Conceptul de interfață digitală PBX

CSC trebuie să furnizeze o interfață (comună) cu liniile de abonat analog și digital (SL) și sisteme de transmisie.

la fund este granița dintre două blocuri funcționale, care este definită de caracteristicile funcționale, caracteristicile generale ale conexiunii fizice, caracteristicile semnalului și alte caracteristici în funcție de specific.

Interfața oferă o determinare unică a parametrilor de conectare între două dispozitive. Acești parametri se referă la tipul, numărul și funcția circuitelor de interconectare, precum și tipul, forma și secvența semnalelor care sunt transmise de-a lungul acestor circuite.

Este specificată definiția exactă a tipurilor, numărului, formei și secvenței conexiunilor și relația dintre două blocuri funcționale la interfața dintre ele. caietul de sarcini comun.

Interfețele unui PBX digital pot fi împărțite în următoarele:

Interfață analogică de abonat;

Interfață digitală de abonat;

interfață de abonat ISDN;

Conexiuni de rețea (digitale și analogice).

Conectori inel

Structurile inele își găsesc aplicații într-o gamă largă de domenii de comunicare. În primul rând, acestea sunt sisteme de transmisie în inel cu grupare temporară, care au în esență o configurație de linii unidirecționale conectate în serie care formează un circuit închis sau inel. În acest caz, două funcții principale sunt implementate în fiecare nod de rețea:

1) fiecare nod funcționează ca un regenerator pentru a recupera semnalul digital de intrare și a-l transmite din nou;

în nodurile rețelei se recunoaște structura ciclului de formare temporară a grupului și se realizează comunicarea de-a lungul inelului folosind

2) îndepărtarea și introducerea unui semnal digital în anumite intervale de canal atribuite fiecărui nod.

Abilitatea de a redistribui sloturile de canal între perechi arbitrare de noduri într-un sistem de inel cu grupare în timp înseamnă că inelul este un sistem de transmisie și comutare distribuită. Ideea transmiterii și comutării simultane în structurile de inel a fost extinsă la câmpurile de comutare digitale.

Într-o astfel de schemă, o conexiune duplex poate fi stabilită între oricare două noduri folosind un singur canal. În acest sens, circuitul inel realizează o transformare spațio-temporală a coordonatelor semnalului și poate fi considerat una dintre opțiunile de construire a unei etape S/T.

Semnale analogice, discrete, digitale

În sistemele de telecomunicații, informațiile sunt transmise prin intermediul semnalelor. Uniunea Internațională a Telecomunicațiilor îl definește după cum urmează: semnal:

Un semnal de telecomunicații este un set de unde electromagnetice care se propagă de-a lungul unui canal de transmisie unidirecțională și sunt destinate să influențeze un dispozitiv de recepție.

1) semnal analog- un semnal în care fiecare parametru reprezentativ este specificat de o funcție de timp continuă cu un set continuu de valori posibile

2) semnal discret la nivel - un semnal ale cărui valori ale parametrilor reprezentativi sunt specificate de o funcție de timp continuă cu un set finit de valori posibile. Procesul de eșantionare a unui semnal după nivel este numit cuantificare;

3) semnal temporal discret - un semnal în care fiecare parametru reprezentativ este specificat de o funcție în timp discret cu un set continuu de valori posibile

4) semnal digital - un semnal în care valorile parametrilor reprezentativi sunt specificate de o funcție în timp discret cu un set finit de valori posibile

Modulare este conversia unui semnal la altul prin modificarea parametrilor semnalului purtător în conformitate cu semnalul convertit. Semnalele armonice, secvențele periodice de impulsuri etc. sunt folosite ca semnal purtător.

De exemplu, la transmiterea unui semnal digital printr-o linie de cod binar, poate apărea o componentă constantă a semnalului datorită predominării celor în toate cuvintele de cod.

Absența unei componente constante în linie permite utilizarea potrivirii transformatoareîn dispozitive liniare, precum și furnizarea de energie de la distanță a regeneratoarelor cu curent continuu. Pentru a scăpa de componenta DC nedorită a unui semnal digital, semnalele binare sunt convertite folosind coduri speciale înainte de a fi trimise pe linie. Pentru sistemul primar de transmisie digitală (DTS) se adoptă codul HDB3.

Codificarea unui semnal binar într-un semnal cvasi-ternar modificat folosind codul HDB3 se realizează conform următoarelor reguli (Fig. 1.5).

Orez. 1.5. Coduri binare și coduri HDB3 corespunzătoare

Modularea codului de impuls

Se numește conversia unui semnal analogic primar continuu într-un cod digital modularea codului de impuls(ICM). Operațiile principale în PCM sunt operațiunile de eșantionare în timp, cuantificare (eșantionare la nivelul unui semnal timp-discret) și codare.

Eșantionarea în timp a unui semnal analogic este o transformare în care parametrul reprezentativ al unui semnal analogic este specificat printr-un set de valori ale acestuia în momente discrete de timp, sau, cu alte cuvinte, în care dintr-un semnal analogic continuu CT)(Fig. 1.6, a) obțineți valorile eșantionului Cu"(Fig. 1.6, b). Valorile parametrului reprezentativ al semnalului obținut în urma operației de eșantionare în timp se numesc eșantioane.

Cele mai răspândite sunt sistemele de transmisie digitală care utilizează eșantionarea uniformă a semnalului analogic (eșantioanele acestui semnal sunt realizate la intervale de timp egale). În cazul eșantionării uniforme, se folosesc următoarele concepte: interval de prelevare At(interval de timp dintre două mostre adiacente ale unui semnal discret) și frecvența de prelevare Fd(reciproca intervalului de eșantionare). Mărimea intervalului de eșantionare este selectată în conformitate cu teorema lui Kotelnikov.

Conform teoremei lui Kotelnikov, un semnal analogic cu un spectru limitat și un interval de observare infinit poate fi reconstruit fără erori dintr-un semnal discret obținut prin eșantionarea semnalului analogic original dacă frecvența de eșantionare este de două ori mai mare decât frecvența maximă a spectrului de semnal analogic:

teorema lui Kotelnikov

Teorema lui Kotelnikov (în literatura engleză - teorema Nyquist-Shannon) afirmă că, dacă un semnal analogic x(t) are un spectru limitat, atunci acesta poate fi restaurat în mod unic și fără pierderi din probele sale discrete luate cu o frecvență mai mare de două ori mai mare decât cea maximă. frecvența spectrului Fmax .

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 și calitatea semnalului înregistrat se deteriorează. Fiecare citire distruge treptat suportul media, iar rescrierea introduce o distorsiune suplimentară, 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 observabilă, 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 până la 22 kHz, rămâne întrebarea cu privire la calitatea acestui semnal după restaurare. 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 nu puteți 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 câștiga cu adevărat bani.

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 numai 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 caseta audio sau vinil nu poate fi reînregistrat fără pierderea calității, în timp ce un val în reprezentare digitală poate fi copiat 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.

Electronica digitală înlocuiește din ce în ce mai mult electronicele analogice tradiționale. Companiile de vârf care produc o mare varietate de echipamente electronice anunță din ce în ce mai mult o tranziție completă la tehnologia digitală.

Progresele în tehnologia de producție a cipurilor electronice au asigurat dezvoltarea rapidă a tehnologiei și dispozitivelor digitale. Utilizarea metodelor digitale de procesare și transmitere a semnalului poate îmbunătăți semnificativ calitatea liniilor de comunicație. Metodele digitale de procesare a semnalului și comutare în telefonie fac posibilă reducerea de mai multe ori a caracteristicilor de greutate și dimensiune ale dispozitivelor de comutare, creșterea fiabilității comunicațiilor și introducerea de funcționalități suplimentare.

Apariția microprocesoarelor de mare viteză, a cipurilor de memorie cu acces aleatoriu de volum mare și a dispozitivelor de stocare a informațiilor de dimensiuni mici pe suporturi de stocare de volum mare a făcut posibilă crearea de calculatoare electronice personale universale destul de ieftine (calculatoare), care au găsit o aplicație foarte largă. în viața de zi cu zi și în producție.

Tehnologia digitală este indispensabilă în sistemele de telesemnalizare și telecontrol utilizate în producția automată, controlul obiectelor la distanță, de exemplu, nave spațiale, stații de pompare a gazelor etc. Tehnologia digitală a ocupat un loc puternic și în sistemele de măsurare electrice și radio. Dispozitivele moderne pentru înregistrarea și reproducerea semnalelor sunt, de asemenea, de neconceput fără utilizarea dispozitivelor digitale. Dispozitivele digitale sunt utilizate pe scară largă pentru controlul aparatelor electrocasnice.

Este foarte probabil ca dispozitivele digitale să domine piața electronică în viitor.

Mai întâi, să dăm câteva definiții de bază.

Semnal este orice mărime fizică (de exemplu, temperatura, presiunea aerului, intensitatea luminii, puterea curentului etc.) care se modifică în timp. Datorită acestei schimbări în timp, semnalul poate transporta anumite informații.

Semnal electric este o mărime electrică (de exemplu, tensiune, curent, putere) care se modifică în timp. Toate electronicele funcționează în primul rând pe semnale electrice, deși mai recent semnalele luminoase, care reprezintă intensitatea luminii care variază în timp, au fost din ce în ce mai utilizate.

Semnal analog este un semnal care poate lua orice valoare în anumite limite (de exemplu, tensiunea se poate schimba fără probleme de la zero la zece volți). Dispozitivele care funcționează numai cu semnale analogice se numesc dispozitive analogice.

Semnal digital este un semnal care poate lua doar două valori (uneori trei valori). Mai mult, sunt permise unele abateri de la aceste valori (Fig. 1.1). De exemplu, tensiunea poate lua două valori: de la 0 la 0,5 V (nivel zero) sau de la 2,5 la 5 V (nivel de unitate). Dispozitivele care funcționează exclusiv cu semnale digitale se numesc dispozitive digitale.

În natură, aproape toate semnalele sunt analogice, adică se schimbă continuu în anumite limite. Acesta este motivul pentru care primele dispozitive electronice au fost analogice. Au convertit mărimi fizice în tensiune sau curent proporțional cu acestea, au efectuat unele operații asupra lor și apoi au efectuat conversii inverse în mărimi fizice. De exemplu, vocea unei persoane (vibrațiile aerului) este convertită în vibrații electrice folosind un microfon, apoi aceste semnale electrice sunt amplificate de un amplificator electronic și, folosind un sistem acustic, sunt din nou transformate în vibrații ale aerului, într-un sunet mai puternic.

Orez. 1.1. Semnale electrice: analogice (stânga) și digitale (dreapta).

Toate operațiunile efectuate de dispozitive electronice asupra semnalelor pot fi împărțite în trei grupuri mari:

Prelucrare (sau transformare);

Difuzare;

Depozitare.

În toate aceste cazuri, semnalele utile sunt distorsionate de semnale parazite - zgomot, interferență, interferență. În plus, la procesarea semnalelor (de exemplu, în timpul amplificării, filtrării), forma acestora este, de asemenea, distorsionată din cauza imperfecțiunii și imperfecțiunii dispozitivelor electronice. Și atunci când sunt transmise pe distanțe lungi și în timpul stocării, semnalele slăbesc și ele.

Orez. 1.2. Distorsiunea prin zgomot și interferență a unui semnal analogic (stânga) și a unui semnal digital (dreapta).

În cazul semnalelor analogice, toate acestea degradează semnificativ semnalul util, deoarece toate valorile sale sunt permise (Fig. 1.2). Prin urmare, fiecare conversie, fiecare stocare intermediară, fiecare transmisie prin cablu sau aer degradează semnalul analogic, uneori chiar până la distrugerea lui completă. De asemenea, trebuie să luăm în considerare faptul că toate zgomotele, interferențele și interferențele sunt fundamental imposibil de calculat cu precizie, prin urmare este absolut imposibil să descriem cu exactitate comportamentul oricăror dispozitive analogice. În plus, în timp, parametrii tuturor dispozitivelor analogice se modifică din cauza îmbătrânirii elementelor, astfel încât caracteristicile acestor dispozitive nu rămân constante.

Spre deosebire de semnalele analogice, semnalele digitale, care au doar două valori permise, sunt mult mai bine protejate de zgomot, interferențe și interferențe. Micile abateri de la valorile permise nu distorsionează semnalul digital în niciun fel, deoarece există întotdeauna zone de abateri permise (Fig. 1.2). De aceea, semnalele digitale permit o procesare mult mai complexă și în mai multe etape, o stocare mult mai lungă fără pierderi și o transmisie de calitate mult mai ridicată decât semnalele analogice. În plus, comportamentul dispozitivelor digitale poate fi întotdeauna calculat și prezis cu absolut exactitate. Dispozitivele digitale sunt mult mai puțin susceptibile la îmbătrânire, deoarece micile modificări ale parametrilor lor nu le afectează în niciun fel funcționarea. În plus, dispozitivele digitale sunt mai ușor de proiectat și de depanat. Este clar că toate aceste avantaje asigură dezvoltarea rapidă a electronicii digitale.

Cu toate acestea, semnalele digitale au și un dezavantaj major. Faptul este că un semnal digital trebuie să rămână la fiecare dintre nivelurile sale permise pentru cel puțin un interval de timp minim, altfel va fi imposibil de recunoscut. Iar un semnal analogic poate lua orice valoare într-un timp infinitezimal. O putem spune altfel: un semnal analogic este definit în timp continuu (adică în orice moment al timpului), iar un semnal digital este definit în timp discret (adică numai în momente selectate de timp). Prin urmare, performanța maximă realizabilă a dispozitivelor analogice este întotdeauna fundamental mai mare decât cea a dispozitivelor digitale. Dispozitivele analogice pot gestiona semnale care se schimbă mai rapid decât cele digitale. Viteza de procesare și transmitere a informațiilor de către un dispozitiv analogic poate fi întotdeauna mai mare decât viteza de procesare și transmitere a acestuia de către un dispozitiv digital.

În plus, un semnal digital transmite informație doar pe două niveluri și prin schimbarea unuia dintre nivelurile sale cu altul, în timp ce un semnal analogic transmite și informație cu fiecare valoare curentă a nivelului său, adică este mai încăpător în ceea ce privește transmiterea informațiilor. Prin urmare, pentru a transmite cantitatea de informații utile conținute într-un semnal analogic, cel mai adesea este necesar să se utilizeze mai multe semnale digitale (de obicei de la 4 la 16).

În plus, după cum sa menționat deja, în natură toate semnalele sunt analogice, adică pentru a le converti în semnale digitale, iar pentru conversia inversă, este necesară utilizarea unor echipamente speciale (convertoare analog-digital și digital-analogic) . Deci nimic nu vine gratuit, iar prețul de plătit pentru beneficiile dispozitivelor digitale poate fi uneori inacceptabil de mare.

Proiectarea circuitelor digitale este cea mai importantă disciplină care se studiază în toate instituțiile de învățământ superior și secundar care formează specialiști în electronică. Un radioamator adevărat ar trebui să fie, de asemenea, bine versat în această problemă. Dar cele mai multe cărți și manuale sunt scrise într-o limbă care este foarte greu de înțeles și va fi dificil pentru un inginer electronic începător (poate un elev de școală) să învețe informații noi. O serie de noi materiale educaționale de la Maestrul Keith este concepută pentru a umple acest gol: articolele noastre explică concepte complexe în cei mai simpli termeni.

8.1. Semnale analogice și digitale

Mai întâi trebuie să înțelegeți cum diferă circuitele analogice de circuitele digitale. Și principala diferență este în semnalele cu care funcționează aceste circuite.
Toate semnalele pot fi împărțite în două tipuri principale: analogice și digitale.

Semnale analogice

Semnalele analogice ne sunt cele mai cunoscute. Putem spune că întreaga lume naturală din jurul nostru este analogică. Vederea și auzul nostru, precum și toate celelalte simțuri, percep informațiile primite în formă analogică, adică continuu în timp. Transmiterea de informații sonore - vorbirea umană, sunete ale instrumentelor muzicale, vuiet de animale, sunete ale naturii etc. – realizat și în formă analogică.
Pentru a înțelege și mai bine această problemă, să desenăm un semnal analogic (Fig. 1):

Fig.1. Semnal analog

Vedem că semnalul analogic este continuu în timp și amplitudine. Pentru orice moment, puteți determina valoarea exactă a amplitudinii semnalului analogic.

Semnale digitale

Să analizăm amplitudinea semnalului nu în mod constant, ci discret, la intervale fixe. De exemplu, o dată pe secundă, sau mai des: de zece ori pe secundă. Cât de des facem acest lucru se numește rata de eșantionare: o dată pe secundă - 1 Hz, de o mie de ori pe secundă - 1000 Hz sau 1 kHz.

Pentru claritate, să desenăm grafice ale semnalelor analogice (de mai sus) și digitale (de mai jos) (Fig. 2.):

Fig.2. Semnal analogic (sus) și copia sa digitală (jos)

Vedem că la fiecare interval de timp instantaneu putem afla valoarea digitală instantanee a amplitudinii semnalului. Nu știm ce se întâmplă cu semnalul (după ce lege se schimbă, care este amplitudinea lui) între intervalele de „verificare” această informație ne este pierdută. Cu cât verificăm mai rar nivelul semnalului (cu cât frecvența de eșantionare este mai mică), cu atât avem mai puține informații despre semnal. Bineînțeles, este și opusul adevărat: cu cât rata de eșantionare este mai mare, cu atât calitatea prezentării semnalului este mai bună. În limită, mărind frecvența de eșantionare la infinit, obținem aproape același semnal analogic.
Înseamnă asta că un semnal analogic este în orice caz mai bun decât unul digital? În teorie, poate, da. Dar, în practică, convertoarele analog-digitale (ADC) moderne operează cu o rată de eșantionare atât de mare (până la câteva milioane de mostre pe secundă) și descriu semnalul analogic în formă digitală atât de calitativ încât simțurile umane (ochi, urechi) pot nu mai simte diferența dintre semnalul original și modelul său digital. Un semnal digital are un avantaj foarte semnificativ: este mai ușor de transmis prin fire sau unde radio nu are un efect semnificativ asupra unui astfel de semnal; Prin urmare, toate comunicațiile mobile moderne, transmisiile de televiziune și radio sunt digitale.

Graficul de jos din fig. 2 este ușor de imaginat sub altă formă - ca o secvență lungă a unei perechi de numere: timp/amplitudine. Și numerele sunt exact ceea ce au nevoie circuitele digitale. Adevărat, circuitele digitale preferă să lucreze cu numere într-o reprezentare specială, dar despre asta vom vorbi în lecția următoare.

Acum putem trage concluzii importante:

Semnalul digital este discret, poate fi determinat doar pentru momente individuale în timp;
- cu cât frecvența de eșantionare este mai mare, cu atât acuratețea reprezentării semnalului digital este mai bună.

Un semnal analogic este o funcție a unui argument continuu (timp). Dacă graficul este întrerupt periodic, așa cum se întâmplă într-o succesiune de impulsuri, de exemplu, acestea vorbesc deja despre o anumită discreție a exploziei.

Istoria termenului

Inginerie calculator

Dacă te uiți cu atenție, nu este scris nicăieri unde a apărut definiția - analogic. În Occident, termenul a fost folosit încă din anii 40 de către profesioniștii în domeniul computerelor. În timpul celui de-al Doilea Război Mondial au apărut primele sisteme informatice, numite digitale. Și pentru a ne diferenția, a trebuit să venim cu epitete noi.

Conceptul de analog a intrat în lumea electrocasnicelor abia la începutul anilor 80, când au apărut primele procesoare Intel, iar lumea se juca cu jucării pe ZX-Spectrum astăzi puteți obține un emulator pentru dispozitive de pe Internet; Gameplay-ul a necesitat perseverență extraordinară, dexteritate și reacție excelentă. Alături de copii, adulții au adunat și cutii și au bătut extratereștrii inamici. Jocurile moderne sunt mult inferioare celor timpurii care au captat mințile jucătorilor de ceva timp.

Inregistrare sunet si telefonie

La începutul anilor 80, a început să apară muzica pop cu procesare electronică. Telegraful muzical a fost prezentat publicului în 1876, dar nu a câștigat recunoaștere. Muzica populară atrage publicul în cel mai larg sens al cuvântului. Telegraful a fost capabil să producă o singură notă și să o transmită la distanță, unde a fost reprodusă de un difuzor special conceput. Și deși Beatles au folosit o orgă electronică pentru a crea Sergeant Pepper, sintetizatorul a intrat în uz la sfârșitul anilor '70. Instrumentul a devenit cu adevărat popular și digital deja la mijlocul anilor 80: amintiți-vă Modern Talking. Anterior, au fost folosite sintetizatoare analogice, începând cu Novachord în 1939.

Deci, cetățeanul obișnuit nu a avut nevoie să facă distincția între tehnologiile analogice și cele digitale până când acestea din urmă s-au stabilit ferm în viața de zi cu zi. Cuvântul analog a fost în domeniul public de la începutul anilor 80. În ceea ce privește originea termenului, se crede în mod tradițional că indicatorul a fost împrumutat de la telefonie și a migrat ulterior către înregistrarea sunetului. Vibrațiile analogice sunt transmise direct difuzorului, iar vocea se aude imediat. Semnalul este similar vorbirii umane și devine un analog electric.

Dacă aplicați un semnal digital difuzorului, se va auzi o cacofonie de nedescris de note de diferite tonuri. Acest „discurs” este familiar pentru oricine a încărcat programe și jocuri de pe bandă magnetică în memoria computerului. Nu pare uman, pentru că este digital. În ceea ce privește semnalul discret, în cele mai simple sisteme acesta este alimentat direct la difuzor, care servește ca integrator. Succesul sau eșecul unei întreprinderi depinde în totalitate de parametrii corect selectați.

În același timp, termenul a apărut și în înregistrarea sunetului, unde muzica și vocea treceau direct de la microfon pe bandă. Înregistrarea magnetică a devenit un analog al artiștilor adevărați. Discurile de vinil sunt ca muzicienii și sunt încă considerate cel mai bun mediu pentru orice compoziție. Deși arată o durată de viață limitată. Acum CD-urile conțin adesea audio digital care este decodat de un decodor. Potrivit Wikipedia, noua era a început în 1975 (en.wikipedia.org/wiki/History_of_sound_recording).

Măsurători electrice

Într-un semnal analogic, există o proporționalitate între tensiune sau curent și răspunsul dispozitivului de redare. Termenul va fi considerat ca provine din grecescul analogos. Ce înseamnă proporțional? Totuși, comparația este similară cu cea de mai sus: semnalul este asemănător cu o voce reprodusă de difuzoare.

În plus, în tehnologie este folosit un alt termen pentru a se referi la semnalele analogice – continuu. Ceea ce corespunde definiției date mai sus.

Informații generale

Energia semnalului

După cum reiese din definiție, un semnal analogic are energie infinită și nu este limitat în timp. Prin urmare, parametrii săi sunt mediați. De exemplu, 220 V prezent în prize se numește valoare efectivă din motivul specificat. Prin urmare, sunt utilizate valori efective (mediate pe un anumit interval). Este deja clar că priza conține un semnal analogic cu o frecvență de 50 Hz.

Când vine vorba de discretitate, sunt folosite valori finite. De exemplu, atunci când cumpărați un pistol paralizant, trebuie să vă asigurați că energia de impact nu depășește o anumită valoare măsurată în jouli. În caz contrar, vor apărea probleme cu utilizarea sau inspecția. Deoarece, pornind de la o anumită valoare energetică, pistolul asomator este folosit doar de forțele speciale, cu o limită superioară stabilită. Orice altceva este ilegal în principiu și poate duce la moarte atunci când este folosit.

Energia impulsului se găsește înmulțind curentul și tensiunea cu durata. Și aceasta arată caracterul finit al parametrului pentru semnale discrete. Secvențele digitale se găsesc și în tehnologie. Un semnal digital diferă de un semnal discret prin parametri specificați în mod rigid:

1. Durată.
2. Amplitudine.
3. Prezența a două stări specificate: 0 și 1.
4. Biții de mașină 0 și 1 sunt adăugați în cuvinte care sunt convenite în prealabil și ușor de înțeles pentru participanți (limbaj de asamblare).

Conversie reciprocă a semnalului

O definiție suplimentară a unui semnal analogic este aleatorietatea sa aparentă, absența regulilor vizibile sau asemănarea sa cu anumite procese naturale. De exemplu, o undă sinusoidală poate descrie rotația Pământului în jurul Soarelui. Acesta este un semnal analogic. În teoria circuitelor și a semnalului, o sinusoidă este reprezentată de un vector de amplitudine rotativă. Și faza curentului și a tensiunii este diferită - aceștia sunt doi vectori diferiți, dând naștere proceselor reactive. Ce se observă la inductori și condensatori.

Din definiție rezultă că un semnal analogic este ușor convertit într-unul discret. Orice sursă de alimentare comutată reduce tensiunea de intrare de la priză în pachete. În consecință, este angajat în conversia unui semnal analogic cu o frecvență de 50 Hz în rafale ultrasonice discrete. Variind parametrii de tăiere, sursa de alimentare ajustează valorile de ieșire la cerințele sarcinii electrice.

În interiorul unui receptor de unde radio cu un detector de amplitudine are loc procesul invers. După ce semnalul este rectificat, pe diode se formează impulsuri de diferite amplitudini. Informația este conținută în anvelopa unui astfel de semnal, linia care leagă vârfurile parcelei. Filtrul convertește impulsurile discrete în valori analogice. Principiul se bazează pe integrarea energiei: în perioada de prezență a tensiunii, sarcina condensatorului crește, apoi, în intervalul dintre vârfuri, curentul se formează datorită alimentării acumulate anterior de electroni. Valul rezultat este transmis la un amplificator de bas, iar mai târziu la difuzoare, unde rezultatul este auzit de alții.

Semnalul digital este codificat diferit. Acolo, amplitudinea pulsului este conținută în cuvântul mașină. Este format din unu și zerouri, este necesară decodarea. Operarea este efectuată de dispozitive electronice: adaptor grafic, produse software. Toată lumea a descărcat codecuri K-Lite de pe Internet, acesta este cazul. Driverul este responsabil pentru decodarea semnalului digital și convertirea acestuia pentru ieșire în difuzoare și afișaj.

Nu este nevoie să vă grăbiți în confuzie atunci când un adaptor este numit accelerator 3-D și invers. Primul convertește doar semnalul furnizat. De exemplu, există întotdeauna un adaptor în spatele intrării digitale DVI. Se ocupă doar de conversia numerelor din unu și zero pentru afișare pe matricea ecranului. Preia informații despre luminozitate și valorile pixelilor RGB. În ceea ce privește acceleratorul 3D, dispozitivul poate (dar nu este necesar) să conțină un adaptor, dar sarcina principală este calculele complexe pentru construirea de imagini tridimensionale. Această tehnică vă permite să eliberați procesorul central și să accelerați funcționarea computerului personal.

Semnalul analog-digital este convertit într-un ADC. Acest lucru se întâmplă în software sau în interiorul cipului. Unele sisteme combină ambele metode. Procedura începe prin a preleva mostre care se încadrează într-o zonă dată. Fiecare, atunci când este transformat, devine un cuvânt de mașină care conține cifra calculată. Apoi citirile sunt ambalate în pachete, făcând posibilă trimiterea lor către alți abonați ai sistemului complex.

Regulile de eșantionare sunt normalizate de teorema lui Kotelnikov, care arată frecvența maximă de eșantionare. Mai des, este interzis să faci o numărătoare inversă, deoarece informațiile se pierd. Pentru a spune simplu, un exces de șase ori al frecvenței de eșantionare peste limita superioară a spectrului de semnal este considerat suficient. O aprovizionare mai mare este considerată un avantaj suplimentar, garantând o bună calitate. Oricine a văzut indicii ale ratei de eșantionare a înregistrărilor audio. De obicei, setarea este peste 44 kHz. Motivul este particularitățile auzului uman: limita superioară a spectrului este de 10 kHz. Prin urmare, o frecvență de eșantionare de 44 kHz este suficientă pentru o transmisie mediocră a sunetului.

Diferența dintre semnalul discret și digital

În cele din urmă, o persoană percepe de obicei informații analogice din lumea exterioară. Dacă ochiul vede o lumină intermitentă, vederea periferică va capta peisajul înconjurător. În consecință, efectul final nu pare a fi discret. Desigur, este posibil să încercați să creați o percepție diferită, dar acest lucru este dificil și se va dovedi a fi complet artificial. Aceasta este baza pentru utilizarea codului Morse, care constă din puncte și liniuțe care sunt ușor de distins de zgomotul de fundal. Mișcările discrete ale unei taste de telegraf sunt greu de confundat cu semnalele naturale, chiar și în prezența unui zgomot puternic.

În mod similar, liniile digitale au fost introduse în tehnologie pentru a elimina interferențele. Orice iubitor de videoclipuri încearcă să obțină o copie codificată a filmului la rezoluție maximă. Informațiile digitale pot fi transmise pe distanțe lungi fără cea mai mică distorsiune. Regulile cunoscute de ambele părți pentru formarea cuvintelor convenite în prealabil devin asistenți. Uneori, informațiile redundante sunt încorporate într-un semnal digital, permițând corectarea sau detectarea erorilor. Acest lucru elimină percepțiile greșite.

Semnale puls

Pentru a fi mai precis, semnalele discrete sunt date de citiri în anumite momente în timp. Este clar că o astfel de succesiune nu se formează în realitate datorită faptului că ascensiunea și căderea au o lungime finită. Impulsul nu se transmite instantaneu. Prin urmare, spectrul secvenței nu este considerat discret. Aceasta înseamnă că semnalul nu poate fi numit așa. În practică, există două clase:

1. Semnale de impuls analogice - al căror spectru este determinat de transformata Fourier, prin urmare, continuă, cel puțin în anumite zone. Rezultatul actiunii tensiunii sau curentului asupra unui circuit se gaseste prin operatia de convolutie.
2. Semnalele de impulsuri discrete prezintă, de asemenea, un spectru discret, operațiile cu acestea sunt efectuate prin transformate Fourier discrete. Prin urmare, se folosește și convoluția discretă.

Aceste clarificări sunt importante pentru literații care au citit că semnalele de puls pot fi analogice. Discretele sunt denumite după caracteristicile spectrului. Termenul analog este folosit pentru diferențiere. Epitetul continuu este aplicabil, așa cum sa menționat deja mai sus, și în legătură cu caracteristicile spectrului.

Clarificare: doar spectrul unei secvențe infinite de impulsuri este considerat strict discret. Pentru un pachet, componentele armonice sunt întotdeauna vagi. Un astfel de spectru seamănă cu o secvență de impulsuri modulate în amplitudine.