Diferența dintre semnalul analogic și cel digital. Diferențe între audio analogic și digital

Atunci când se ocupă cu emisiunile de televiziune și radiodifuziune, precum și cu formele moderne de comunicare, de cele mai multe ori trebuie să se trateze termeni precum "Semnal analogic"   și "Semnal digital". Pentru specialiștii din aceste cuvinte nu există nici un secret, dar pentru oamenii care nu știu, diferența dintre "figură" și "analog" poate fi complet necunoscută. Între timp, există o diferență foarte semnificativă.

Când vorbim despre un semnal, înseamnă de obicei oscilații electromagnetice, care induc emf și provoacă oscilații curente în antena receptorului. În funcție de aceste fluctuații, dispozitivul de recepție - televizor, radio, walkie-talkie sau telefon mobil - face o idee despre ce imagine să afișeze pe ecran (dacă există un semnal video) și ceea ce pare să însoțească acest semnal video.

În orice caz, semnalul unei stații radio sau al unui turn mobil poate apărea atât în ​​formă digitală, cât și analogă. La urma urmei, de exemplu, sunetul în sine este un semnal analogic. La postul de radio, sunetul perceput de microfon este transformat în oscilațiile electromagnetice menționate anterior. Cu cât frecvența sunetului este mai mare, cu atât este mai mare frecvența de oscilație la ieșire și cu cât difuzorul spune mai tare, cu atât este mai mare amplitudinea.

Oscilațiile electromagnetice rezultate sau undele se propagă în spațiu folosind o antenă de transfer. Pentru ca difuzarea să nu fie înfundată de interferențe de joasă frecvență și pentru ca diferite posturi de radio să aibă posibilitatea de a lucra în paralel, fără a interfera unul cu altul, vibrațiile care rezultă din efectul sonor se însumează, adică "impun" alte vibrații care au o frecvență constantă. Frecvența din urmă este denumită în mod obișnuit "purtătoare", și este pentru percepția ei că ne acordăm receptorul radio pentru a "captura" semnalul analog al unei posturi de radio.

În receptor, procesul de inversare are loc: frecvența purtătoare este separată, iar oscilațiile electromagnetice recepționate de antenă sunt transformate în vibrații sonore, iar vocea vorbitorului vorbitorului se aude din difuzor.

În procesul de transmitere a unui semnal sonor de la postul de radio către receptor, se poate întâmpla orice. Ar putea să apară interferențe de la terți, frecvența și amplitudinea se pot schimba, ceea ce, desigur, va afecta sunetele realizate de radio. În cele din urmă, atât transmițătorul cât și receptorul introduc o eroare în timpul conversiei semnalului. Prin urmare, sunetul reprodus de un receptor radio analogic are întotdeauna o anumită distorsiune. Vocea poate fi reprodusă complet, în ciuda schimbărilor, dar fundalul va fi șuierat sau chiar unele raloare cauzate de interferențe. Cu cât mai puțină încredere va fi recepția, cu atât vor fi mai tari și mai clare aceste efecte sonore străine.

În plus, semnalul analog terestru are un grad de protecție foarte scăzut împotriva accesului neautorizat. Pentru posturile de radio publice acest lucru, desigur, nu face nici o diferență. Dar, în timp ce utilizați primul telefoane mobile   A fost un moment neplăcut, legat de faptul că aproape orice outsider ar putea fi ușor reglat la valul drept pentru a asculta conversația dvs. telefonică.

Astfel de deficiențe sunt în radiodifuziunea analogică. Din cauza lor, de exemplu, televiziunea promite să fie complet digitală într-un timp relativ scurt.

Comunicarea și radiodifuziunea digitală sunt considerate mai protejate de interferențe și de influențele externe. Faptul este că atunci când se utilizează semnalul analogic "digital" de la un microfon la postul de emisie este criptat într-un cod digital. Nu, desigur, fluxul de numere și numere nu se răspândește în spațiul din jur. Doar un sunet de o anumită frecvență și volum este atribuit un cod de la impulsuri radio. Durata și frecvența impulsurilor sunt setate în avans - este aceeași atât la emițător, cât și la receptor. Prezența unui impuls corespunde cu una, absența - la zero. Prin urmare, o astfel de conexiune și a primit numele "digital".

Se numește un dispozitiv care convertește un semnal analogic într-un cod digital convertor analog-digital (ADC). Un dispozitiv instalat în receptor și convertește codul într-un semnal analogic care corespunde vocii prietenului tău în dinamica unui telefon mobil GSM este denumit "convertor analogic digital" (DAC).

În timpul transmiterii unui semnal digital, erorile și distorsiunile sunt practic excluse. Dacă impulsul devine puțin mai puternic, mai lung sau invers, acesta va fi totuși recunoscut de sistem ca o unitate. Un zero va rămâne zero, chiar dacă în locul lui vor fi unele aleatoare semnal slab. Pentru ADC și DAC, nu există alte valori, cum ar fi 0,2 sau 0,9 - numai zero și una. Prin urmare, interferența cu comunicațiile digitale și radiodifuziunea nu are aproape niciun efect.

În plus, "figura" este de asemenea mai protejată de accesul neautorizat. La urma urmei, pentru ca DAC-ul dispozitivului să poată decripta semnalul, este necesar ca acesta să "cunoască" codul de decriptare. ADC împreună cu semnalul pot transmite 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 a codului. Acest lucru este valabil mai ales pentru celularul mobil.

Deci aici diferențele dintre semnalele digitale și cele analogice:

1) Un semnal analogic poate fi distorsionat de interferențe și un semnal digital poate fi fie blocat complet cu interferențe, fie fără distorsiuni. Semnalul digital este complet sau complet absent (fie zero, fie unul).

2) Un semnal analogic este disponibil pentru percepție de către toate dispozitivele care funcționează pe același principiu ca și transmițătorul. Semnalul digital este protejat în mod fiabil de cod, este dificil să îl interceptați dacă acesta nu este destinat pentru dvs.

Persoana obișnuită nu se gândește la natura semnalelor, ci la diferența dintre analog și transmisia digitală   sau formate - uneori necesare. În mod implicit, se crede că tehnologiile analogice sunt un lucru din trecut și vor fi în curând înlocuite complet de cele digitale. Merită să știm ce renunțăm în favoarea noilor tendințe.

Semnal analogic   - semnalul de date, descris de funcțiile continue ale timpului, adică amplitudinea sa poate lua orice valoare în limitele maxime.

Semnal digital   - semnalul de date descris de funcțiile discrete ale timpului, adică amplitudinea oscilațiilor, are valori definite strict strict.

În practică, acest lucru sugerează că semnalul analogic este însoțit de o cantitate mare de interferențe, în timp ce semnalul digital le îndepărtează cu succes. Acesta din urmă este capabil să restabilească datele originale. În plus, un semnal analogic continuu poartă adesea o mulțime de informații inutile, ceea ce duce la redundanța sa - mai multe semnale digitale pot fi transmise în loc de un semnal analogic.

Dacă vorbim despre televiziune, și aceasta este sfera pe care majoritatea consumatorilor o îngrijește de tranziția la "cifră", atunci putem considera că semnalul analogic este complet depășit. Cu toate acestea, până în prezent, orice echipament analogic acceptă semnale analogice, iar cel digital necesită unul special. Adevărat, cu răspândirea "numerelor" televizoare analogice din ce în ce mai puține cereri pentru ei.

O altă caracteristică importantă a semnalului este securitatea. În acest sens, analogul demonstrează lipsa de apărare completă a influențelor sau a invaziilor din exterior. Digitalul este criptat prin atribuirea unui cod de la impulsuri radio, astfel încât orice interferență să fie exclusă. Este dificil să se transmită semnale digitale pe distanțe lungi, deoarece se folosește schema de modulare-demodulare.

Site-ul de concluzii

1. Semnalul analogic este continuu, digital - discret.
2. Prin transfer semnal analogic   risc crescut de colmatare a canalelor.
3. Semnalul analogic este redundant.
4. Semnalul digital filtrează zgomotele și restabilește datele originale.
5. Semnalul digital este transmis în formă criptată.
6. Pot fi trimise mai multe semnale digitale în locul unui semnal analogic.

Un semnal analogic este un semnal de date în care fiecare dintre parametrii reprezentativi este descris de o funcție de timp și de un set continuu de valori posibile.

Există două spații de semnal - spațiul L (semnale continue) și spațiul l (L este mic) - spațiul secvențelor. Spațiul l (L este mic) este spațiul coeficienților Fourier (un număr numeric care definește o funcție continuă pe un interval finit al domeniului de definiție), spațiul L este spațiul semnalelor (analogice) continue în domeniul definiției. În anumite condiții, spațiul L este mapat unic în spațiul l (de exemplu, primele două teze de discretizare Kotelnikov).

Semnalele analogice sunt descrise de funcțiile continue ale timpului, deci un semnal analogic este denumit uneori un semnal continuu. Semnalele analogice sunt contraste cu cele discrete (cuantificate, digitale). Exemple de spații continue și cantități fizice corespunzătoare:

directe: tensiune electrică

circumferința: poziția rotorului, a roților, a angrenajelor, a mâinilor unui ceas analogic sau a fazei semnalului purtător

segment: poziția pistonului, pârghia de comandă, termometrul lichid sau semnalul electric, limitată în amplitudine; diferite spații multidimensionale: culoare, semnal modulat în cuadratură.

Proprietățile semnalelor analogice sunt în mare parte opus proprietăților semnalelor cuantificate sau digitale.

Absența unor nivele distincte de semnal care se disting clar între ele face imposibilă utilizarea conceptului de informație așa cum este descris în tehnologiile digitale pentru ao descrie. Cantitatea de informații conținute într-o probă va fi limitată numai de domeniul dinamic al instrumentului de măsurare.

Lipsa redundanței. Din continuitatea spațiului de valori, rezultă că orice interferență introdusă în semnal este indistinguizabilă de semnalul însuși și, prin urmare, amplitudinea originală nu poate fi restabilită. De fapt, filtrarea este posibilă, de exemplu, prin metode de frecvență, dacă se cunosc informații suplimentare despre proprietățile acestui semnal (în special, banda de frecvență).

Aplicație:

Semnalele analogice sunt adesea folosite pentru a reprezenta cantități fizice în continuă schimbare. De exemplu, un semnal electric analogic preluat de la un termocuplu poartă informații despre schimbările de temperatură, un semnal de microfon despre schimbările de presiune rapidă într-un val de sunet și așa mai departe.

2.2 Semnal digital

Un semnal digital este un semnal de date în care fiecare dintre parametrii reprezentativi este descris printr-o funcție de timp discret și un set finit de valori posibile.

Semnalele sunt impulsuri electrice separate sau luminoase. Prin această metodă, întreaga capacitate a canalului de comunicare este utilizată pentru transmiterea unui singur semnal. Semnalul digital utilizează întreaga lățime de bandă a cablului. Lățimea de bandă este diferența dintre frecvența maximă și cea minimă care poate fi transmisă pe un cablu. Fiecare dispozitiv din astfel de rețele transmite date în ambele direcții, iar unele pot recepționa și transmite simultan. Sistemele cu bandă îngustă (banda de bază) transmit date sub forma unui semnal digital de o frecvență.

Un semnal digital discret este mai dificil de transmis pe distanțe lungi decât un semnal analogic, prin urmare, este pre-modulat la partea transmițătorului și demodulat pe partea receptorului. Utilizarea algoritmilor de verificare și recuperare a informațiilor digitale în sistemele digitale permite creșterea semnificativă a fiabilității transferului de informații.

Notă. Trebuie avut în vedere faptul că un semnal digital real este analog în natura sa fizică. Datorită zgomotului și modificărilor parametrilor liniilor de transmisie, acesta are fluctuații în amplitudine, fază / frecvență (jitter) și polarizare. Dar acest semnal analogic (impulsiv și discret) este înzestrat cu proprietățile unui număr. Ca rezultat, pentru prelucrarea sa devine posibilă utilizarea metodelor numerice (prelucrarea computerizată).

Foarte des auzim astfel de definiții ca un semnal "digital" sau "discret", care este diferența față de semnalul "analogic"?

  Esența diferenței este că semnalul analogic este continuu în timp (linia albastră), în timp ce semnalul digital constă într-un set limitat de coordonate (puncte roșii). Dacă totul este redus la coordonate, atunci orice segment al semnalului analogic constă dintr-un număr infinit de coordonate.

Coordonatele semnalului digital pe axa orizontală sunt localizate la intervale regulate, în conformitate cu rata de eșantionare. În formatul comun Audio-CD-ul este de 44100 de puncte pe secundă. Pe verticală, precizia înălțimii coordonatelor corespunde capacității digitale a semnalului digital, pentru 8 biți este de 256 de niveluri, pentru 16 biți = 65536 și pentru 24 de biți = 16777216 niveluri. Cu cât este mai mare adâncimea de biți (numărul de nivele), cu atât coordonatele verticale sunt mai apropiate de valul original.

Sursele analogice sunt: ​​casete de vinil și audio. Sursele digitale sunt: ​​CD-Audio, DVD-Audio, SA-CD (DSD) și fișiere în formate WAVE și DSD (inclusiv derivatele APE, Flac, Mp3, Ogg etc).

Avantajele și dezavantajele unui semnal analogic

Dezavantajul semnalului analog 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 este demagnetizată, iar calitatea semnalului înregistrat se deteriorează. Fiecare citire distruge treptat mass-media, iar suprascrierea introduce distorsiuni suplimentare, în cazul în care media următoare (banda sau vinil) se adaugă la cititor, înregistrarea și transmiterea semnalului.

Efectuarea unei copii a unui semnal analogic este identică cu a face o fotografie din nou pentru a copia o fotografie.

Avantajele și dezavantajele unui semnal digital

Principalul dezavantaj este că semnalul digital este o etapă intermediară, iar precizia semnalului analogic final va depinde de cât de detaliat și precis este valul sonor descris de coordonate. Este destul de logic că cu cât există mai multe puncte și cu cât sunt mai precise coordonatele, cu atât va fi mai precis valul. Dar nu există încă un consens cu privire la câte coordonate și exactitatea datelor sunt suficiente pentru a spune că reprezentarea digitală a semnalului este suficientă pentru a restabili cu acuratețe semnalul analog care nu poate fi distins de original cu urechile noastre.

Dacă lucrați cu volume de date, atunci capacitatea unei casete convenționale audio analogice este de numai aproximativ 700-1,1 MB, în timp ce un CD convențional poate deține 700 MB. Aceasta oferă o idee despre nevoia de transportatori de mare capacitate. Și acest lucru creează un război separat de compromisuri cu cerințe diferite privind numărul de puncte descriptive și corectitudinea coordonatelor.

Astăzi, este considerat suficient să se reprezinte un val de sunet cu o frecvență de eșantionare de 44,1 kHz și 16 biți. Cu o frecvență de eșantionare de 44,1 kHz, puteți restabili semnalul cu o frecvență de până la 22 kHz. După cum arată studiile psihoacustice, o creștere suplimentară a ratei de eșantionare nu este foarte vizibilă, dar o creștere a capacității numerice dă o îmbunătățire subiectivă.

Cum un DAC construiește un val

DAC multibit

Intrarea DAC primește valoarea următoarei coordonate verticale, iar la fiecare bătaie, comută nivelul curent (tensiune) la nivelul corespunzător până la următoarea modificare.

Deși se crede că urechea unei persoane nu poate auzi mai mult de 20 kHz și conform teoriei Nyquist este posibil să se restabilească un semnal de până la 22 kHz, calitatea acestui semnal rămâne după recuperare. În regiunea cu frecvență înaltă, forma undelor "stepped" obținute este de obicei departe de cea originală. Cea mai ușoară cale de ieșire din situație este creșterea ratei de eșantionare în timpul înregistrării, dar aceasta duce la o creștere semnificativă și nedorită a dimensiunii fișierului.

O alternativă este să măriți în mod artificial rata de eșantionare când jucați în CAD, adăugând valori intermediare. Ie reprezentăm traiectoria valului continuu (linia punctată gri), conectând liniștit coordonatele inițiale (punctele roșii) și adăugăm puncte intermediare pe această linie (purpuriu închis).

Deoarece frecvența de eșantionare crește, este de obicei necesar să se mărească adâncimea de biți, astfel încât coordonatele să fie mai apropiate de valul aproximat.

Datorită coordonatelor intermediare, este posibilă reducerea "pașilor" și construirea unui val mai aproape de original.

Când vedeți funcția de creștere a frecvenței de la 44,1 la 192 kHz în player sau un DAC extern, aceasta este o funcție de adăugare a coordonatelor intermediare și nu de restaurare sau de crearea de sunet în regiunea de peste 20 kHz.

Inițial, acestea erau chips-uri SRC separate la un DAC, care apoi migrau direct la cipurile DAC. Astăzi găsiți soluții în care un astfel de microcircuit este adăugat la un DAC modern, acest lucru fiind făcut pentru a oferi o alternativă la algoritmii încorporați din CAD și, uneori, obține un sunet chiar mai bun (de exemplu, acest lucru se face în Hidizs AP100).

Principalul eșec în industria DAC-urilor cu mai multe biți sa produs din cauza imposibilității dezvoltării tehnologice ulterioare a indicatorilor de calitate cu tehnologiile de producție actuale și a costurilor mai ridicate împotriva DAC-urilor cu impulsuri cu caracteristici comparabile. Cu toate acestea, în produsele Hi-End, preferința este adesea acordată DAC-urilor multibit mai vechi decât soluțiilor noi cu o performanță tehnică mai bună.

PAC DAC

Amplitudinea semnalului este valoarea medie a amplitudinii impulsurilor (impulsurile verde arată amplitudine egală, iar albul indică valul sonor total).

De exemplu, o secvență de opt biți de cinci impulsuri va da o amplitudine medie (1 + 1 + 1 + 0 + 0 + 1 + 1 + 0) / 8 = 0,625. Cu cât frecvența purtătoare este mai mare, cu atât mai multe impulsuri intră sub nivelul de netezire și se obține o valoare de amplitudine mai precisă. Acest lucru a permis prezentarea unui flux audio cu un singur bit, cu o gamă dinamică largă.

Este posibil să se facă o medie folosind un filtru analogic convențional și dacă un astfel de set de impulsuri este alimentat direct de difuzor, atunci vom obține sunet la ieșire și frecvențele ultra-înalte nu vor fi reproduse datorită inerției mari a radiatorului. Potrivit acestui principiu, amplificatoarele PWM funcționează în clasa D, unde densitatea energiei pulsului nu este generată de numărul lor, ci de durata fiecărui puls (ceea ce este mai ușor de implementat, dar este imposibil de descris cu un simplu cod binar).

Un DAC multibit poate fi considerat ca o imprimantă capabilă să aplice culori cu culori pantone. Delta-Sigma este o imprimantă cu jet de cerneală cu un set limitat de culori, dar datorită posibilității de a aplica puncte foarte mici (în comparație cu imprimanta cu coarne), datorită densității diferite a punctelor pe unitatea de suprafață, oferă mai multe nuanțe.

În imagine, de obicei, nu vedem puncte individuale din cauza rezoluției scăzute a ochiului, ci doar a tonului mediu. În mod similar, urechea nu aude separat impulsurile.

În cele din urmă, cu tehnologiile actuale în DAC pulsate, puteți obține un val apropiat de cel care teoretic ar trebui să fie obținut prin aproximarea coordonatelor intermediare.

Trebuie remarcat faptul că, după apariția DAC-ului delta-sigma, urgența de a picta "valul digital" cu pași a dispărut, deoarece astfel încât valul de DAC modern nu este construit. corect discret semnal   Construiți punctele conectate la linia netedă.

DAC-urile cu impulsuri sunt ideale?

Dar, în practică, nu totul este neclintit și există o serie de probleme și limitări.

pentru că Deoarece numărul copiat de înregistrări este stocat într-un semnal multi-bit, atunci o translatare bit-la-bit într-un semnal de impuls necesită o frecvență purtătoare inutil de mare, pe care DAC-urile moderne nu o susțin.

Funcția principală a DAC-urilor cu impulsuri moderne este de a converti un semnal multi-bit într-un singur bit cu o frecvență purtătoare relativ mică, cu decimare de date. Practic, acești algoritmi determină calitatea finală a sunetului pentru DAC-urile pulsate.

Pentru a reduce problema frecvenței ridicate a purtătoarelor, fluxul audio este împărțit în mai multe fluxuri de un singur bit, în care fiecare flux este responsabil pentru propriul său grup de descărcări, care este echivalent cu un multiplu al frecvenței purtătoare a numărului de fluxuri. Astfel de DAC-uri se numesc sigili multibit delta.

Astăzi, DAC-urile cu impulsuri au primit un al doilea vânt în microcircuite de mare viteză de uz general în produsele NAD și Chord, datorită posibilității de programare flexibilă a algoritmilor de conversie.

Format DSD

Formatul nu a primit o distribuție largă din mai multe motive. Editarea fișierelor în acest format sa dovedit a fi inutil limitată: nu puteți mixa fluxurile, nu puteți regla volumul și nu puteți aplica egalizarea. Aceasta înseamnă că, fără pierderi de calitate, puteți arhiva numai înregistrările analogice și puteți înregistra simultan două microfoane ale performanțelor în direct, fără a mai fi necesară o prelucrare ulterioară. Într-un cuvânt - nu într-adevăr câștiga bani.

În lupta împotriva pirateriei, discurile în format SA-CD nu au fost acceptate (și încă nu sunt suportate) de computere, ceea ce nu permite realizarea de copii ale acestora. Nu există copii - fără public larg. Conținutul audio DSD putea fi redat numai de la un player separat SA-CD de pe un disc proprietar. Dacă există un standard SPDIF pentru format PCM pentru transferul de date digitale de la o sursă la un DAC separat, atunci nu există niciun standard pentru formatul DSD, iar primele copii piratate ale discurilor SA-CD au fost digitalizate din ieșirile analogice ale SA-CD playerelor (deși situația pare proastă, unele înregistrări au fost publicate doar pe SA-CD, sau aceeași înregistrare pe Audio-CD a fost făcută special pentru promovarea SA-CD).

Momentul de cotitură a apărut odată cu lansarea consolelor de jocuri SONY, unde discul SA-CD a fost copiat automat pe hard disk-ul consolei înainte de redare. Acest lucru a fost folosit de fanii DSD. Apariția înregistrărilor piratate a stimulat piața pentru a lansa DAC-uri separate pentru reproducerea fluxului DSD. Majoritatea convertoarelor D / A compatibile cu DSD acceptă transferul de date USB utilizând formatul DoP sub formă de codificare digitală separată a semnalului prin SPDIF.

Frecvențele purtătoare pentru DSD sunt relativ mici, de 2,8 și 5,6 MHz, însă acest flux audio nu necesită perforarea datelor și este destul de competitiv cu formatele de rezoluție ridicată, cum ar fi DVD-Audio.

La întrebarea care este mai bună, DSP sau PCM nu au un răspuns clar. Totul se limitează la calitatea implementării unui anumit CAD și la talentul producătorului de sunet la înregistrarea fișierului final.

Concluzie generală

Un semnal analog înregistrat direct pe o casetă audio sau vinil nu poate fi suprascris fără pierderea calității, în timp ce un val în reprezentarea digitală poate fi copiat bit-by-bit.

Formatele de înregistrare digitale reprezintă un compromis constant între cantitatea de precizie a coordonatelor față de dimensiunea fișierului și orice semnal digital este doar o aproximare a semnalului analogic original. Cu toate acestea, diferite niveluri ale tehnologiei de înregistrare și redare a semnalului digital și stocarea pe un semnal analogic oferă mai multe avantaje reprezentării digitale a semnalului, similar cu o cameră digitală față de o cameră de filmat.