Чем отличается аналоговое устройство от цифрового. Разница между аналоговым и цифровым сигналом. Являются ли идеальными импульсные ЦАП
О природе сигналов обыватель не задумывается, а вот о разнице между аналоговым и цифровым вещанием или форматами — иногда приходится. По умолчанию считается, что аналоговые технологии уходят в прошлое, и вскоре будут полностью заменены на цифровые. Стоит знать, от чего мы отказываемся в угоду новым веяниям.
Аналоговый сигнал — сигнал данных, описываемый непрерывными функциями времени, то есть амплитуда колебаний его может принимать любые значения в пределах максимума.
В настоящее время есть много разговоров о таких словах, как «Аналог» и «Цифровой». Разумеется, инженеры, заинтересованные в создании новой системы связи, должны понимать разницу. Что лучше, аналоговое или цифровое? Каковы плюсы и минусы каждого? В этой главе мы рассмотрим ответы на некоторые из этих вопросов.
Что такое аналоговый сигнал, и что такое цифровой сигнал? Аналоговые аналоговые сигналы являются непрерывными как по времени, так и по значению. Аналоговые сигналы используются во многих системах, хотя использование аналоговых сигналов уменьшилось с появлением дешевых цифровых сигналов. Все естественные сигналы являются аналоговыми по своей природе.
Цифровой сигнал — сигнал данных, описываемый дискретными функциями времени, то есть амплитуда колебаний принимает значения только строго определенные.
На практике это позволяет говорить о том, что аналоговый сигнал сопровождается большим количеством помех, тогда как цифровой их успешно отфильтровывает. Последний же способен восстанавливать исходные данные. Кроме того, непрерывный аналоговый сигнал часто несет в себе много лишней информации, что приводит к его избыточности — несколько цифровых сигналов можно передать вместо одного аналогового.
Цифровые цифровые сигналы дискретны по времени и значению. Цифровые сигналы - это сигналы, которые представлены двоичными числами 1 или 0. Значения 1 и 0 могут соответствовать разным дискретным значениям напряжения, и любой сигнал, который не совсем вписывается в схему, просто округляется.
Кроме того, некоторые методы также заставляют сигнал проходить шифрование, чтобы сделать систему более толерантной к каналу. Каждая парадигма имеет свои преимущества и проблемы. Аналоговые аналоговые системы менее толерантны к шуму, хорошо используют полосу пропускания и легко манипулируют математически. Однако аналоговые сигналы требуют аппаратных приемников и передатчиков, которые идеально подходят для конкретной передачи. Цифровые цифровые сигналы более толерантны к шуму, но цифровые сигналы могут быть полностью повреждены при наличии избыточного шума.
Если говорить о телевидении, а именно эта сфера своим переходом на “цифру” волнует большинство потребителей, то можно считать аналоговый сигнал совершенно себя изжившим. Однако пока что аналоговые сигналы принимает любая предназначенная для этого техника, а цифровой требует специальной. Правда, с распространением “цифры” аналоговых телевизоров все меньше и спрос на них катастрофически уменьшается.
В цифровых сигналах шум может привести к тому, что 1 будет интерпретироваться как 0 и наоборот, что делает полученные данные отличными от исходных данных. Представьте себе, что армия передала координату позиции на ракету в цифровом виде, и один бит был получен с ошибкой. Эта однократная ошибка может привести к тому, что ракета пропустит мишень целиком. Основным преимуществом цифровых сигналов является то, что они могут обрабатываться простыми стандартизованными приемниками и передатчиками, а затем сигнал может обрабатываться в программном обеспечении.
Еще одна важная характеристика сигнала — безопасность. В этом отношении аналоговый демонстрирует полную беззащитность перед влияниями или вторжениями извне. Цифровой же шифруется посредством присвоения ему кода из радиоимпульсов, так что любое вмешательство исключено. На большие расстояния цифровые сигналы передавать сложно, потому используется схема модуляции-демодуляции.
Дискретные данные имеют фиксированный набор возможных значений. Цифровые данные являются типом дискретных данных, где фиксированное значение может быть равно 1 или аналоговые данные могут принимать любое реальное значение. Процесс преобразования из аналоговых данных в цифровые данные называется «выборкой». Процесс воссоздания аналогового сигнала из цифрового называется «реконструкцией».
Телевизионное вещание и сотовые телефоны уже перешли от аналогового к цифровому вещанию, а радиостанции не отстают. Полиция и другие подразделения общественной безопасности используют сочетание традиционного аналогового и нового цифрового оборудования. Обе системы имеют сильные и слабые стороны, которые определяют полезность каждого и показывают, что иногда несколько старых все еще полезно при смешивании с новым.
Выводы сайт
- Аналоговый сигнал непрерывен, цифровой — дискретен.
- При передаче аналогового сигнала выше риск забивания канала помехами.
- Аналоговый сигнал избыточен.
- Цифровой сигнал фильтрует помехи и восстанавливает исходные данные.
- Цифровой сигнал передается в зашифрованном виде.
- Несколько цифровых сигналов можно послать вместо одного аналогового.
Очень часто мы слышим такие определения, как «цифровой» или «дискретный» сигнал, в чем его отличие от «аналогового»?
Суть различия в том, что аналоговый сигнал непрерывный во времени (голубая линия), в то время как цифровой сигнал состоит из ограниченного набора координат (красные точки). Если все сводить к координатам, то любой отрезок аналогового сигнала состоит из бесконечного количества координат.
Цифровая модуляция - это новая форма радиосигнала. Аналоговое вещание представляет собой непрерывный поток электрических сигналов, которые со временем меняются по интенсивности. Из-за электрического заряда сигнала аналоговые передачи легко мешают штормы и другие естественные нарушения в атмосфере. Тем не менее, аналоговый сигнал обычно обеспечивает какой-то сигнал, передающий по меньшей мере часть отправляемой информации, даже с помехами.
Цифровое оборудование не посылает непрерывный сигнал. Цифровой сигнал, состоящий из математического кода, отправляется в сегменты блока. Когда цифровой сигнал встречает помехи, весь сигнал теряется из-за разделенных блоков цифрового сигнала. Однако, когда сигнал присутствует, его легче настраивать, чем аналоговый сигнал из-за математической точности трансляции.
У цифрового сигнала координаты по горизонтальной оси расположены через равные промежутки времени, в соответствии с частотой дискретизации. В распространенном формате Audio-CD это 44100 точек в секунду. По вертикали точность высоты координаты соответствует разрядности цифрового сигнала, для 8 бит это 256 уровней, для 16 бит = 65536 и для 24 бит = 16777216 уровней. Чем выше разрядность (количество уровней), тем ближе координаты по вертикали к исходной волне.
Радиостанции работают над преобразованием в цифровой сигнал. Когда сигнал сильный, звук становится четким и четким. Однако, если сигнал слабый, он, вероятно, полностью потеряется. Цифровые карманные радиосистемы борются за ретрансляцию качественного звука, потому что цифровая система не может отличить фоновый шум от звука голоса, что является проблемой для персонала неотложной помощи. В контролируемой среде, такой как радиостанция, звуковые звуковые звуковые сигналы обеспечивают превосходное качество звука.
Однако технология может быть не готова для всех приложений. Хотя большинство людей считают аналоговые радиосигналы «старыми», они по-прежнему обладают большими преимуществами по сравнению с цифровыми. Аналоговые радиостанции могут расширить диапазон сигналов, просто включив питание, если это необходимо. Аналоговый радиосигнал также может выдавать истинный голос, поэтому громкоговоритель с громким фоновым шумом может быть услышан и понят.
Аналоговыми источниками являются: винил и аудиокассеты. Цифровыми источниками являются: CD-Audio, DVD-Audio, SA-CD (DSD) и файлы в WAVE и DSD форматах (включая производные APE, Flac, Mp3, Ogg и т.п.).
Преимущества и недостатки аналогового сигнала
Преимуществом аналогового сигнала является то, что именно в аналоговом виде мы воспринимаем звук своими ушами. И хотя наша слуховая система переводит воспринимаемый звуковой поток в цифровой вид и передает в таком виде в мозг, наука и техника пока не дошла до возможности именно в таком виде подключать плееры и другие источники звука напрямик. Подобные исследования сейчас активно ведутся для людей с ограниченными возможностями, а мы наслаждаемся исключительно аналоговым звуком.Недостатком аналогового сигнала являются возможности по хранению, передаче и тиражированию сигнала. При записи на магнитную ленту или винил, качество сигнала будет зависеть от свойств ленты или винила. Со временем лента размагничивается и качество записанного сигнала ухудшается. Каждое считывание постепенно разрушает носитель, а перезапись вносит дополнительные искажения, где дополнительные отклонения добавляет следующий носитель (лента или винил), устройства считывания, записи и передачи сигнала.
По мере дальнейшего совершенствования цифровых радиостанций и цифрового вещания выгоды будут продолжать расти. Новые функции цифрового радио включают в себя возможность остановки программы и возврата и возврата к части трансляции. Поиски станций также станут проще по мере продвижения технологии. Слушателям больше не нужно искать идеальное размещение набора настройки для лучшего приема.
Как ЦАП строят волну
Продукты смешанного сигнала редко создаются полностью в аналоговом или цифровом домене в наши дни. Кроме того, многие традиционно аналоговые системы теперь имеют прошивку. Эти тенденции означают, что разработчикам аналоговых и прошивок необходимо понимать различия между их проектными дисциплинами для более эффективной совместной работы. Но принципиальные способы работы с аналогами и прошивкой дизайнеров очень разные, что потенциально приводит к недопониманию и конфликту. Понимание различий помогает преодолеть разрыв.
Делать копию аналогового сигнала, это все равно, что для копирования фотографии ее еще раз сфотографировать.
Преимущества и недостатки цифрового сигнала
К преимуществам цифрового сигнала относится точность при копировании и передачи звукового потока, где оригинал ничем не отличается от копии.Основным недостатком можно считать то, что сигнал в цифровом виде является промежуточной стадией и точность конечного аналогового сигнала будет зависеть от того, насколько подробно и точно будет описана координатами звуковая волна. Вполне логично, что чем больше будет точек и чем точнее будут координаты, тем более точной будет волна. Но до сих пор нет единого мнения, какое количество координат и точность данных является достаточным для того, что бы сказать, что цифровое представление сигнала достаточно для точного восстановления аналогового сигнала, неотличимого от оригинала нашими ушами.
Являются ли идеальными импульсные ЦАП?
Метафорически аналоговая инженерия похожа на то, что 10 акул могут прыгать через гигантский пылающий обруч, в то же время, в ярко освещенном театре. Проблемы сводятся к сложности, тестированию и измерению, а также к одновременному и последовательному выполнению.
Аналоговые инженеры тратят много времени на компоновку, заземление, фильтрацию и схему. Им нужно получить ответ 100 нс на шаг 1 мВ. Инженеры прошивки часто не так квалифицированы по этим аналоговым вопросам, как их аналоговые аналоги. Программистам необходимо работать с аналоговыми инженерами, чтобы помочь решить эти проблемы. Однако аналоговые инженеры часто не так комфортно относятся к этим вопросам. Ключ должен понять важность этих вопросов и быть готовым к совместной работе.
Если оперировать объемами данных, то вместимость обычной аналоговой аудиокассеты составляет всего около 700-1,1 Мб, в то время как обычный компакт диск вмещает 700 Мб. Это дает представление о необходимости носителей большой емкости. И это рождает отдельную войну компромиссов с разными требованиями по количеству описывающих точек и по точности координат.
Масштабы сложности важны для понимания того, как с этим бороться. В прошивке ограниченные системные ресурсы могут сделать модульность очень сложной, а меньшая сложность делает ее ненужной. Ограниченная модульность и ресурсы означают, что прошивка может быть трудно изменить. Прошивка изменчива и гибка, но изменения и гибкость приходят по цене. Они требуют времени и добавляют больше риска. Некоторые части кода, как и некоторые интерфейсы связи, могут быть очень модульными, в то время как другие части не могут.
Другим ключом к управлению сложностью является дисциплина в функциях и переменных именования. Аналоговые инженеры могут помочь с использованием четких и согласованных имен сигналов, особенно для сигналов, которые подключаются к процессорным выводам. Программист может использовать одни и те же имена внутри программы, делая взаимодействие между программой и сигналами совершенно ясным.
На сегодняшний день считается вполне достаточным представление звуковой волны с частотой дискретизации 44,1 кГц и разрядности 16 бит. При частоте дискретизации 44,1 кГц можно восстановить сигнал с частотой до 22 кГц. Как показывают психоакустические исследования, дальнейшее повышение частоты дискретизации мало заметно, а вот повышение разрядности дает субъективное улучшение.
Представление контента: текст в сравнении с графикой
Аналоговую сложность лучше всего представить графически, тогда как прошивку лучше всего представить в текстовом виде. Для аналоговых инженеров основным инструментом является схематическая схема. Основным инструментом инженеров прошивки является письменная программа. В системе разница на кристаллах наиболее ясна. Для аналогового дизайнера схема показывает все это. Инженеры прошивки хотят, чтобы список сигналов показывал.
Функция сигнала Вход, выход, двунаправленный Для аналоговых сигналов, таких как масштабирование и пропускная способность. Эти факторы могут быть очевидны для дизайнера платы, но могут быть неясны для инженера прошивки. Большинство аналоговых инженеров считают, что блок-схемы являются лучшим способом представления программ. Хотя ранние программисты использовали блок-схемы, они неэффективны и требуют много времени и усилий. Они также приводят к плохим привычкам программирования. Блок-схемы приводят к коду, который часто вращается постоянно и становится очень запутанным - отсюда и термин «код спагетти».
Как ЦАП строят волну
ЦАП – это цифро-аналоговый преобразователь, элемент, переводящий цифровой звук в аналоговый. Мы рассмотрим поверхностно основные принципы. Если по комментариям будет виден интерес более подробно рассмотреть ряд моментов, то будет выпущен отдельный материал.Мультибитные ЦАП
Очень часто волну представляют в виде ступенек, что обусловлено архитектурой первого поколения мультибитных ЦАП R-2R, работающих аналогично переключателю из реле.
Их улучшенные контрольные структуры не могли быть хорошо представлены блок-схемами. Таким образом, был разработан псевдокод. Вместо того, чтобы тратить много времени на механику блок-схемы, потратьте время на то, чтобы сделать псевдокод более точным. Современная сложность прошивки - хорошее совпадение для представления псевдокода. Изучение и использование псевдокода - отличный способ понять некоторые из прошивки. Когда вы научитесь писать, это намного проще и быстрее, чем рисовать блок-схему. Псевдокод легко писать для тех, кто знаком с основами современных языков программирования.
На вход ЦАП поступает значение очередной координаты по вертикали и в каждый свой такт он переключает уровень тока (напряжения) на соответствующий уровень до следующего изменения.
Хотя считается, что ухо человека слышит не выше 20 кГц, и по теории Найквиста можно восстановить сигнал до 22 кГц, остается вопрос качества этого сигнала после восстановления. В области высоких частот форма полученной «ступенчатой» волны обычно далека от оригинальной. Самый простой выход из ситуации – это увеличивать частоту дискретизации при записи, но это приводит к существенному и нежелательному росту объема файла.
Тест и измерение
Это очень важная часть дизайна прошивки. Изучение этого поможет вам понять культуру прошивки. Показанный фрагмент блок-схемы занял полчаса, но блок-схема содержит только около девяти строк от псевдокода. Аналоговые сигналы легко доступны для тестирования и отладки. В прошивке все скрыто в процессоре, таким образом, выполняется «внутри коробки».
Встроенный эмулятор является наиболее часто используемым инструментом для отладки программного обеспечения. Вы можете проверять и изменять регистры и память, выполнять один шаг через программу, устанавливать точки останова, чтобы остановить программу, когда она выполняет определенные инструкции, и так далее. Однако эмулятор малопригоден для отладки систем смешанного сигнала, таких как источники питания. Лучше всего находить простые логические ошибки в программах, которые не являются большой проблемой для систем смешанного сигнала.
Альтернативный вариант – искусственно увеличить частоту дискретизации при воспроизведении в ЦАП, добавляя промежуточные значения. Т.е. мы представляем путь непрерывной волны (серая пунктирная линия), плавно соединяющий исходные координаты (красные точки) и добавляем промежуточные точки на этой линии (темно фиолетовые).
При увеличении частоты дискретизации обычно необходимо повышать и разрядность, чтобы координаты были ближе к аппроксимированной волне.
Благодаря промежуточным координатам удается уменьшить «ступеньки» и построить волну ближе к оригиналу.
Когда вы видите функцию повышения частоты с 44.1 до 192 кГц в плеере или внешнем ЦАП, то это функция добавления промежуточных координат, а не восстановления или создание звука в области выше 20 кГц.
Изначально это были отдельные SRC микросхемы до ЦАП, которые потом перекочевали непосредственно в сами микросхемы ЦАП. Сегодня можно встретить решения, где к современным ЦАП добавляется такая микросхема, это сделано для того, чтобы обеспечить альтернативу встроенным алгоритмам в ЦАП и порой получить еще более лучший звук (как например это сделано в Hidizs AP100).
Основной отказ в индустрии от мультибитных ЦАП произошел из-за невозможности дальнейшего технологического развития качественных показателей при текущих технологиях производства и более высокой стоимости против «импульсных» ЦАП-ов с сопоставимыми характеристиками. Тем не менее, в Hi-End продуктах предпочтение отдают зачастую старым мультибитным ЦАП-ам, нежели новым решениям с технически более хорошими характеристиками.
Импульсные ЦАП
В конце 70-тых широкое распространение получил альтернативный вариант ЦАП-ов, основанный на «импульсной» архитектуре – «дельта-сигма». Технология импульсных ЦАП-ов стала возможной появлению сверх-быстрых ключей и позволила использовать высокую несущую частоту.
Амплитуда сигнала является средним значением амплитуд импульсов (зеленым показаны импульсы равной амплитуды, а белым итоговая звуковая волна).
Например последовательность в восемь тактов пяти импульсов даст усредненную амплитуду (1+1+1+0+0+1+1+0)/8=0,625. Чем выше несущая частота, тем больше импульсов попадает под сглаживание и получается более точное значение амплитуды. Это позволило представить звуковой поток в однобитном виде с широким динамическим диапазоном.
Усреднение возможно делать обычным аналоговым фильтром и если такой набор импульсов подать напрямую на динамик, то на выходе мы получим звук, а ультра высокие частоты не будут воспроизведены из-за большой инертности излучателя. По этому принципу работают ШИМ усилители в классе D, где плотность энергии импульсов создается не их количеством, а длительностью каждого импульса (что проще в реализации, но невозможно описать простым двоичным кодом).
Мультибитный ЦАП можно представить как принтер, способный наносить цвет пантоновыми красками. Дельта-Сигма – это струйный принтер с ограниченным набором цветов, но благодаря возможности нанесению очень мелких точек (в сравнении с пантовым принтером), за счет разной плотности точек на единицу поверхности дает больше оттенков.
На изображении мы обычно не видим отдельных точек из-за низкой разрешающей способности глаза, а только средний тон. Аналогично и ухо не слышит импульсов по отдельности.
В конечном итоге при текущих технологиях в импульсных ЦАП можно получить волну, близкую к той, что теоретически должна получится при аппроксимации промежуточных координат.
Надо отметить, что после появления дельта-сигма ЦАП исчезла актуальность рисовать «цифровую волну» ступеньками, т.к. так ступеньками волну современные ЦАП не строят. Правильно дискретный сигнал строить точками соединенной плавной линией.
Являются ли идеальными импульсные ЦАП?
Но на практике не все безоблачно, и существует ряд проблем и ограничений.
Т.к. подавляющее количество записей сохранено в многоразрядном сигнале, то перевод в импульсный сигнал по принципу «бит в бит» требует излишне высокую несущую частоту, которую современные ЦАП не поддерживают.
Основной функцией современных импульсных ЦАП является перевод многоразрядного сигнала в однобитный с относительно невысокой несущей частотой с прореживанием данных. В основном именно эти алгоритмы и определяют конечное качество звучания импульсных ЦАП-ов.
Чтобы уменьшить проблему высокой несущей частоты, звуковой поток разбивается на несколько однобитных потоков, где каждый поток отвечает за свою группу разряда, что эквивалентно кратному увеличению несущей частоты от числа потоков. Такие ЦАП называются мультибитными дельта-сигма.
Сегодня импульсные ЦАП-ы получили второе дыхание в быстродействующих микросхемах общего назначения в продуктах компаний NAD и Chord за счет возможности гибко программировать алгоритмы преобразования.
Формат DSD
После широкого распространения дельта-сигма ЦАП-ов вполне логичным было и появления формата записи двоичного кода напрямую дельта-сигма кодировке. Этот формат получил название DSD (Direct Stream Digital).Широкого распространения формат не получил по нескольким причинам. Редактирование файлов в этом формате оказалось излишне ограниченным: нельзя микшировать потоки, регулировать громкость и применять эквализацию. А это значит, что без потери качества можно лишь архивировать аналоговые записи и производить двухмикрофонную запись живых выступлений без последующей обработки. Одним словом – денег толком не заработать.
В борьбе с пиратством диски формата SA-CD не поддерживались (и не поддерживаются до сих пор) компьютерами, что не позволяет делать их копии. Нет копий – нет широкой аудитории. Воспроизвести DSD аудиоконтент можно было только с отдельного SA-CD проигрывателя с фирменного диска. Если для PCM формата есть стандарт SPDIF для цифровой передачи данных от источника к отдельному ЦАП, то для DSD формата стандарта нет и первые пиратские копии SA-CD дисков были оцифровками с аналоговых выходов SA-CD проигрывателей (хоть ситуация и кажется глупой, но на деле некоторые записи выходили только на SA-CD, либо та же запись на Audio-CD специально была сделана некачественно для продвижения SA-CD).
Переломный момент произошел с выходом игровых приставок SONY, где SA-CD диск до воспроизведения автоматически копировался на жесткий диск приставки. Этим воспользовались поклонники формата DSD. Появление пиратских записей простимулировало рынок на выпуск отдельных ЦАП для воспроизведения DSD потока. Большинство внешних ЦАП с поддержкой DSD на сегодняшний день поддерживает передачу данных по USB используя формат DoP в виде отдельного кодирования цифрового сигнала через SPDIF.
Несущие частоты для DSD сравнительно небольшие, 2.8 и 5.6 МГц, но этот звуковой поток не требует никаких преобразований с прореживанием данных и вполне конкурентно-способен с форматами высокого разрешения, такими как DVD-Audio.
На вопрос что лучше, DSP или PCM однозначного ответа нет. Все упирается в качество реализации конкретного ЦАП и таланта звукорежиссера при записи конечного файла.
Общий вывод
Аналоговый звук – это то, что мы слышим и воспринимаем, как окружающий мир глазами. Цифровой звук, это набор координат, описывающих звуковую волну, и который мы напрямую услышать не можем без преобразования в аналоговый сигнал.Аналоговый сигнал, записанный напрямую на аудиокассету или винил нельзя без потери качества перезаписать, в то время как волну в цифровом представлении можно копировать бит в бит.
Цифровые форматы записи являются постоянным компромиссом между количеством точностью координат против объема файла и любой цифровой сигнал является лишь приближением к исходному аналоговому сигналу. Однако при этом разный уровень технологий записи и воспроизведения цифрового сигнала и хранения на носителях для аналогового сигнала дают больше преимуществ цифровому представлению сигнала, аналогично цифровой фотокамере против пленочного фотоаппарата.
