție precisă a componentelor.
Filtrul digital FIR cu 129 de coeficienți prezentat în Figura 2 are o planeitate a benzii de trecere de numai 0,002 dB, un răspuns de fază liniar și o declinare mult mai abruptă. În practică, astfel de caracteristici nu pot fi realizate folosind metode analogice. Un alt avantaj evident al circuitului este că filtrul digital nu necesită selecția componentelor și nu este supus derivei parametrilor, deoarece frecvența ceasului filtrului este stabilizată de un rezonator cu cuarț. Un filtru cu 129 de coeficienți necesită 129 de operații de multiplicare-acumulare (MAC) pentru a calcula eșantionul de ieșire. Aceste calcule trebuie finalizate într-un interval de eșantionare de 1/fs pentru a asigura funcționarea în timp real. În acest exemplu, rata de eșantionare este de 10 kHz, deci 100 μs de timp de procesare sunt suficiente, cu excepția cazului în care este nevoie de un calcul suplimentar semnificativ. Familia de DSP-uri ADSP-21xx 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 coeficienți necesită o viteză mai mare de 129/100 μs = 1,3 milioane de instrucțiuni pe secundă (MIPS). DSP-urile existente sunt mult mai rapide și, prin urmare, nu sunt factorul limitativ pentru aceste aplicații. Seria ADSP-218x cu punct fix pe 16 biți oferă performanțe de până la 75MIPS. Lista 1 arată codul de asamblare care implementează filtrul pe procesoarele DSP din familia ADSP-21xx. Rețineți că liniile reale de cod 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 și digitale sau metodele de procesare a semnalului analog și digital în general. Sistemele moderne de procesare a semnalului combină metode analogice și digitale pentru a implementa funcția dorită și pentru a profita de cele mai bune metode, atât analogice, cât și digitale.
PROGRAM DE MONTAJ:
FILTRU DE BAD PENTRU ADSP-21XX (SINGURA PRECIZIE)
MODUL fir_sub; ( Subrutină filtru FIR Parametri de apelare subrutine 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 însumării (rotunjit și limitat) I0 --> Cele mai vechi date din linia de întârziere I4 --> Începutul tabelului coeficienților de filtru Registre variabile MX0,MY0,MR Timp de rulare (N - 1) + 6 cicluri = N + 5 cicluri Toți coeficienții se scriu în formatul 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:
Astăzi vom încerca să ne dăm seama ce sunt semnalele analogice și digitale? Avantajele și dezavantajele lor. Să nu aruncăm diverși termeni și definiții științifice, ci să încercăm să înțelegem situația dintr-o privire.
Ce este un semnal analogic?
Un semnal analogic se bazează pe analogia unui semnal electric (valorile curentului și tensiunii) cu valoarea semnalului original (culoarea pixelilor, frecvența și amplitudinea sunetului etc.). Acestea. valorile specifice ale curentului și tensiunii corespund transmiterii unei anumite culori de pixel sau semnal audio.
Voi da un exemplu folosind un semnal video analogic.
Tensiunea de pe fir este de 5 volți pentru albastru, 6 volți pentru verde, 7 volți pentru roșu.
Pentru ca pe ecran să apară dungi roșii, albastre și verzi, trebuie să aplicați alternativ 5, 6, 7 volți cablului. Cu cât schimbăm mai repede tensiunile, cu atât dungile sunt mai subțiri pe monitor. Prin reducerea la minimum a intervalului dintre schimbările de tensiune, nu mai obținem dungi, ci puncte colorate alternând unul după altul.
O caracteristică importantă a semnalului analogic este faptul că este transmis strict de la emițător la receptor (de exemplu, de la o antenă la un televizor), nu există feedback. Prin urmare, dacă interferența interferează cu transmisia semnalului (de exemplu, în loc de șase volți sunt patru), culoarea pixelului va fi distorsionată și vor apărea ondulații pe ecran.
Semnalul analogic este continuu.
Ce este un semnal digital?
Transmiterea datelor se realizează și folosind un semnal electric, dar există doar două semnificații ale acestor semnale și ele corespund cu 0 și 1. Adică. O secvență de zerouri și unu este transmisă de-a lungul firelor. Cam așa: 01010001001 etc. Pentru a vă asigura că dispozitivul de recepție (de exemplu, un televizor) nu se confundă în datele transmise, numerele sunt transmise în loturi. Se întâmplă cam așa: 10100010 10101010 10100000 10111110. Fiecare astfel de pachet conține anumite informații, de exemplu, culoarea unui pixel. O caracteristică importantă a unui semnal digital este că dispozitivele de transmisie și recepție pot comunica între ele și pot corecta reciproc erorile care pot apărea în timpul transmisiei.
Exemple de transmisie de semnal digital și analogic
Pentru un semnal digital, transmisia merge cam așa:
- Interferență: AHHHHHHHHHH!
- TV: Care? Nu pot auzi!
- VCR: Verde!
- TV: Da, am înțeles! Desenez verde.
- TV: Vă rugăm să confirmați că culoarea este roșie.
- VCR: Confirm.
- TV: Bine! Desenez.
Transmisie pentru semnal analogic:
- VCR: Hei, televizor, culoarea pixelului cu coordonatele 120x300 este verde.
- Interferență: AHHHHHHHHHH!
- TV: Care? Nu pot auzi! La naiba, voi desena albastru.
- VCR: Următoarea culoare este roșu!
- Interferență: BANG! BOOM!
- TV: Se pare că e roșu! Desenez.
- VCR: Lopata!
- Interferență: PSHSHSHSHSH!
- TV:?!. Trebuie să desenezi ceva?! Să fie o lopată!
Avantajele și dezavantajele semnalelor digitale și analogice
Din cele de mai sus putem concluziona că, toate celelalte lucruri fiind egale, calitatea transmiterii informației folosind semnale digitale va fi mai mare decât în cazul unei reprezentări analogice a semnalului. În același timp, cu o imunitate bună la zgomot, cele două tehnologii pot concura în condiții egale.
Semnal informativ - proces fizic care are pentru o persoană sau dispozitiv tehnic informativ sens. Poate fi continuu (analogic) sau discret
Termenul „semnal” este foarte des identificat cu conceptele de „date” și „informații”. Într-adevăr, aceste concepte sunt interdependente și nu există unele fără altele, ci aparțin unor categorii diferite.
Semnal este o funcție de informare care poartă un mesaj despre proprietățile fizice, starea sau comportamentul oricărui sistem fizic, obiect sau mediu, iar scopul procesării semnalului poate fi considerat a fi extragerea anumitor informații de informații care sunt afișate în aceste semnale (în scurt - informație utilă sau țintă) și transformarea acestor informații într-o formă convenabilă pentru percepție și utilizare ulterioară.
Informațiile sunt transmise sub formă de semnale. Un semnal este un proces fizic care transportă informații. Semnalul poate fi sonor, luminos, sub formă de corespondență etc.
Un semnal este un purtător material de informații care este transmis de la o sursă la un consumator. Poate fi discret și continuu (analogic)
Semnal analog- un semnal de date în care fiecare dintre parametrii reprezentativi este descris printr-o funcție de timp și un set continuu de valori posibile.
Semnalele analogice sunt descrise prin funcții continue ale timpului, motiv pentru care un semnal analogic este uneori numit semnal continuu. Semnalele analogice sunt contrastate cu cele discrete (cuantizate, digitale).
Exemple de spații continue și mărimi fizice corespunzătoare: (linie dreaptă: tensiune electrică; cerc: poziția unui rotor, roată, roată dințată, ceas analogic sau faza unui semnal purtător; segment: poziția unui piston, pârghie de comandă, termometru lichid , sau semnal electric limitat în amplitudine diferite spații multidimensionale: culoare, semnal modulat în cuadratura.)
Proprietățile semnalelor analogice sunt în mare măsură proprietăți opuse de cuantizat sau digital semnale.
Absența nivelurilor de semnal discrete clar distinse face imposibilă aplicarea conceptului de informație în formă așa cum este înțeleasă în tehnologiile digitale pentru a o descrie. „cantitatea de informații” conținută într-o citire va fi limitată doar de intervalul dinamic al instrumentului de măsurare.
Fără redundanță. Din continuitatea spațiului valoric rezultă că orice zgomot introdus în semnal nu se poate distinge de semnalul în sine și, prin urmare, amplitudinea inițială nu poate fi restabilită. De fapt, filtrarea este posibilă, de exemplu, prin metode de frecvență, dacă sunt cunoscute informații suplimentare despre proprietățile acestui semnal (în special, banda de frecvență).
Aplicație:
Semnalele analogice sunt adesea folosite pentru a reprezenta mărimi fizice în continuă schimbare. De exemplu, un semnal electric analog luat de la un termocuplu transportă informații despre schimbările de temperatură, un semnal de la un microfon transportă informații despre schimbările rapide ale presiunii într-o undă sonoră etc.
Semnal discret constă dintr-o mulțime numărabilă (adică o mulțime ale cărei elemente pot fi numărate) de elemente (se spune - elemente informaționale). De exemplu, semnalul „cărămidă” este discret. Se compune din următoarele două elemente (aceasta este caracteristica sintactică a acestui semnal): un cerc roșu și un dreptunghi alb în interiorul cercului, situate orizontal în centru. Este prezentată sub forma unui semnal discret informația pe care cititorul le stăpânește în prezent. Puteți distinge următoarele elemente: secțiuni (de exemplu, „Informații”), subsecțiuni (de exemplu, „Proprietăți”), paragrafe, propoziții, fraze individuale, cuvinte și caractere individuale (litere, cifre, semne de punctuație etc.). Acest exemplu arată că, în funcție de pragmatica semnalului, se pot distinge diferite elemente de informare. De fapt, pentru o persoană care studiază informatica dintr-un text dat, elementele de informare mai mari, cum ar fi secțiunile, subsecțiunile și paragrafele individuale, sunt importante. Ele îi permit să navigheze mai ușor în structura materialului, să-l asimileze mai bine și să se pregătească pentru examen. Pentru cel care a pregătit acest material metodologic, pe lângă elementele informaționale indicate, sunt importante și cele mai mici, de exemplu, propoziții individuale, cu ajutorul cărora se prezintă cutare sau cutare idee și care implementează cutare sau cutare metodă de accesibilitate a materialul. Setul celor mai mici elemente ale unui semnal discret se numește alfabet, iar semnalul discret în sine este numit și mesaj.
Eșantionarea este conversia unui semnal continuu într-unul discret (digital).
Diferența dintre reprezentarea discretă și cea continuă a informațiilor este clar vizibilă în exemplul unui ceas. Într-un ceas electronic cu cadran digital, informațiile sunt prezentate discret - în numere, fiecare dintre ele fiind clar diferit unul de celălalt. Într-un ceas mecanic cu cadran cu indicator, informațiile sunt prezentate continuu - pozițiile a două mâini și două poziții diferite ale mâinii nu sunt întotdeauna clar distinse (mai ales dacă nu există marcatoare de minute pe cadran).
Semnal continuu– reflectată de o anumită mărime fizică care se modifică într-un interval de timp dat, de exemplu, timbrul sau intensitatea sunetului. Această informație este prezentată sub forma unui semnal continuu pentru acei studenți - consumatori care urmează cursurile de informatică și percep materialul prin unde sonore (cu alte cuvinte, vocea lectorului), care sunt de natură continuă.
După cum vom vedea mai târziu, un semnal discret este mai susceptibil de transformare și, prin urmare, are avantaje față de unul continuu. În același timp, în sistemele tehnice și în procesele reale predomină un semnal continuu. Acest lucru ne obligă să dezvoltăm modalități de a converti un semnal continuu într-unul discret.\
Pentru a converti un semnal continuu într-unul discret, o procedură numită cuantizarea.
Un semnal digital este un semnal de date în care fiecare dintre parametrii reprezentativi este descris de o funcție de timp discretă și un set finit de valori posibile.
Un semnal digital discret este mai dificil de transmis pe distanțe lungi decât un semnal analogic, așa că este pre-modulat pe partea transmițătorului și demodulat pe partea receptorului de informații. Utilizarea algoritmilor pentru verificarea și restaurarea informațiilor digitale în sistemele digitale poate crește semnificativ fiabilitatea transmiterii informațiilor.
Cometariu. Trebuie reținut că un semnal digital real este analog în natura sa fizică. Datorită zgomotului și modificărilor parametrilor liniei de transmisie, are fluctuații în amplitudine, fază/frecvență (jitter) și polarizare. Dar acest semnal analogic (puls și discret) este înzestrat cu proprietățile unui număr. Ca urmare, devine posibil să se utilizeze metode numerice (prelucrare pe computer) pentru a-l procesa.
