Signaalin digitalisoinnin periaatteet. Tasapainotettu ja epätasapainoinen liitäntä. Analogisen studion vaihtaminen Analogisen signaalin digitointi
Olet luultavasti kuullut lauseen "äänen siirto ja tallennus" useammin kuin kerran, mutta tuskin olet ajatellut sitä tosiasiaa, että se ei täsmälleen vastaa todellisuutta.
Ehkä ainoa laite, jolla ääni kirjaimellisesti tallennettiin, oli Edisonin fonografi. Kaikissa muissa tapauksissa, kun on kyse "äänen nauhoittamisesta", itse ääni ei todellakaan tallenneta tai välitetä, vaan tietoa siitä, miltä ilman värähtely oli tallennushetkellä.
Tällä hetkellä ääniinformaation tallentamiseen ja lähettämiseen käytetään kahta täysin erilaista menetelmää - analogista ja digitaalista.
Ensimmäisessä tapauksessa äänenpaineen muutokset vastaavat suhteellisia muutoksia toisessa fysikaalisessa suuressa, esimerkiksi sähköjännitteessä. Tässä tapauksessa sähköjännitteen muutokset ovat uusi ääniinformaation "kantajia".
Tämä äänitiedon tallennusmenetelmä on analoginen, ja aivan viime aikoihin asti se oli ainoa äänentallennuksessa ja radiolähetyksissä. Analogisessa elektroniikassa on tärkeää, että jännitteen muutos vastaa täsmälleen äänenpaineen muutosta. Muistakaamme, että ääniaallon amplitudi määrää äänen voimakkuuden ja sen taajuus määrää äänen korkeuden, joten ääniinformaation tallentamiseksi luotettavasti sähköjännitteen amplitudin on oltava verrannollinen amplitudiin; äänen värähtelyistä. Jännitteen taajuuden tulee puolestaan vastata äänen värähtelytaajuutta.
Näin ollen on helppo nähdä, että sähköisen signaalin muoto on täydellinen kopio äänen värähtelyn muodosta ja sisältää lähes täydellisen tiedon äänestä. Voit muuntaa äänen tärinän sähköjännitteen vaihteluiksi käyttämällä tavallista mikrofonia.
Sähköjännitteen muutos voidaan korreloida nauhan magneettikentän muutokseen nauhurissa tai elokuvan ääniraidasta tulevaan äänivirtaan optisen tallennuksen aikana. Mutta olipa tiedon uusi ”kantaaja” mikä tahansa, sen ominaisuuksien muutoksen on aina oltava verrannollinen alkuperäisen ääniaallon ilmanpaineen muutokseen.
Toinen tapa saada tietoa äänestä kuuluu ääniaallon painearvon mittaamiseen. Tuloksena oleva numerosarja - digitaalinen signaali - ei ole muuta kuin alkuperäisen äänivärähtelyn uusi ilmaus. Luonnollisesti signaalin muodon välittämiseksi oikein nämä mittaukset on suoritettava melko usein - vähintään useita kertoja äänisignaalin korkeimman taajuuskomponentin aikana.
Digitaalinen äänentallennus (lähetys)järjestelmä koostuu yleisimmässä muodossaan digitaalisesta mikrofonista (äänenpainemittarista), digitaalisesta nauhurista tai lähettimestä (suuren numerojoukon tallentamiseen tai lähettämiseen) ja digitaalisesta kaiuttimesta (numerosekvenssimuunnin). ja äänenpaineen vaihtaja). Todellisissa digitaalisissa äänentallennus- (lähetys) -järjestelmissä käytetään edelleen analogisia sähköakustisia muuntimia - mikrofoneja ja kaiuttimia (kaiuttimia), ja sähköisiä äänitaajuisia signaaleja käsitellään digitaalisesti.
Yleisesti ottaen digitaaliset signaalit ovat suorakaiteen muotoisia pulsseja, jotka loogisia elementtejä käyttämällä kytkevät päälle ja pois sähköpiirin eri piirejä. Toisin kuin analoginen elektroniikka, joka toimii signaalin muodon ja jännitteen mukaan, digitaalinen elektroniikka käyttää binäärisignaaleja - signaaleja, joiden jännitetasot vastaavat "0" ja "1".
Digitaalisen signaalin pulssiamplitudille (jännitetasolle) ei yleensä ole tiukkoja vaatimuksia, mikäli jännite kattaa luotettavasti "0" ja "1" tasot, jotka ovat yleensä välillä 0 - +5 V. Esim. , signaalitasolle, joka vastaa arvoa " 1", voidaan ottaa jännite alueella 2,4 - 5,2 V ja taso "0" voidaan ottaa jännitteeksi alueella 0 - 0,8 V.
Binäärisignaalien laskemiseen on kätevintä käyttää binäärilukujärjestelmää, joka toimii myös vain kahdella numerolla - 0 ja 1. Missä tahansa numerojärjestelmässä, myös binäärissä, numeron käsite on tärkeä paikka. Numero edustaa potenssia (lukua), johon numerojärjestelmän kanta on korotettu. Numeroiden lukumäärät lasketaan oikealta vasemmalle ja numerointi alkaa nollasta.
Suurin numero, joka voidaan kirjoittaa binäärijärjestelmään (kuten mihin tahansa muuhunkin), riippuu käytettyjen numeroiden määrästä. Joten, kun käytät yhtä numeroa, voit kirjoittaa vain kaksi numeroa 0 ja 1. Jos käytät 2 numeroa, voit kirjoittaa numeroita välillä 0-3. Jos käytössä on 8 numeroa, voit käyttää numeroita 0-255 , ja 16 numerolla mahdollisten lukuarvojen alue on 0 - 65 535.
Analogisen signaalin muuntaminen digitaaliseksi signaaliksi lähes kaikissa käytännön äänentallennusjärjestelmissä tapahtuu useissa vaiheissa. Ensin analoginen audiosignaali johdetaan analogisen suodattimen läpi, joka rajoittaa signaalin taajuuskaistaa ja poistaa signaalista häiriöitä ja kohinaa. Sitten näytteet erotetaan analogisesta signaalista näyte/pitopiirin avulla: analogisen signaalin hetkellinen taso tallennetaan tietyllä jaksotuksella. Seuraavaksi näytteet syöttävät analogia-digitaalimuuntimeen (ADC), joka muuntaa kunkin näytteen hetkellisen arvon digitaaliseksi koodiksi tai numeroiksi. Tuloksena oleva digitaalisten koodibittien sekvenssi on itse asiassa audiosignaali digitaalisessa muodossa. Siten muunnoksen seurauksena jatkuva analoginen audiosignaali muuttuu digitaaliseksi - ajallisesti ja voimakkuudeltaan diskreetiksi.
Käsittelemme ensin analogia-digitaalimuunnoksen yleisiä periaatteita. Signaalien digitalisoinnin perusperiaate on hyvin yksinkertainen ja se on esitetty kuvassa. 17.1, A. Jossain vaiheessa t 1, t 2, t 3 otamme analogisen signaalin hetkellisen arvon ja käytämme siihen ikään kuin mittaa, viivainta, joka on asteikoitu binääriasteikolla. Säännöllinen viivain sisältää suuria jakoja (metrejä), joista jokainen on jaettu kymmeneen osaan (desimetreihin), joista jokainen olisi myös jaettu kymmeneen osaan (senttimetriä) jne. Binääriviivaimessa olisi jaot jaettuna puoliksi, sitten taas puoliksi. jne. .d – kuinka suuri resoluutio on riittävä. Jos tällaisen viivaimen koko pituus on esimerkiksi 2,56 m ja pienin jako on 1 cm (eli voimme mitata sen pituuden enintään 1 cm tarkkuudella, tarkemmin sanottuna jopa puolet siitä), silloin on täsmälleen sellaisia jakoja 256, ja ne voidaan esittää 1 tavun tai 8 bitin binäärilukuna.
Riisi. 17.1 . Analogisten signaalien digitalisointi:
A- perusperiaate;
b– lauseen selitys Kotelnikov-Nyquist
Mikään ei muutu, jos emme mittaa pituutta, vaan jännitettä tai vastusta, vain käsitteen "vivain" merkitys on hieman erilainen. Näin saamme signaalin suuruuden peräkkäisiä näytteitä x 1, x 2, x 3. Huomaa lisäksi, että valitulla resoluutiolla ja numeroiden määrällä voimme mitata arvon, joka ei ylitä tiettyä arvoa, joka vastaa maksimilukua, tässä tapauksessa 255. Muuten meidän on joko lisättävä numeroiden määrää (pidennettävä) hallitsija) tai muuta erottelukykyä huonompaan suuntaan (venytä häntä). Kaikki yllä oleva on analogia-digitaalimuuntimen - ADC:n - toiminnan ydin.
Kuvassa 17.1, A Kaavio osoittaa tämän prosessin siinä tapauksessa, että mittaamme jonkin ajan kuluessa muuttuvan suuren. Jos mittauksia tehdään säännöllisesti tunnetulla taajuudella (kutsutaan näytteenottotaajuudeksi tai kvantisointitaajuudeksi), vain signaaliarvot voidaan tallentaa. Jos tehtävänä on sitten palauttaa alkuperäinen signaali tallennetuista arvoista, voimme, kun tiedämme näytteenottotaajuuden ja hyväksytyn asteikon (eli mikä fyysisen suuren arvo vastaa maksimilukua hyväksytyllä binäärilukualueella) Palauta aina alkuperäinen signaali yksinkertaisesti piirtämällä pisteet kaavioon ja yhdistämällä ne tasaisella viivalla.
Mutta mitä menetämme? Katso kuva. 17.1, b, joka havainnollistaa kuuluisaa Kotelnikov-lausetta (kuten tavallista, ulkomailla se menee eri nimellä - Nyquist, itse asiassa he molemmat muotoilivat sen toisistaan riippumatta). Tässä kuvassa on rajataajuuden siniaalto, jonka voimme vielä rekonstruoida käyttämällä näytteenottotaajuudella saatua pisteitä. f d. Koska sinivärähtelyn kaavassa A sin(2π ft) on kaksi riippumatonta kerrointa ( A– amplitudi ja f– taajuus), niin kaavion ulkonäön palauttamiseksi yksiselitteisesti tarvitset vähintään kaksi pistettä kutakin jaksoa kohti, ts. Näytteenottotaajuuden on oltava vähintään kaksi kertaa alkuperäisen analogisen signaalin spektrin korkein taajuus. Tämä on yksi Kotelnikov-Nyquistin lauseen yleisimmistä formulaatioista.
Yritä piirtää itse toinen sinusoidi ilman vaihesiirtoa, joka kulkee kaaviossa ilmoitettujen pisteiden läpi, ja huomaat, että tämä on mahdotonta. Samanaikaisesti voit piirtää minkä tahansa määrän erilaisia sinimuotoja, jotka kulkevat näiden pisteiden läpi, jos niiden taajuus on kokonaisluku kertaa suurempi kuin näytteenottotaajuus f d. Kaiken kaikkiaan nämä sinimuodot tai harmoniset (eli signaalin laajenemisen ehdot Fourier-sarjaksi - ks. luku 5), antavat minkä tahansa monimutkaisen muodon signaalin, mutta niitä ei voida palauttaa, jos sellainen on harmonisia alkuperäisessä signaalissa, ne katoavat ikuisesti.
Vain harmoniset komponentit, joiden taajuudet ovat rajan alapuolella, palautetaan yksiselitteisesti. Toisin sanoen digitalisointiprosessi vastaa alipäästösuodattimen toimintaa, jossa ominaiskäyrä on suorakaiteen muotoinen taajuudella, joka on tasan puolet näytteenottotaajuudesta.
Nyt käänteisestä muutoksesta. Pohjimmiltaan tässä tarkasteltavissamme DAC:issa ei tapahdu digitaali-analogiamuunnosa, sillä ilmaisemme binääriluvun suhteellisen jännitearvon muodossa, eli teoreettisesta näkökulmasta katsottuna olemme mukana vain mittakaavan muunnos. Koko analoginen asteikko on jaettu kvantteihin - asteikkoihin, jotka vastaavat binaarisen "viivaimemme" resoluutiota. Jos signaalin maksimiarvo on esimerkiksi 2,56 V, niin kahdeksanbittisellä koodilla saadaan kvantti 10 mV, emmekä tiedä emmekä voi selvittää, mitä signaalille tapahtuu näiden arvojen välillä, koska sekä näytteiden välisissä aikaväleissä. Jos otamme sarjan peräkkäisiä näytteitä tietystä signaalista, esimerkiksi kuvassa 2 esitetyt. 17.1, A, niin päädymme vaiheittaiseen kuvioon, joka näkyy kuvassa. 17.2.
Riisi. 17.2 . Digitoidun signaalin palauttaminen kuvasta. 17.1, a
Jos vertaat kuvan kaavioita. 17.1, A ja kuvassa 17.2, näet, että toinen kaavio edustaa ensimmäistä, lievästi sanottuna, hyvin likimääräistä. Tuloksena olevan käyrän luotettavuuden lisäämiseksi sinun tulee ensinnäkin ottaa näytteitä useammin ja toiseksi lisätä bittisyvyyttä. Silloin askeleet pienenevät ja pienenevät ja toivotaan, että jollain riittävän korkealla resoluutiolla, sekä ajallisesti että kvantisoinnissa, käyrä tulee lopulta erottumattomaksi jatkuvasta analogisesta linjasta.
Reunuksissa huomautuksia
Ilmeisesti äänisignaalien tapauksessa lisätasoitusta, esimerkiksi alipäästösuodattimen avulla, ei yksinkertaisesti tarvita tässä, koska se vain pahentaa kuvaa ja leikkaa korkeita taajuuksia entisestään. Lisäksi kaikenlaiset analogiset vahvistimet itse tasoittavat signaalia ja ihmisen aistit toimivat myös suodattimena. Joten askelmien läsnäolo sinänsä on merkityksetöntä, jos ne ovat tarpeeksi pieniä, mutta taajuusvasteen jyrkkä pudotus tietyn taajuuden yläpuolelle vaikuttaa kohtalokkaasti äänenlaatuun. Monet ihmiset, joilla on hyvä musiikkikorvaus väittävät pystyvänsä erottamaan tarkasti CD-laatuisen digitaalisen äänen (näytteistetty taajuudella 44,1 kHz, eli katkaisu taajuudella, joka on selvästi korkeampi kuin ihmisen kuulon taso, ja sävyjen määrä vähintään 65 tuhatta koko alueelta) todellisesta analogisesta äänestä, esimerkiksi vinyylilevyltä tai nauhalta. Tästä syystä korkealaatuista digitaalista ääntä tallennetaan paljon suuremmilla näytteenottotaajuuksilla kuin muodollisesti vaaditaan, esimerkiksi 192 ja jopa 256 kHz, jolloin siitä tulee todella erottumaton alkuperäisestä. Totta, suoraan digitoitu ääni tallennetaan vain levyille Audio CD -muodossa, ja lähes kaikissa muissa formaateissa käytetään pakkausta - pakkausta erityisillä algoritmeilla. Jos se ei olisi pakkausta, nykyaikaisen median kapasiteetti tai tietokoneverkkojen nopeus ei riittäisi tallentamiseen: vain minuutti stereoääntä CD-laatuparametreilla vie medialta noin 10 MB, voit tarkistaa sen itse. .
Analogisten jaksollisten signaalien näytteenoton erityispiirteisiin ei puututa, koska tämä on erittäin laaja nykyaikaisen tekniikan ala, joka liittyy ensisijaisesti äänen ja videon digitointiin, tallentamiseen, replikointiin ja toistoon, ja tämän pitäisi olla vähintään erillinen kirja. Esitetty tieto on tarkoituksiinmme riittävä, ja nyt siirrytään suoraan yksittäisen signaaliarvon digitointiin ja käänteismuuntamiseen.
Aloitamme lopusta, eli digitaali-analogi-muuntimista - näet miksi alla. Oletetaan, että syötteessämme on numeroita binäärimuodossa - ei ole väliä, onko se tulosta jonkin todellisen signaalin digitoinnista vai syntetisoidusta koodista. Meidän on muutettava se analogiseksi jännitetasoksi valitun asteikon mukaisesti.
Yksinkertaisin DAC on dekooderi- tai heksadesimaalijakaja, kuten 561ID1. Jos käytämme siihen nelibittistä koodia, niin lähdössä saamme loogisen jokaiselle koodiarvolle erillisellä nastalla. Kytkemällä LED-rivin tällaisen dekooderin lähtöihin saamme nauhan (asteikko) -osoittimen, joka 10 tai 16 askeleen resoluutiolla koko alueella näyttää tietyn arvon tason. Lisäksi hyvin usein tällainen suhteellisen karkea indikaattori, joka korvaa osoitininstrumentit, riittää käytännössä. Tällaisten diskreettien asteikkoindikaattoreiden ohjaamiseen valmistetaan erityisiä mikropiirejä, joiden avulla arvoa voidaan näyttää ei erillisenä pisteenä tai nauhana, vaan valopilarina. On myös mikropiirejä, jotka voivat ohjata ei diskreettejä, vaan lineaarisia tyhjiöindikaattoreita. Mukana on jopa K1003PP1-mikropiiri (UAA180:n analogi), joka muuntaa analogisen arvon (jännitteen) suoraan palkkiosoittimen ohjaussignaaliksi. Melko vaikuttava muotoilu voidaan saada, jos lämpömittarin piirissä kuvan 1 mukaisesti. 13.3 tai 13.4, vaihda osoitinpää tällaisella mikropiirillä ja asteikon osoittimella - kuten perinteisen lämpömittarin täysimittainen jäljitelmä!
Tällaisella primitiivisellä DAC:lla on kaksi haittaa: ensinnäkin sen resoluution nostaminen yli 16–20 asteikkoa on epärealistista, koska silloin ulostuloja tulee liikaa. Mutta mikä tärkeintä, se on tarkoitettu kapeaan digitaalisen arvon visualisointitehtävään ja on avuton tämän alueen ulkopuolella. Muuntaja, joka suorittaa kuvan 1 mukaisen toiminnon, olisi paljon laajemmin käytössä. 17.2, eli syötetään sisääntulossa olevaan koodiin verrannollinen analoginen jännite.
"Tyhmä" menetelmä tällaisen jännitteen saamiseksi koostuisi seuraavasta menetelmän modifikaatiosta tyypin 561ID1 dekooderi-jakajalla. Tätä varten sinun on rakennettava jakaja identtisten vastusten ketjusta, kytkettävä se referenssijännitelähteeseen ja kytkettävä tämän jakajan hanat dekooderin jakajalta ohjatuilla avaimilla. Kaksi- tai kolminumeroiseen koodiin voit käyttää kohdassa kuvattuja koodia luku 15 multiplekserit tyypit 561KP1 ja 561KP2. Mutta suuremmalla määrällä bittejä tällainen suora muunnos DAC muuttuu täysin hirviömäiseksi malliksi. Kahdeksan bittinen koodi vaatisi 256 vastusta (täsmälleen identtisiä!), saman määrän näppäimiä ja dekooderin samalla määrällä lähtöjä, mutta kahdeksanbittinen koodi on melko karkea "viivain", sen resoluutio ei ylitä neljännes prosenttia. Siksi käytännössä tätä menetelmää käytetään rakentamaan ADC, ei DAC (koska monimutkaisuudestaan huolimatta sillä on yksi ainutlaatuinen ominaisuus, katso alla), ja tässä emme edes piirrä tällaista piiriä.
Tarkastellaanpa yhtä yleisimmistä menetelmistä, joka mahdollistaa koodi-jännitemuunnoksen käyttämättä tällaisia hirviömäisiä rakenteita. Kuvassa 17.3, A näyttää toteutusvaihtoehdon DAC:lle, joka perustuu operaatiovahvistimeen, jossa on kytketyt vastukset takaisinkytkentäpiirissä. Kytkentäpainikkeina voit käyttää esimerkiksi 293-sarjan pienikokoisia elektronisia releitä, eli samaa tyyppiä, jota käytimme kuvan 1 termostaatin suunnittelussa. 12.9, tai 590-sarjan erikoisnäppäimet. Kytkentäkoskettimen toteuttamiseksi olisi kuitenkin tarpeen asentaa kaksi tällaista näppäintä kutakin numeroa kohden, joten 561-sarjassa on erityinen siru 561KTZ (CD4066), joka sisältää neljä identtistä avainta, jotka toimivat. täsmälleen kuten annetussa kaaviossa näkyy.
Riisi. 17.3. Rakentamisessa käytetyt kaaviot DAC :
a– kaksibittinen DAC negatiivisella lähdöllä;
b– mielivaltaisen pituinen R–2R-ketju;
V– DAC positiivisella lähdöllä
Nämä avaimet ovat kaksisuuntaisia, mutta niiden lähdöt toimivat eri tavalla. Lähtö, joka on nimetty OUT/IN (kotimaisessa versiossa yleensä yksinkertaisesti "Output"), on yhdessä tilassa kytketty toiseen tuloon/lähdöön, toisessa se on yksinkertaisesti poissa käytöstä, kuten tavallisesti. Ja lähtö, joka on nimetty IN/OUT (kotimaisessa versiossa yksinkertaisesti "Input"), on yhdessä tilassa kytketty ensimmäiseen tuloon, mutta kun avain on rikki, se ei "roikkuu ilmassa" kuten ensimmäinen, vaan on maadoitettu. Jos siis syötät loogisen ykkösen signaalin 561KTZ:n näppäinohjaustuloon, oikein kytketyn avaimen IN/OUT-nasta vaihtuu OUT/IN-tuloon, ja jos ohjaussignaali on looginen nolla, IN/ OUT-nasta on oikosuljettu maahan, kuten tarvitsemme.
Reunuksissa huomautuksia
Huomaa, että siellä on myös 176KT1-mikropiiri (CD4016A, sille ei ole analogia 561-sarjassa, mutta on tuotu versio CD4016B, jonka virtalähde on enintään 20 V), johon 561KTZ sekoitetaan usein - siinä on eniten yleiset kaksipuoliset avaimet, ilman maadoitusta. Ja huolimatta siitä, että nämä mikropiirit on kuvattu tyhjentävästi klassisessa hakuteoksessa, virheellisiä tietoja tarjotaan usein online-amatöörihakukirjoissa 561 KTZ:stä. Tietysti on epätodennäköistä, että joudut rakentamaan tällaisia DAC: ita itse, mutta varmuuden vuoksi sinun tulee ottaa huomioon, että 561KTZ-kytkimen vastus, samoin kuin nykyaikaisemmat muutokset (1561 KTZ tai CD4066B), on melko korkea. , satojen ohmien luokkaa, mikä voi vaikuttaa tarkkuuteen. Vaikka käytännön syistä useissa piireissä (mutta ei tarkasteltavassa!), tärkeämpää ei ole vastuksen itseisarvo, vaan tämän parametrin ero näppäinten välillä, mikä viitekirjojen mukaan tekee ei ylitä 5 ohmia.
Pohditaan lopuksi, kuinka tämä järjestelmä toimii. Periaatteiden ymmärtämiseksi paremmin piirsin vain kaksinumeroisen version. Kaksi numeroa ovat neljä asteikkoa, eli operaatiovahvistimen lähtöjännitteen tulee ottaa 4 arvoa tasavälein, tässä tapauksessa nämä jännitteet ovat yhtä suuria kuin 0 sekä 1/4, 1/2 ja 3/4 referenssijännite U op. Miten tämä tapahtuu?
Tarkastellaan ensin piiriä sen alkutilassa, kun koodin näppäinohjaustuloissa on arvo “00”. Koska molemmat ovat matalampia vastuspiirissä 2R alkutilassa on kytketty "maahan", eli kytketty rinnan, niin niiden kokonaisresistanssi on yhtä suuri kuin R .
Sitten kaavion ylin vastus R ja nämä kaksi vastusta muodostavat jakajan, jonka jännite on täsmälleen puolet U op. Vastus jakajan kanssa rinnakkain 2R ei osallistu jännitteenjakoon. Näppäimet ovat auki, vastusketju on irrotettu op-amp-tulosta; ja sen lähdön jännite on yhtä suuri kuin 0.
Olkoon koodi nyt arvo “01”. Tässä tapauksessa vastus, jolla on nimellisarvo 2R vähiten merkitsevä numero (piirin pienin) kytketään vahvistimen tuloon. Itse vastusketjulle R ‑2R sillä ei ole väliä onko tämä vastus kytketty maahan vai tuloon, koska operaatiovahvistimen tulopotentiaali on sama kuin sama maapotentiaali. Näin ollen op-vahvistimen tuloon nimellisarvoisen vastuksen kautta 2R virtaa, jonka suuruus on yhtä suuri kuin sen sisääntulon jännite ( U op/2, kuten huomasimme), jaettuna tämän vastuksen arvolla ( 2R). Nykyinen kokonaisarvo on U op /4R, ja tämä virta luo op-vahvistimen takaisinkytkentävastukseen, jonka resistanssi on yhtä suuri R, jännitehäviö yhtä suuri kuin U op/4. Voit ajatella toisin - harkitse invertoivaa vahvistinta, jonka vahvistus on 0,5, jonka määrää vastussuhde R /2R, ja tulojännite U op/2. Kaiken kaikkiaan koko piirin lähtö on jännite U op/4 (mutta päinvastaisella etumerkillä, koska vahvistin invertoi).
Olkoon koodi nyt arvo "10". Sitten kaikki on vielä yksinkertaisempaa - jännite kytketään op-amp-tuloon U op ylemmän vastuksen läpi 2R. Vahvistus on sama (0,5), joten lähtö on jännite U op/2. Vaikein tapaus on, kun koodi saa arvon "11" ja molemmat vastukset on kytketty. Tässä tapauksessa operaatiovahvistinta tulisi pitää analogisena summaimena (katso. luku 12, riisiä. 12.5, A). Lähtöjännite määräytyy vastusten läpi kulkevien virtojen summan perusteella 2R, kerrottuna takaisinkytkentävastuksen arvolla R, eli se on yhtä suuri kuin ( U op / 2 R + U op /4R)R tai vain 3 U op /4.
Katsoin tätä esimerkkiä niin yksityiskohtaisesti osoittaakseni selvästi ketjun ominaisuudet R-2R. Sen rakentamismenetelmä millä tahansa määrällä linkkejä on esitetty kuvassa. 17.3, b. Äärimmäiset vastukset 2R kytketty rinnan ja yhteensä ne antavat vastuksen R, siksi seuraava linkki osoittautuu koostuvan samoista nimityksistä 2R ja yhteensä se myös antaa R jne. Riippumatta siitä, kuinka pitkä ketju on tehty, se jakaa tulojännitteen binäärisuhteessa: ketjun oikeassa reunassa kaavion mukaan tulee jännite U op, seuraavassa haarassa U op/2, seuraava U op/4 jne.
Siksi käyttämällä vain kahta tyyppistä vastusta, jotka eroavat tasan kaksi kertaa, on mahdollista rakentaa periaatteessa minkä tahansa kapasiteetin omaava DAC. Joten, kahdeksan bitin DAC sisältää 16 vastusta ja 8 kytkintä (jos kytketty, kuten 561KTZ), ottamatta huomioon takaisinkytkentävastusta, joka selvyyden vuoksi oli myös yhtä suuri R, mutta se voi olla mikä tahansa sopiva nimitys. Integroiduissa DAC:eissa tätä vastusta ei usein asenneta ollenkaan etukäteen, vaan vastaavat nastat on sijoitettu ulkopuolelle, jotta saat helposti minkä tahansa lähtöjänniteasteikon. Esimerkiksi, jos piirissämme teemme tämän vastuksen arvoksi 1,33 R, niin lähdössä saamme jännitteet, jotka ovat yhtä suuria kuin U op , 2U op /3, U op/3 ja 0.
Totta, niin yksinkertaisen piirin haittana on, että lähtöjännitteillä on päinvastainen etumerkki, mutta tämä ongelma on helppo ratkaista. Kuvassa 17.3, V näyttää yksinkertaisimman version DAC:sta "normaalilla" positiivisella lähdöllä. Jätän lukijan tehtäväksi itse analysoida tämän piirin toimintaa - se on itse asiassa jopa yksinkertaisempi kuin invertoiva versio. Tämän vaihtoehdon haittana invertoivaan vaihtoehtoon verrattuna on, että vahvistusta ei voi säätää ja asteikko määräytyy vain arvon mukaan. U op. Mutta tämä haitta voidaan helposti korjata monimutkaisemalla piiriä hieman. Tällaisia DAC:ita kutsutaan myös kerrotaan .
Reunuksissa huomautuksia
En harkitse kaupallisia integroituja DAC-piirejä (esim. 572PA1), jotka perustuvat tähän periaatteeseen, koska ne toimivat yleensä samalla tavalla, ja DAC:ita yksinään, ilman ADC:n käyttöä, tarvitaan harvoin. Sanotaanpa kuitenkin muutama sana metrologiaan liittyvistä ongelmista. On selvää, ettei ole helppoa saada tarkkoja vastusarvoja valmistettaessa tällaisen DAC:n sirua, joten käytännössä absoluuttiset arvot R voi olla melko laaja. Niiden nimellisarvot on sovitettu huolellisesti yhteen lasersäädön avulla. Kytkimien omalla resistanssilla voi myös olla suuri vaikutus piirin toimintaan, erityisesti korkeammissa biteissä, joissa virrat ovat suurempia kuin alemmissa. Integroidussa versiossa he jopa tekevät näistä avaimista erilaisia - korkeampiin numeroihin ne asettavat tehokkaampia, joilla on vähemmän vastusta. Ja jos yrität tehdä kotitekoisen DAC:n aiemmin mainitun 516KTZ:n perusteella, R:n arvon tulisi olla kymmeniä kiloohmeja, ei vähemmän, muuten kytkimet alkavat aiheuttaa liikaa virheitä.
Toinen seikka liittyy vakaan referenssijännitteen saamiseen, koska se vaikuttaa suoraan muunnostarkkuuteen ja ehdottomasti kaikkiin ADC:ihin ja DAC:eihin, kuten näemme myöhemmin. Tällä hetkellä elektroniikan kehitys on mahdollistanut tämän ongelman melkein unohtamisen - kaikki suuret valmistajat tuottavat referenssijännitelähteitä, joiden avulla voidaan saavuttaa noin 16 bitin vakaus (eli 65 536 signaalin asteikkoa). Lisäksi voit aina keksiä kaavion niin, että mittauksista tulee suhteellisia.
Tarkasteltavan tyyppisen DAC:n nopeus määräytyy pääasiassa kytkimien nopeuden ja käytetyn logiikan tyypin mukaan, eikä CMOS-kytkimien tapauksessa ole liian suuri - suunnilleen sama kuin perinteisillä CMOS-elementeillä.
Useimmat integroidut DAC:t on rakennettu käyttämällä kuvattua painotettujen virtojen tai jännitteiden summausperiaatetta. Toinen digitaali-analogi-muuntimien luokka on integroimalla DAC:t, jotka muuntavat ajassa vaihtelevia määriä. Näiden DAC-muuntimien avulla voit saada heti todella analogisen, jatkuvan signaalin ilman aliasoinnin merkkejä.
Analogi-digitaalimuuntimien valikoima on huomattavasti suurempi kuin DAC-muuntimien. Kaikki niiden tyyppien valikoima voidaan kuitenkin vähentää kolmeen lajikkeeseen: nämä ovat rinnakkais-ADC:t, peräkkäiset approksimaatio-ADC:t ja integroivat ADC:t. Katsotaanpa niitä järjestyksessä.
Huolimatta siitä, että omaksumme suurimman osan ulkoisesta tiedosta näön kautta, äänikuvat eivät ole meille vähemmän tärkeitä, ja usein jopa tärkeämpiä. Kokeile katsoa elokuvaa äänen ollessa pois päältä - 2-3 minuutin kuluttua menetät juonen langan ja kiinnostuksen tapahtuvaan riippumatta siitä, kuinka suuri näyttö ja laadukas kuva ovat! Siksi mykkäelokuvissa kulissien takana soitti tapperi. Jos poistat kuvan ja jätät äänen, voit "kuunnella" elokuvaa kuin jännittävää radio-ohjelmaa.
Kuulo tuo meille tietoa siitä, mitä emme näe, koska visuaalisen havainnon sektori on rajallinen ja korva poimii joka puolelta tulevat äänet täydentäen visuaalista kuvaa
Kuulo tuo meille tietoa siitä, mitä emme näe, koska visuaalisen havainnoinnin sektori on rajallinen ja korva poimii kaikilta puolilta tulevia ääniä, jotka täydentävät visuaalista kuvaa. Samaan aikaan kuulomme voi paikantaa näkymätön äänilähteen erittäin tarkasti suunnan, etäisyyden ja liikenopeuden mukaan.
He oppivat muuttamaan äänen sähköisiksi värähtelyiksi kauan ennen kuvia. Tätä edelsi äänivärähtelyjen mekaaninen tallennus, jonka historia alkoi 1800-luvulla.
Nopeutettu edistyminen, mukaan lukien kyky siirtää ääntä etäisyyden yli, tuli mahdolliseksi sähkön ansiosta vahvistustekniikan, akustosähköisten ja sähköakustisten muuntimien - mikrofonien, mikrofonien, dynaamisten päiden ja muiden emitterien - myötä. Nykyään äänisignaaleja ei välitetä vain johtoja ja ilmaa pitkin, vaan myös kuituoptisten viestintälinjojen kautta, pääasiassa digitaalisessa muodossa.
Akustiset värähtelyt muunnetaan sähköisiksi signaaliksi, yleensä mikrofonien avulla. Mikä tahansa mikrofoni sisältää liikkuvan elementin, jonka värähtely synnyttää tietyn muotoisen virran tai jännitteen. Yleisin mikrofonityyppi on dynaaminen, joka on "takakaiutin". Ilmavärähtely panee liikkeelle kalvon, joka on jäykästi liitetty magneettikentässä sijaitsevaan äänikelaan. Kondensaattorimikrofoni on itse asiassa kondensaattori, jonka yksi levyistä värähtelee ajassa äänen mukana ja sen mukana levyjen välinen kapasitanssi muuttuu. Nauhamikrofonit käyttävät samaa periaatetta, vain yksi levyistä on vapaasti ripustettu. Elektreettimikrofoni on samanlainen kuin kondensaattorimikrofoni, jonka levyt itse synnyttävät värähtelyprosessin aikana sähkövarauksen, joka on verrannollinen värähtelyjen amplitudiin. Monissa mikrofonimalleissa on sisäänrakennettu vahvistin (signaalitaso suoraan akustosähköisestä muuntimesta on erittäin alhainen). Toisin kuin mikrofonin, sähköisen soittimen äänenpoiminta ei rekisteröi ilman, vaan kiinteän kappaleen värähtelyjä: soittimen kielet tai äänilevy. Poimintapää lukee levyn uraa käyttämällä kynää, joka on mekaanisesti kytketty liikkuviin keloihin magneettikentässä, tai magneeteilla, jos kelat ovat paikallaan. Tai neulan värähtely välittyy pietsosähköiseen elementtiin, joka mekaanisen rasituksen alaisena synnyttää sähkövarauksen. Magneettitallennuksessa äänisignaali tallennetaan magneettinauhalle ja luetaan sitten erityisellä päällä. Lopuksi optinen tallennus otettiin perinteisesti käyttöön elokuvissa: elokuvan reunaan laitettiin läpinäkymätön ääniraita, jonka leveys vaihteli signaalin mukaan, ja kun elokuva vedettiin projisointilaitteen läpi, sähköinen signaali tallennettiin. valosensorin avulla.
Syntetisaattoreissa ääni syntyy suoraan sähköisenä värähtelynä, akustiset aallot eivät muutu ensisijaisesti sähköisiksi signaaliksi.
Nykyaikaiset äänilähteet ovat monipuolisia, ja digitaalinen media yleistyy jatkuvasti: CD-levyt, DVD-levyt, vaikka myös vinyylilevyjä on edelleen saatavilla. Jatkamme radion kuuntelua, sekä maanpäällistä että kaapelia (radio spotteja). Ääni seuraa TV-ohjelmia ja elokuvia, puhumattakaan niin yleisestä ilmiöstä kuin puhelintoiminta. Tietokone on saamassa yhä enemmän osuutta äänen maailmassa, mikä mahdollistaa ääniohjelmien kätevän arkistoinnin, yhdistämisen ja käsittelyn tiedostoina. Digitaalisella aikakaudella digitoitua puhetta ja musiikkia välitetään digitaalisia kanavia pitkin, mukaan lukien Internet, ilman vakavia kuljetushäviöitä. Tämä saadaan aikaan digitaalisella koodauksella, ja häviö johtuu yksinomaan useimmin käytetystä pakkauksesta. Digitaalisella medialla sitä ei kuitenkaan ole lainkaan (CD, SACD) tai käytetään häviötöntä äänenpakkausalgoritmeja (DVD Audio, DVD Video). Muissa tapauksissa pakkausaste määräytyy äänitteen vaaditun laatutason mukaan (MP3-tiedostot, digitaalinen puhelu, digitaalinen televisio, tietyt mediatyypit).
Riisi. 1. Akustisen äänen värähtelyn muuntaminen sähköiseksi signaaliksi
Käänteinen muunnos sähköisistä värähtelyistä akustisiin tapahtuu radioihin ja televisioihin sisäänrakennetuilla kaiuttimilla sekä erillisillä kaiutinjärjestelmillä ja kuulokkeilla.
Äänellä tarkoitetaan akustista värähtelyä taajuusalueella 16 Hz - 20 000 Hz
Äänellä tarkoitetaan akustista värähtelyä taajuusalueella 16 Hz - 20 000 Hz. Alhaalla (infraääni) ja yläpuolella (ultraääni) ihmiskorva ei kuule, ja äänialueella kuuloherkkyys on erittäin epätasainen, sen maksimi esiintyy 4 kHz:n taajuudella. Jos haluat kuulla kaikkien taajuuksien äänet yhtä kovaa, sinun on toistettava ne eri tasoilla. Tätä tekniikkaa, jota kutsutaan äänenvoimakkuuden kompensoimiseksi, käytetään usein kodin laitteissa, vaikka sen tulosta ei voida pitää yksiselitteisesti positiivisena.
Riisi. 2. Samat äänenvoimakkuuskäyrät
(Klikkaa kuvaa nähdäksesi suurempana)
Äänen fysikaalisia ominaisuuksia ei yleensä esitetä lineaarisina, vaan suhteellisina logaritmisina suureina - desibeleinä (dB), koska tämä on paljon selkeämpi numeroina ja kompaktimpi kaavioissa (muuten joutuisi operoimaan suureilla, joissa on useita nollia ennen ja desimaalipilkun jälkeen, ja toinen hävisi helposti edellisen taustaa vasten). Kahden tason A ja B suhde dB:nä (esimerkiksi jännite tai virta) määritellään seuraavasti:
C u [dB] = 20 log A/B. Jos puhumme tehoista, niin C p [dB] = 10 log A/B.
Taajuusalueen lisäksi, joka määrittää ihmisen kuulon herkkyyden äänenkorkeudelle, on olemassa myös äänenvoimakkuusalueen käsite, joka näyttää korvan herkkyyden äänenvoimakkuustasolle ja kattaa intervallin hiljaisimmista kuultavista äänistä. (herkkyyskynnys) voimakkaimpaan, jonka yli on kipukynnys. Herkkyyskynnykseksi otetaan äänenpaine 2 x 10 -5 Pa (Pascal) ja kipukynnys on 10 miljoonaa kertaa suurempi paine. Toisin sanoen kuuluvuusalue eli kovimman äänen ja hiljaisimman äänen painesuhde on 140 dB, mikä ylittää merkittävästi minkä tahansa audiolaitteiston ominaisuudet oman melunsa vuoksi. Vain korkearesoluutioiset digitaaliformaatit (SACD, DVD Audio) on sovitettu teoreettiseen dynaamisen alueen rajaan (laitteen kovimman äänen suhde melutasoon) 120 dB, CD tarjoaa 90 dB, vinyylilevy tarjoaa noin 60 dB.
Riisi. 3. Kuulon herkkyysalue
Vain digitaaliset teräväpiirtomuodot (SACD, DVD Audio) saavuttavat teoreettisen dynaamisen alueen rajan
Äänireitillä on aina kohinaa. Tämä sisältää sekä vahvistuselementtien sisäisen kohinan että ulkoisen kohinan. Signaalisäröt jaetaan lineaarisiin (amplitudi, vaihe) ja epälineaarisiin eli harmonisiin. Lineaaristen vääristymien tapauksessa signaalispektri ei rikastu uusilla komponenteilla (harmonisilla), vain olemassa olevien taso tai vaihe muuttuu. Amplitudivääristymät, jotka rikkovat alkuperäisiä tasosuhteita eri taajuuksilla, johtavat kuultaviin sointisäröihin. Pitkään uskottiin, että vaihevääristymät eivät ole kuulon kannalta kriittisiä, mutta nykyään päinvastoin on todistettu: sekä sointi että äänen lokalisaatio ovat suurelta osin riippuvaisia signaalin taajuuskomponenttien vaihesuhteista.
Mikä tahansa vahvistuspolku on epälineaarinen
Mikä tahansa vahvistuspolku on epälineaarinen, joten harmonisia vääristymiä syntyy aina: uusia taajuuskomponentteja erotetaan taajuudella 3, 5, 7 jne. niitä tuottavasta sävelestä (parittomat harmoniset) tai 2, 4, 6 jne. kertaa (jopa). Harmonisten vääristymien havaittavuuden kynnys vaihtelee suuresti: useista prosentin kymmenesosista ja jopa sadasosista 3-7 prosenttiin harmonisten koostumuksesta riippuen. Parilliset harmoniset ovat vähemmän havaittavissa, koska ne ovat sopusoinnussa perusäänen kanssa (taajuuden ero on kaksi kertaa suurempi kuin oktaavin).
Harmonisten vääristymien lisäksi esiintyy keskinäismodulaatiosäröjä, jotka ovat signaalispektrin taajuuksien ja niiden harmonisten erotustuloja. Esimerkiksi vahvistimen lähdössä, jonka tuloon syötetään kaksi taajuutta 8 ja 9 Hz (melko epälineaarisella ominaisuudella), ilmestyy kolmas (1 kHz) sekä joukko muita: 2 kHz (perustaajuuksien toisten harmonisten erona) jne. . Intermodulaatiosärö on erityisen epämiellyttävä korvalle, koska se synnyttää monia uusia ääniä, myös sellaisia, jotka ovat dissonanttisia päääänien suhteen.
Se, mitä audiofiili kuulee ja ei vain kuule, vaan myös selittää, voi osoittautua tavalliselle kuuntelijalle täysin näkymätöntä
Signaali peittää suurelta osin kohinaa ja säröä, mutta ne itse peittävät matalan tason signaalit, jotka katoavat tai muuttuvat epäselviksi. Siksi mitä korkeampi signaali-kohinasuhde on, sitä parempi. Todellinen herkkyys melulle ja särölle riippuu yksilöllisistä kuuloominaisuuksista ja sen harjoittelusta. Äänen ja säröjen taso, joka ei vaikuta puheensiirtoon, voi olla täysin kelpaamaton musiikille. Se, mitä audiofiili kuulee ja ei vain kuule, vaan myös selittää, voi osoittautua tavalliselle kuuntelijalle täysin näkymätöntä.
ANALOGINEN ÄÄNEN LÄHETYS
Perinteisesti äänisignaalit välitettiin johtojen ja myös radioaaltojen kautta.
On balansoimattomia siirtolinjoja (klassinen lanka) ja balansoituja. Epäsymmetrisessä on kaksi johtoa: signaali (suora) ja paluu (maa). Tämä linja on erittäin herkkä ulkoisille häiriöille, joten se ei sovellu signaalien lähettämiseen pitkiä matkoja. Usein toteutettu suojatulla johdolla, suoja on kytketty maahan.
Riisi. 4. Epätasapainoinen suojattu johto
Tasapainotettu linja sisältää kolme johtoa: kaksi signaalijohtoa, joiden läpi kulkee sama signaali, mutta vastavaiheessa, ja maadoitus. Vastaanottopuolella yhteismoodin häiriöt (indusoituvat molemmille signaalijohdoille) vähennetään keskenään ja katoavat kokonaan, ja hyödyllisen signaalin taso kaksinkertaistuu.
Riisi. 5. Tasapainotettu suojattu linja
Epätasapainoisia linjoja käytetään yleensä laitteiden sisällä ja lyhyillä etäisyyksillä, pääasiassa käyttäjäpoluilla. Ammatillisella alalla tasapaino hallitsee.
Kuvissa näytön liitoskohdat on esitetty ehdollisesti, koska ne on joka kerta valittava "paikoilleen" parhaan tuloksen saavuttamiseksi. Useimmiten näyttö on kytketty vain signaalin vastaanottimen puolelle.
Epätasapainoisia linjoja käytetään yleensä laitteiden sisällä ja lyhyillä etäisyyksillä, pääasiassa käyttäjäpoluilla. Ammatillisella alalla tasapaino vallitsee.
Äänisignaalit normalisoidaan tehollisen jännitetason mukaan (0,707 amplitudiarvosta):
- mikrofoni 1-10 mV (mikrofoneille, joissa ei ole sisäänrakennettua vahvistinta),
- lineaarinen 0,25-1 V, yleensä 0,7 V.
Tehovahvistimen lähdössä, josta signaali lähetetään kaiuttimiin, sen taso on paljon korkeampi ja voi saavuttaa (äänenvoimakkuudesta riippuen) 20-50 V virroilla 10-20 A asti. Joskus - jopa satoja volttia, lähetyslinjoja ja avoimien tilojen luotauksia varten.
Käytetyt kaapelit ja liittimet:
- tasapainotetuille linjoille ja mikrofoneille - suojattu pari (usein kierretty), 3-nastaiset XLR-liittimet tai -liittimet, ruuvi tai puristin;
Riisi. 6. Liittimet balansoituja linjoja varten: liittimet ja XLR
- balansoimattomille linjoille - suojattu kaapeli, RCA ("tulppaani") -liittimet, harvemmin DIN (sekä GOST) sekä erilaiset pistokkeet;
Riisi. 7. Epäsymmetriset linjaliittimet: RCA, 3,5 mm ja 6,25 mm pistokkeet
- suuritehoisille kaiutinsignaaleille - suojaamattomat (harvinaisia poikkeuksia lukuun ottamatta) isokokoiset kaiutinkaapelit, liittimet tai puristimet, banaani- tai neulaliittimet
Riisi. 8. Kaiutinkaapelin liittimet
Liittimien ja kaapeleiden laadulla on merkittävä rooli erityisesti korkealaatuisissa audiojärjestelmissä
Liittimien ja kaapeleiden laadulla on merkittävä rooli erityisesti korkealaatuisissa audiojärjestelmissä. Johtimen ja eristeen materiaalit, poikkileikkaus ja kaapelin geometria ovat tärkeitä. Kalleimmissa liitäntä- ja kaiutinkaapeleiden malleissa käytetään erittäin puhdasta kuparia ja jopa kiinteää hopeaa sekä tefloneristystä, jolle on ominaista minimaalinen dielektrinen absorptio, joka lisää signaalihäviötä ja epätasaisesti taajuuskaistalla. Kaapelituotteiden markkinat ovat hyvin monipuoliset, usein samanlaatuiset mallit eroavat toisistaan vain hinnassa ja moninkertaisesti.
Kaikille kaapeleille on ominaista analogiset signaalihäviöt, jotka kasvavat taajuuden ja lähetysetäisyyden kasvaessa. Häviöt määräytyvät johtimen ohmisen resistanssin ja liittimien koskettimien sekä hajautettujen reaktiivisten komponenttien perusteella: induktanssi ja kapasitanssi. Pohjimmiltaan kaapeli on alipäästösuodatin (leikkaa korkeat taajuudet).
Eri etäisyyksillä tapahtuvan lähetyksen lisäksi signaaleja on usein haaroitettu ja kytkettävä. Kytkimet (tulovalitsimet) ovat olennainen osa monia audiopolun osia, sekä ammattilaisten että kuluttajien. On myös erikoistuneita jakovahvistimia, jotka jakavat signaalin ja varmistavat yhteensopivuuden siirtolinjan ja muiden komponenttien kanssa tason ja impedanssien suhteen (ja usein kompensoivat ylikierron korkeilla taajuuksilla) ja kytkimiä, tavanomaisia (useita tuloja ja yksi lähtö) ja matriisi (useita tuloja ja lähtöjä) ).
ANALOGINEN ÄÄNEN KÄSITTELY
Kaikkeen analogisen äänisignaalin käsittelyyn liittyy tiettyjä sen laadun heikkenemistä (taajuutta, vaihetta ja epälineaarisia vääristymiä esiintyy), mutta se on välttämätöntä. Tärkeimmät käsittelytyypit ovat seuraavat:
- signaalin vahvistaminen tasolle, joka vaaditaan kaiuttimen lähettämistä, nauhoittamista tai toistoa varten: syöttämällä signaalin mikrofonista kaiuttimeen, emme kuule mitään: meidän on ensin vahvistettava se tasoltaan ja teholtaan, samalla kun tarjotaan mahdollisuus säädä äänenvoimakkuutta.
Riisi. 9
- taajuussuodatus: terveydelle haitallinen infraääni tietyillä taajuuksilla ja ultraääni leikataan pois hyödylliseltä äänialueelta (20 Hz - 20 kHz). Monissa tapauksissa aluetta kavennetaan tarkoituksella (puhepuhelinkanavan taajuusalue on 300 Hz - 3400 Hz, mittariradioasemien taajuuskaista on merkittävästi rajoitettu). Akustisissa järjestelmissä, joissa on yleensä 2-3 kaistaa, tarvitaan myös erottelu, joka yleensä suoritetaan jakosuodattimissa jo vahvistetun (tehokkaan) signaalin tasolla.
Riisi. 10. Jakopiiri kolmitiekaiutinjärjestelmää varten
Riisi. 11. Esimerkki taajuuskorjaimesta
- kohinanvaimennus: on olemassa erityisiä dynaamisia kohinanvaimennuspiirejä, jotka analysoivat signaalia ja kaventavat kaistaa suhteessa RF-komponenttien tasoon ja taajuuteen ("denoisers", "dehissers"). Tässä tapauksessa signaalikaistan yläpuolella oleva kohina katkaistaan ja jäljelle jäävä kohina on enemmän tai vähemmän peitetty itse signaalilla. Tällaiset järjestelmät johtavat aina erittäin huomattavaan signaalin heikkenemiseen, mutta joissakin tapauksissa niiden käyttö on tarkoituksenmukaista (esimerkiksi työskennellessäsi äänitetyn puheen kanssa tai sisäpuhelinradioasemilla). Analogisissa tallennuslaitteissa käytetään myös kompressoreihin/laajentimiin perustuvia kohinanvaimentimia ("compander", esim. Dolby B, dbx-järjestelmät), joiden toiminta on vähemmän havaittavissa korvalle.
- vaikutus dynamiikkaan: jotta musiikkiohjelmien toisto tavallisissa kodin järjestelmissä, mukaan lukien autoradiot, olisi riittävän rikas ja ilmeikäs, dynamiikka-alue on tiivistetty, jolloin hiljaiset äänet kuulostavat kovemmin. Muuten, lukuun ottamatta satunnaisia fortissimo-purskeita (klassista musiikkia), sinun on kuunneltava hiljaisuutta kaiuttimista, varsinkin meluisassa ympäristössä. Tähän tarkoitukseen käytetään kompressoreiksi kutsuttuja laitteita. Joissakin tapauksissa päinvastoin on tarpeen laajentaa dynaamista aluetta, sitten käytetään laajennuksia. Ja estääkseen enimmäistason ylittymisen, joka johtaa katkeamiseen (ylhäältä tulevan signaalin rajoitus, johon liittyy erittäin suuria epälineaarisia vääristymiä, jotka koetaan vinkumisena), studioissa käytetään rajoittimia. Ne tarjoavat tyypillisesti "pehmeän" leikkaamisen sen sijaan, että leikkaavat vain signaalin yläosat;
Riisi. 12. Esimerkki studiodynamiikkaprosessorista
- erikoistehosteet studioihin, EMR jne.: äänisuunnittelijoilla ja muusikoilla on käytössään suuri määrä erikoislaitteita, jotka antavat äänelle halutun värin tai saavuttavat tietyn tehosteen. Näitä ovat erilaiset vääristyjät (sähkökitaran äänestä tulee käheä, rakeinen), wah-wah-liitännät (amplitudimodulaatio, joka aiheuttaa tyypillisen "huippuva"-efektin), tehostajat ja virittimet (laitteet, jotka vaikuttavat äänen väriin, erityisesti ne voivat antaa äänelle "putken" sävyn ); flangerit, kuorot jne.
Riisi. 13. Esimerkkejä sähkökitaroiden prosessoreista ja liittimistä
- äänimiksaus, kaiku/kaiku: studioissa nauhoitus tehdään yleensä monikanavaiseen muotoon, sitten miksereillä äänite sekoitetaan tarvittavaan määrään kanavia (useimmiten 2 tai 6). Tässä tapauksessa äänisuunnittelija voi "työntää eteenpäin" yhtä tai toista erilliselle raidalle tallennettua sooloinstrumenttia ja muuttaa eri raitojen äänenvoimakkuuksien suhdetta. Joskus signaalin päälle asetetaan useita alemman tason kopioita tietyllä aikasiirrolla, mikä simuloi luonnollista jälkikaiunta (kaiku). Tällä hetkellä vastaavat ja muut tehosteet saavutetaan pääasiassa digitaalisia signaaleja käsittelevillä signaaliprosessoreilla.
Riisi. 14. Moderni miksauspöytä
TALLENNA ANALOGINEN AUDIO
Uskotaan, että Edison toteutti ensimmäisen kerran äänen mekaanisen tallennuksen vuonna 1877, kun hän keksi fonografin - pehmeällä staniolikerroksella päällystetyn telan, jolle tehtiin jälki ilmavärähtelyä välittävällä neulalla (myöhemmin käytettiin sen sijaan vahaa staniolia, ja itse menetelmää alettiin kutsua syvyystallennukseksi, koska raita moduloitiin syvyyteen). Kuitenkin samana vuonna ranskalainen Charles Cros jätti Tiedeakatemialle hakemuksen keksinnöstään - ääni tallennettiin tasaiselle lasilevylle, peitetty noella, käyttämällä kalvoon liitettyä neulaa, saatiin poikittaisraita. , sitten levyn piti olla valaistu ja siitä tehtiin valokopiot replikointia varten (itse menetelmää ei ollut vielä kehitetty). Lopulta poikittaisnauhoitus, joka osoittautui paljon täydellisemmäksi kuin syvääänitys, synnytti gramofonitallenteen. Maailmaan ilmestyi kolme yritystä, jotka tuottivat levyjä sarjassa (CBS Amerikassa, JVC Japanissa, Odeon Saksassa - tämä yritys antoi maailmalle kaksipuolisen levyn) ja laitteita niiden soittamiseen. Nimi "gramophone" tulee Deutsche Gramophonista (Saksa) ja gramofonista Pathésta (Ranska). Sitten he alkoivat valmistaa kannettavia gramofoneja, joissa oli saranassa oleva kello, sähkömoottorilla käsikäyttöisen aseman sijaan ja myöhemmin sähkömagneettisilla sovittimilla. Levyistä tuli yhä täydellisempiä, ne sisälsivät enemmän materiaalia soittoajan kuluessa ja alun perin 4 kHz:iin rajoitettu taajuusalue laajeni. Vinyliitti korvasi herkän sellakin, ja lyhytikäiset teräsneulat väistyivät safiirilla ja sitten timantilla. Stereon aikakausi alkoi: kaksi kappaletta leikattiin yhdeksi uraksi 45° kulmassa. Viime vuosisadan 80-luvun alkuun mennessä, kun tapahtui globaali siirtyminen digitaaliseen äänimuotoon, vinyylilevy saavutti kehityksensä huipun.
Riisi. 15. Gramofoni, gramofoni, sähkösoitin
Magneettinen tallennus on kehittyneempää ja sitä on käytetty pitkään studioissa. Ensimmäisen magneettisen tallennuslaitteen, lennätin, loi Waldemar Paulsen (Tanska) vuonna 1878, ja äänitys tehtiin teräslangalle (pianon kielelle). 1900-luvun 20-luvulla ilmestyivät magneettinauhaa käyttävät nauhurit. Nauhureiden massatuotanto alkoi 40-luvulla. Ensin magneettinauhat ilmestyivät selluloosalle ja sitten lavsan-pohjalle. Äänisignaalit tallennetaan pitkittäisraidoihin käyttämällä kirjoituspäätä (tai yleistä) magneettivälillä. Nauha vedetään lähelle päärakoa ja siihen muodostuu jäännösmagnetointipolku. Ominaisuuden epälineaarinen osa on "sumentunut" käyttämällä suurtaajuista bias-virtaa (yleensä noin 100 kHz), jonka päälle hyödyllinen signaali asetetaan. Analogisia studionauhureita ja digitaalisia nauhureita käytetään edelleen äänitteiden ensisijaiseen tallennukseen. Kotitalouspäät ovat kaksi- ja kolmipäisiä (erilliset tallennus-, toisto- ja poistopäät tai poisto- ja yleispäät). Joskus on kaksi toistopäätä, jos peruutus on käytössä.
Jopa erittäin huolellisella käsittelyllä magneettinauha alkaa murentua ajan myötä
Magneettinauhassa on kohinaa, joka vähenee (siirtyy osittain kuuluvuusalueen ulkopuolelle) syöttönopeuden kasvaessa. Siksi studionauhureiden nopeus on 38, kun taas kotitalouksien kela-kelalle -nauhurien nopeus on 19 ja 9,5 cm/s. Kotitalouksien kasettinauhurit otettiin käyttöön nopeudeksi 4,76 cm/s. Nauhakohina vaimennetaan tehokkaasti Dolby B compander -järjestelmällä: tallennuksen aikana heikkojen signaalien korkeataajuisen osan tasoa nostetaan 10 dB ja toiston aikana se laskee saman verran.
Ammattimainen analoginen magneettitallennus suurella nopeudella tarjoaa erittäin korkean laadun. Juuri magneettinauhoilla musiikkitallenteita arkistoitiin pitkään, ja niiltä äänite siirtyi vinyylilevyille hieman laatuhäviöllä. Kuitenkin jopa erittäin huolellisella käsittelyllä magneettinauha alkaa murentua ajan myötä, sille on ominaista asteittainen demagnetoituminen, muodonmuutos, kopiovaikutus (rullan viereiset kerrokset magnetoituvat keskenään) ja se on herkkä ulkoisten magneettikenttien vaikutuksille. Haluttua fragmenttia on myös vaikea löytää nopeasti (vaikka tämä vaiva koskee enemmän kotitaloutta). Siksi Sony, joka omistaa valtavan CBS/Columbia-tallenteiden arkiston ja joka on huolissaan 1900-luvun jälkipuoliskolla tehtyjen korvaamattomien alkuperäisten tallenteiden säilyttämisen ongelmasta, kehitti digitaalisten formaattien tultua käyttöön tallennusmenetelmän diskreetillä pulssilla. leveysmodulaatiomuoto (DSD-virta - Direct Stream Digital, joka myöhemmin johti mukautettuun Super Audio CD -muotoon). Jos analoginen magneettitallennus varmistaa äänitteen säilymisen useiden vuosikymmenten ajan vähitellen kasvavilla häviöillä, digitaaliset arkistot ovat ikuisia ja kestävät rajattoman määrän kopioita ilman huononemista. Tästä, samoin kuin monista muista syistä (palvelun edut, monipuolisuus, valtavat prosessointiominaisuudet), digitaaliset ääniformaatit ovat nyt yleistymässä.
DIGITAALISEN ÄÄNESIGNAALIN VASTAANOTTO
Kotelnikov-Shanon-lauseen mukaan diskreetti signaali voidaan myöhemmin rekonstruoida kokonaan, jos näytteenottotaajuus on vähintään kaksi kertaa signaalispektrin ylempi taajuus.
Digitaalinen signaali saadaan analogisesta signaalista tai syntetisoidaan suoraan digitaalisessa muodossa (sähköisissä soittimissa). Analogi-digitaalimuunnos sisältää kaksi päätoimintoa: näytteenotto ja kvantisointi. Diskretisointi on jatkuvan signaalin korvaamista useilla näytteillä sen hetkellisistä arvoista, jotka otetaan tasaisin aikavälein. Kotelnikov-Shanon -lauseen mukaan diskreetti signaali voidaan tämän jälkeen rekonstruoida kokonaan edellyttäen, että näytteenottotaajuus on vähintään kaksi kertaa signaalispektrin ylempi taajuus. Sitten näytteet kvantisoidaan tason mukaan: jokaiselle niille annetaan diskreetti arvo, joka on lähinnä todellista. Kvantisoinnin tarkkuus määräytyy binääriesityksen bittisyvyyden mukaan. Mitä suurempi bittisyvyys, sitä enemmän kvantisointitasoja (2N, missä N on bittien määrä) ja sitä pienempi kvantisointikohina - lähimpään diskreettitasoon pyöristämisestä johtuvat virheet.
Riisi. 16. Analogisen signaalin digitointi ja digitaalisten näytteiden saaminen
CD-muodossa oletetaan 44,1 kHz:n näytteenottotaajuutta ja 16 bitin bittisyvyyttä. Toisin sanoen saadaan 44 tuhatta näytettä sekunnissa, joista jokainen voi ottaa yhden 2 16 = 65536 tasosta (jokaiselle stereokanavalle).
Kehittyneimmät kuluttajaääniformaatit ovat DVD Audio ja Super Audio CD (SACD)
Digitaalisessa tallennuksessa käytetään 44,1 kHz / 16-bitin formaatin lisäksi myös muita. Studionauhoitus tehdään yleensä 20-24 bitin bittisyvyydellä. Tiedot muunnetaan sitten tavalliseen CD-muotoon muuntamalla. Tämän jälkeen ylimääräiset bitit hylätään tai (paremmin) pyöristetään, joskus siihen sekoitetaan näennäissatunnaista kohinaa kvantisointikohinan (dither) vähentämiseksi.
Kehittyneimmät kuluttajaääniformaatit ovat DVD Audio ja Super Audio CD (SACD). DVD Audio käyttää Meridianin kehittämää MLP-häviötöntä tiedonpakkausalgoritmia. Ja SACD, toisin kuin muut formaatit, ei käytä pulssikoodimodulaatiota (PCM), vaan yksibittinen DSD-virtakoodaus (diskreetti pulssinleveysmodulaatio). SACD-levyt ovat yksikerroksisia ja kaksikerroksisia (hybridi) formaatteja, joissa on tavallinen CD-kerros.
Suosituin äänimedia on nykyään CD, huolimatta tietyistä audiofiilien havaitsemista äänenlaadun rajoituksista. Syynä niihin on alhainen näytteenottotaajuus: lähelle äänialueen ylärajaa olevien signaalien tarkkaan palauttamiseen tarvitaan suodatin, joka ei ole fyysisesti toteutettavissa (sen impulssivaste kattaa negatiivisen aikaalueen). Tätä kompensoi jossain määrin digitaalinen suodatus kasvavalla näytteenottotaajuudella ja bittisyvyydellä. Keskeytymättömän reaaliaikaisen toiston varmistamiseksi levyn tiedot tallennetaan redundanttisella koodauksella (Reed-Solomon-koodi).
Digitaalinen media, näytteenottotaajuudet ja koodausbitit
| Kuljettaja | Tekijyys | Mitat |
peliaikaa, min. |
Col. kanavia | Fs, kHz | Bittiä |
| CD-DA | Sony Philips |
120, 90 mm | 90 asti | 2 | 44,1 | 16 |
| S-DAT | kasetti, 3,81 mm nauha | 2 | 32, 44,1, 48 | 16 | ||
| R-DAT | kasetti, 3,81 mm nauha | 2, 4 | 44,1 | 12, 16 | ||
| DASH | nauha 6,3, 12,7 mm | 2…48 |
44,056, 44,1, 48 |
12, 16 | ||
| DAT | Alesis | kasetti S-VHS |
60 | 8 | 44,1, 48 | 16, 20 |
| DCC | Philips | kasetti | 2, 4 |
32, 44,1, 48 |
16, 18 | |
| MiniDisk | Sony | 64 mm | 74 | 2, 4 | 44,1 | 16 |
| DVD Audio |
120 mm | 5.1 | 192 | 24 | ||
| SACD | Sony Philips |
120 mm | 2, 5 | 2800 | 1 |
Digitaalinen äänensiirto vaatii laajakaistayhteyden, erityisesti pakkaamattomissa korkearesoluutioisissa monikanavaisissa streameissa.
DIGITAALINEN ÄÄNSIIRTO
Tietoliikennelinjoja digitaalisen äänen siirtoon voivat olla kaapeleita, optisia linjoja ja radioilmaa.
PCM-signaalien lähettämiseen langallisten linjojen kautta on kehitetty AES/EBU (balansoitu, koaksiaalinen), S/PDIF (epäsymmetrinen koaksiaalinen) liitännät, jotka mahdollistavat useiden signaalien (kellotaajuus, digitaalinen sananopeus, kanavadata) siirron yhden johdon kautta. Laitteiden sisällä nämä signaalit lähetetään erikseen, koodataan siirtomekanismin lähtöön, ja digitaali-analogiamuuntimen sisääntulossa (kaksilohkojärjestelmissä) ne erotetaan jälleen digitaalisessa vastaanottimessa.
Tyypillisesti digitaalisen äänen siirtämiseen käytetään korkealaatuista koaksiaalikaapelia. Valokuitulinjoille on myös S/PDIF-muuntimia: AT&T ST ja Toslink (jälkimmäinen on vakiona kuluttajalaitteissa). Ja myös kierrettyjen parien käyttöön osana Ethernet-kaapeliverkkoja. Pakatun äänen jakeluväline arkistoitujen tiedostojen muodossa on Internet.
Riisi. 17. Optinen kaapeli Toslink-liittimellä
Kuten mikä tahansa digitaalinen signaali, digitoitu ääni jaetaan ja vaihdetaan erityisillä laitteilla - jakeluvahvistimilla, tavanomaisilla ja matriisikytkimillä.
On olemassa tekijä, joka vaikuttaa negatiivisesti digitaalisiin signaaleihin ja usein mitätöi lähes kaikki digitaalisen äänen edut analogiseen verrattuna, mukaan lukien mahdollisuus kopioida, lähettää ja arkistoida toistuvasti ohjelmia laadun heikkenemättä - puhumme värinästä. Jitter on vaihevärinä eli epävarmuus siirtymähetkellä 0:sta 1:een ja päinvastoin. Tämä johtuu suorakaiteen muotoisten pulssien asteittaisesta muodonmuutoksesta, joissa on lähes ihanteelliset rintamat ja jotka muuttuvat yhä tasaisemmiksi kaapeleiden reaktiivisten elementtien vuoksi, mikä johtaa epävarmuuteen pudotushetkellä, vaikka rintamien jyrkkyys jokaisessa seuraavassa digitaalinen laite on täysin palautettu. Kaikki nykyaikaiset digitaaliset laitteet torjuvat värinää onnistuneesti uudelleenkellotusyksiköiden avulla. Katso lisätietoja Signal Switching and Control -esitteestä.
Kuva 18. Jakelu ja vaihto
Pakattuja ääniformaatteja käytetään lähetykseen ja tallentamiseen erilaisille digitaalisille medioille: Dolby Digital (AC-3) ja DTS. Tämän avulla voit sijoittaa täyspitkän elokuvan monikanavaäänellä sekä erilaisia lisämateriaaleja 4,7 Gt:n DVD-videolevylle. Dolby Digital -muodossa on 5 itsenäistä kanavaa: 2 etu-, 2 taka- ja 1 subwoofer erikoistehosteita varten. Pakkaus suoritetaan käyttämällä adaptiivista MPEG Audio -algoritmia, joka perustuu äänen havaitsemisen psykoakustisiin ominaisuuksiin ja varmistaa pakkauksen minimaalisen havaittavuuden. Kaiken tämän avulla voit luoda uudelleen täysimittaisen kolmiulotteisen äänipanoraaman. Korkealaatuiseen musiikin toistoon Dolby Digital on kuitenkin paljon vähemmän sopiva kuin CD, jonka resoluutio on pienempi. Bittinopeus Dolby Digital -tilassa (näytteet kullekin kanavalle lähetetään peräkkäin) on 384-640 kbps, kun taas tavallisessa kaksikanavaisessa CD-muodossa se on 1411,2 kbps. Dolby Digital 5.1 -muotoa on parannettu useita kertoja, lähinnä kanavien määrän lisäämisen suuntaan. Nyt saatavilla on DD 7.1 -versio, jossa on 2 etu-, 2 sivu- ja 2 takakanavaa, erikoistehostekanavaa lukuun ottamatta (yhdellä takakanavalla varustettu DD 6.1 -versio tunnetaan myös).
DTS-muodossa on pienempi pakkaussuhde ja suurempi tiedonsiirtonopeus - 1536 kbps. Siksi sitä ei käytetä vain monikanavaisten ääniraitojen koodaamiseen DVD Videolle, vaan myös monikanavaisille äänilevyille. DTS-formaatti tunnetaan perinteisen DTS 5.1:n lisäksi muunnelmissa DTS ES Discrete 6.1 sekä useissa matriisimuunnelmissa, jotka Dolby Pro Logic II:n tapaan käyttävät lisäkanavien matriisointiperiaatetta, jotka syntetisoidaan lisäkanavien perusteella. tärkeimmät tiedot.
Tietojenkäsittelyssä ja multimediassa (käyttäjätasolla) vaaditaan tietojen tiiviyttä, joten pakattuja ääniformaatteja käytetään täällä laajasti. Esimerkiksi MP-3, Windows Media Audio, OGG Vorbis. Pakkaamisen ansiosta on mahdollista ladata nopeasti musiikkitiedostoja Internetistä ja järjestää suoratoistoäänipalvelu (WMA, Real Audio, Winamp).
DIGITAALINEN ÄÄNEN KÄSITTELY
Käsittely tapahtuu tehokkailla DSP- (signaali)-prosessoreilla, kuten Analog Devices -yhtiön Shark. Suuren nopeuden ansiosta monet toiminnot voidaan toteuttaa reaaliajassa: esimerkiksi bittisyvyyden ja kellotaajuuden muuttaminen interpoloinnilla, sointitasapainon säätäminen, taajuuskorjaus, kohinanvaimennus, pakkaus, laajennus tai dynaamisen alueen rajoittaminen, erikoistehosteet ( kaiku, erityyppiset äänet, esimerkiksi “stadion”, “konserttisali” jne.), useiden kappaleiden miksaus. Tyypillisesti signaaliprosessorit toimivat suurella signaalin leveydellä (esimerkiksi 32 bittiä desimaaliliukulukulla), mikä vähentää virheen syntymistä monimutkaisissa matemaattisissa laskelmissa, jotka suoritetaan nopean Fourier-muunnoksen perusteella, laskemalla joukko vastaavia kertoimia ja myöhempiä kertolasku.
Signaaliprosessorit ovat yhä halvempia, kun ne yleistyvät, niitä löytyy nykyään mistä tahansa vastaanottimesta tai surround-prosessorista, jossa ne suorittavat monenlaisia toimintoja, kuten surround-ääniformaattien dekoodauksen, taajuuskorjauksen ja basson säädön, amplitudin ja vaiheen kanavakalibroinnin, jne.
Signaaliprosessorit ovat yhä halvempia, kun ne yleistyvät, nykyään niitä löytyy mistä tahansa vastaanottimesta tai surround-prosessorista
Mutta kuten tavallista, ohjelmistojen signaalinkäsittelyteknologiat kehittyvät jopa nopeammin kuin laitteistot. Kaikki, mitä DSP-prosessori voi tehdä, on saatavilla erityisillä tietokonesovelluksilla, ja tässä tapauksessa käyttäjä saa laajemman valikoiman toimintoja ja itse ohjelman joustavuutta, jota päivitetään ja täydennetään säännöllisesti (vaikka erikoislaitteiden ohjelmistot meidän aikanamme voivat useimmiten päivitetään esimerkiksi USB-portin kautta tietokoneelta tai jopa suoraan Internetistä, laitevalmistajan verkkosivustolta. Mutta tällainen päivitys on tietysti mahdollista vain yhden laitteiston sukupolven aikana, koska se vanhenee tai koko laite on vaihdettava). Digitaalisen äänen syväkäsittelyyn soveltuvat tietokoneohjelmat riittävät sekä kuluttaja- että ammattikäyttöön (esim. Adobe Audition). Suurin osa studiokäsittelystä tehdään tietokoneella. Tämä on erittäin kätevää ja tehokasta, ja mikä tärkeintä, sen avulla et ole sidottu reaaliaikaan, jolloin kaiken monimutkaiset toiminnot ovat käytettävissä ilman erityisiä suorituskykyvaatimuksia. Voit esimerkiksi tyhjentää manuaalisesti äänitteen (esimerkiksi vinyylilevyltä otetun) napsautuksista tai käsitellä sen "älykkäällä" käsittelyllä päästäksesi eroon melusta, jonka spektrikoostumus määritetään etukäteen taukojen ja hiljaisten fragmenttien avulla.
Digitaalinen äänenpakkaus perustuu kuulon psykoakustisiin ominaisuuksiin ja käyttää vaikutusta, joka peittää hiljaisemmat äänet kovemmilla.
Lopuksi sekä tietokoneen laitteistossa että ohjelmistossa suoritetaan kompressointia datan virtausnopeuden pienentämiseksi tai siirtämiseksi toiselle kellotaajuudelle mahdollisella bittisyvyyden muutoksella.
On olemassa useita tietokoneen ääniformaatteja, sekä pakkaamattomia että pakattuja.
Yleisin pakkaamaton muoto on Microsoft Riff/Wave (.wav-laajennus). Tiedot koodataan 8 tai 16 bitillä. Toisessa (hyväksyttävä korkealaatuiselle äänelle) kotelossa ja näytteenottotaajuudella 44,1 kHz, yksi minuutti musiikkia vie 5,3 Mt levytilaa. Itse tietojen lisäksi .wav-tiedosto sisältää otsikon, joka kuvaa tiedoston yleisiä parametreja, sekä yhden tai useamman fragmentin, jossa on lisätietoja toistotiloista ja -järjestyksestä, signaalin eri osien merkit, nimet ja koordinaatit.
Toisin kuin Riff/Wave, RAW-tiedostot esittävät tiedot sellaisenaan - ilman tukitietoja. Joka on mukana tavallisissa Apple AIFF -tiedostoissa Macintosh-alustalle, samanlainen kuin WAV.
Digitaalinen äänenpakkaus perustuu kuulon psykoakustisiin ominaisuuksiin ja käyttää vaikutusta, joka peittää hiljaisemmat äänet kovemmilla, kun taas hiljaiset yksinkertaisesti hylätään, ja maskattujen äänien "relevanssikynnys" määräytyy niiden taajuuden etäisyyden peittämisestä. sekä muut parametrit.
Häviöllistä pakkausta sisältävistä muodoista suosituin on MP3 (MPEG 1/2/2.5 Layer 3). Mahdollistaa useiden eri pakkausmenetelmien käytön, standardi on vain jo pakatun tiedon koodausmenetelmä. Vaihtoehto on mahdollista vakiobittinopeudella, joka määräytyy vaadittujen tiedostokokojen tai laatutason perusteella, tai muuttuvalla bittinopeudella, kun bittinopeus muuttuu eri musiikin fragmenteilla säilyttäen laatutason vakiona. Yleisesti ottaen MP3:lla on erittäin tyydyttävä ääni keskisuurilla ja suurilla bittinopeuksilla, mutta alhaisilla bittinopeuksilla se on muita formaatteja huonompi. Poikkeuksena on MP3 Pron uusi versio, joka on suunnattu erityisesti alhaisille bittinopeuksille ja jolla on siksi suuri kysyntä Internetissä.
WMA eli Windows Media Audio kilpailee menestyksekkäästi MP3:n kanssa alhaisilla bittinopeuksilla (esimerkiksi musiikki nopeudella 64 kbit/s WMA:ssa ei kuulosta subjektiivisesti huonommalta kuin MP3, jonka bittinopeus on 128 kbit/s. Lisäksi tämä muoto tarjoaa suojaavan koodauksen luvatonta kopiointia vastaan.
Ogg Vorbis on yleensä samanlainen kuin WMA ja MP3, mutta eroaa matemaattisesta prosessointilaitteistosta ja keskittyy 48 kHz:n näytteenottotaajuuteen. Lisäksi se voi tukea ei 2, vaan jopa 255 äänikanavaa. Bittinopeus jopa 512 kbps ja pakkaus 20-5 % tehokkaampi kuin MP3, musiikki kuulostaa subjektiivisesti paremmalta. Vakava kilpailija MP3:lle ja WMA:lle, vaikkakin epätasa-arvoisessa taistelussa jättiläisten yritysten kanssa.
AAC (Advanced Audio Coding) kehitettiin MP3:n pohjalta (ja saman yrityksen - Fraunhofer Institute) -tekniikan avulla, mutta siinä on edistykselliset ominaisuudet: se tukee 96 kHz:n näytteenottotaajuutta, jopa 48 kanavaa. Paremmasta äänenlaadusta "maksetaan" suhteellisen hitaampi koodausmenettely ja lisääntyneet laitteiston suorituskykyvaatimukset toiston aikana. Yksi AAC:n uusimmista versioista, nimeltään Liquid Audio, joka mahdollistaa paitsi "vesileimien" sisällyttämisen tietovirtaan, kuten AAC, mutta myös muita tietoja (artisteista, tekijänoikeuksista jne.), tuli jossain vaiheessa vakavaksi. MP3-peräkkäisyyden haastaja.
Japanilainen VQF (SoundVQ) -muoto on monella tapaa samanlainen kuin AAC, joka todennäköisesti katoaa pian näkyvistä, vaikka Yamaha tukee sitä.
Digitaalista ääntä voidaan tallentaa useille medialle. Enimmäkseen optisia levyjä, vaikka loogisesti ajatellen ennemmin tai myöhemmin areenalle jää vain flash-muisti, joka ei vaadi moottoreilla varustettuja asemia.
Magneettinen digitaalinen tallennus jää nykyään pääosin ammattikäyttöön ja poistuu yhä enemmän kotitalouksien alueelta.
CD-levyjä kopioidaan, kuten muitakin vastaavia tietovälineitä (DVD, SACD), leimaamalla alumiinimatriiseista polykarbonaattiaihioita, joihin kiinnitetään kuoppia - syvennyksiä. Lisäksi, jos sinulla on tavallinen tietokone CD- (DVD)-kirjoittimella, voit tallentaa eri muotoisia musiikkitiedostoja CD-R-, CD-RW- jne. matriiseihin. Tiedostot tallennetaan myös tietokoneen kiintolevylle tai erityiselle äänipalvelimelle, johon voidaan luoda laaja musiikkikirjasto, ja tiedostojen pakkausasteen (nollasta) valitsee käyttäjä itse.
Magneettinen digitaalinen tallennus jää nykyään pääosin ammattikäyttöön ja poistuu yhä enemmän kotitalouksien alueelta. Optinen levy on kuluttajille houkuttelevampi kuin kasetti, vaikka se on kooltaan pieni. Lisäksi niiden joukkokysyntää eivät edistäneet vaikeat suhteet musiikkisisällön oikeuksien omistajiin (kuten DVD Audion ja SACD:n tapauksessa). DAT-nauhurit tallentavat pakkaamatonta digitaalista ääntä korkealaatuisesti. Digitaalisia nauhureita on useita tyyppejä: kiinteillä päillä (S-DAT) ja pyörivillä päillä (R-DAT), jotka tallentavat signaalin kasetille; kelasta kelaan DASH, DAT S-VHS-kasetteja käyttäen ja ristikkäinen tallennus. DCC (PASC kompressoitu tallennus) -muotoa pidetään tällä hetkellä lupaamattomana. Magneto-optiset MiniDisc-levyt käyttävät ATRAC-pakkausalgoritmia.
ÄÄNEN TOISTAMINEN
Minkä tahansa äänipolun päässä on analogiset sähköakustiset muuntimet - kaiuttimet tai kuulokkeet. Digitaaliset säteilijät ovat vielä idean alkuvaiheessa. Myös tehovahvistimet ovat enimmäkseen analogisia, vaikka digitaalisetkin ovat vähitellen tulossa tielleen (tarkemmin sanottuna pulssinleveysmodulaation periaatteella toimivat pulssivahvistimet). Tämä vahvistinluokka - D - tarjoaa ennennäkemättömän korkean hyötysuhteen analogisiin verrattuna (noin 90 %), pienen koon ja painon, eikä lämpöä synny. Jotta D-luokan vahvistimet voisivat turvata vahvan aseman johtajina, on kuitenkin ratkaistava monia tärkeitä ongelmia, ja ennen kaikkea moduloidun signaalin suurtaajuisten komponenttien suodatusongelma, jonka taso on erittäin korkea ulostulo. Lisäksi käytännössä ei ole D-luokan vahvistimia digitaalitulolla: analoginen signaali syötetään sisäänrakennettuun ADC:hen. Tämä on ehkä tärkein tekijä, joka hidastaa tämän suunnan kehitystä: loppujen lopuksi itse idean pääarvo ei ole korkea hyötysuhde, vaan kyky järjestää täysin digitaalinen äänipolku ilman tarpeettomia muunnoksia ja analogisia siirtolinjoja. Lisäksi digitaalinen lähtö DVD-soittimissa ei ole harvinaista. Viime aikoina tällä alueella on alkanut ilmaantua uutta kehitystä. Tripath on julkaissut erityisen prosessorin, joka ohjaa pulssin vahvistusparametreja tulosignaalin analyysin perusteella, joka (digitaalisessa muodossa) viivästyy jonkin aikaa puskurissa. Erityisesti signaalin nykyisestä spektristä riippuen valitaan optimaalinen kellotaajuus myöhemmän suodatuksen kannalta. Tällaiset vahvistimet (niitä kutsutaan "älykkäiksi") johtivat uuteen kategoriaan - T-luokan vahvistimet Katso lisätietoja "Signaalin vahvistus" -esitteestä.
Perinteiset stereo- ja monovahvistimet korvataan yhä useammin monikanavavahvistimilla, useimmiten AV-vastaanottimiin sisäänrakennetuilla vahvistimilla, joissa on myös kaikki tarvittava monikanavaisten signaalien syväkäsittelyyn, dekoodaukseen ja muuntamiseen formaatista toiseen. Monikanavainen ääni on tulossa yhä suositummaksi, ei vain elokuvien säestyksenä, vaan myös sellaisenaan.
Analogisen signaalin muuntaminen digitaaliseen muotoon on kolmen toiminnon kompleksi: näytteenotto, kvantisointi ja koodaus.
Näytteenotto on jatkuvan analogisen TV-signaalin S(t) korvaamista tämän signaalin näytteiden (näytteiden) sarjalla (kuva 2). Nämä näytteet otetaan aikapisteinä, jotka erotetaan toisistaan intervallilla T, jota kutsutaan näytteenottoväliksi. Näytteenottovälin käänteislukua kutsutaan näytteenottotaajuudeksi. Yleisin on Kotelnikovin lauseeseen perustuva tasainen näytteenotto vakiojaksolla. Tämän lauseen mukaan mikä tahansa jatkuva signaali S(t), jolla on rajoitettu taajuusspektri (0...f gp), voidaan esittää tämän signaalin S di arvoilla ilman tiedon menetystä. otettu diskreeteillä ajanhetkillä t n = nT (n = 1,2,3,... - kokonaislukua) edellyttäen, että T?0,5/t rp (T - jakso tai näytteenottoväli). Pienin sallittu näytteenottotaajuus Kotelnikin mukaan t d.min = 2f gp.
On selvää, että mitä pienempi näytteenottoväli (korkeampi näytteenottotaajuus), sitä pienemmät erot alkuperäisen signaalin ja sen näytteistetyn kopion välillä ovat. Näytteistetun signaalin askelrakennetta voidaan tasoittaa alipäästösuodattimella. Näin analoginen signaali palautetaan näytteitetystä signaalista.
Näytteenottoa, kun analoginen signaali muunnetaan digitaaliseen muotoon, seuraa kvantisointiprosessi, joka koostuu näytteenoton jälkeen saatujen hetkellisten näytearvojen S di korvaamisesta lähimmillä arvoilla yksittäisten kiinteiden tasojen sarjasta (kuva 3). Kvantisointi edustaa myös signaalin S q näytteenottoa, mutta ei ajallisesti, vaan tasolla. Kiinteitä tasoja, joihin näytteet on "linkitetty", kutsutaan kvantisointitasoiksi. Signaalimuutosten dynaaminen alue S(t) jaettuna kvantisointitasoilla erillisiksi arvoalueiksi (kvantisointiaskeleiksi) muodostaa kvantisointiasteikon.
Jälkimmäinen voi olla joko lineaarinen tai epälineaarinen, riippuen muunnosolosuhteista. Näytteen pyöristäminen lähimpään tasoon (ylempään tai alempaan) määräytyy kvantisointikynnyksen sijainnin perusteella kvantisointivaiheessa.
Näytteistetty ja kvantisoitu signaali S dq on jo digitaalinen. Todellakin, jos näytteistetyn signaalin Sd pulssien amplitudi voi saada mitä tahansa mielivaltaisia arvoja signaalin S(t) alkuperäisellä dynaamisella alueella, kvantisointitoiminto on johtanut mahdollisten signaalin arvojen korvaamiseen. signaalin amplitudi rajoitetulla määrällä arvoja, jotka ovat yhtä suuria kuin kvantisointitasojen lukumäärä. Siten kvantisoitu signaalinäyte ilmaistaan tietyllä määrällä, jonka määrää kvantisointitasojen lukumäärä.
Tällaisen signaalin lähettämiseksi viestintäkanavien kautta on parasta muuntaa se binäärimuotoon, ts. Kirjoita jokainen signaalitason arvo binäärilukujärjestelmään. Tässä tapauksessa numero (tason arvo) muunnetaan koodiyhdistelmäksi, joka koostuu merkkien "0" tai "1" yhdistelmästä (kuva 4). Tämä on kolmas, viimeinen vaihe analogisen signaalin S(t) muuntamiseksi digitaaliseksi S dq:ksi, jota kutsutaan koodaukseksi .
Kaikki nämä kolme toimintoa suoritetaan yhdellä teknisellä laitteella - analogia-digitaalimuuntimella (ADC). Digitaalisen signaalin käänteinen muunnos analogiseksi tehdään laitteessa, jota kutsutaan digitaali-analogimuuntimeksi (DAC). Analogia-digitaali- ja digitaali-analogiamuuntimet ovat kaikkien digitaalisten järjestelmien välttämättömiä lohkoja tiedon siirtämiseen, tallentamiseen ja käsittelyyn.
Kun televisiosignaalia koodataan suoraan, luodaan koodiyhdistelmiä taajuudella, joka on yhtä suuri kuin näytteenottotaajuus (näytteenottotaajuus f d). Jokainen koodiyhdistelmä vastaa tiettyä näytettä ja sisältää tietyn määrän m binäärisymboleja (bittejä). Koodisanat voidaan lähettää rinnakkais- tai sarjamuodossa. Rinnakkaisessa siirrossa on käytettävä k tietoliikennelinjaa (kuvassa 4 k = 4).
Koodisanasymbolit lähetetään samanaikaisesti näytteistysvälin viivoja pitkin. Sarjamuodossa lähettämistä varten näytteenottoväli on jaettava osaväleihin. Tässä tapauksessa sanasymbolit lähetetään peräkkäin yhtä riviä pitkin ja yksi kellojakso on varattu yhden sanasymbolin lähettämiseen.
Kun digitaalista informaatiota lähetetään viestintäkanavien kautta, lähetysnopeus on lähetettyjen binäärisymbolien määrä aikayksikköä kohti. Nopeuden yksikkö on 1 bit/s. Onko digitaalisen signaalin nopeus yhtä suuri kuin näytteenottotaajuuden tulo? d ja binäärisymbolien lukumäärä yhdessä erillisessä näytteessä m:
Jos TV-signaalin ylärajataajuus on 6 MHz, niin pienin näytteenottotaajuus Kotelnikovin lauseen mukaan on 12 MHz. Yleensä digitaalisissa televisiojärjestelmissä taajuus f d valitaan hieman korkeammaksi kuin pienin sallittu. Tämä johtuu tarpeesta yhtenäistää digitaalitelevisiosignaali eri televisiostandardeja varten. Erityisesti digitaalisille studiolaitteille suositellaan 13,5 MHz:n näytteenottotaajuutta.
Signaalin kvantisointitasojen lukumäärä on valittava vähintään silmällä havaittavien kirkkausasteiden enimmäismäärää, joka havaintoolosuhteista riippuen vaihtelee välillä 100...200. Siten m = 6,6...7,6.
On selvää, että koodiyhdistelmän merkkien määrä voi olla vain kokonaisluku, mikä tarkoittaa, että koodiyhdistelmän leveys on m=7 (tai 8). Ensimmäisessä tapauksessa koodiyhdistelmä voi kuljettaa tietoa 128 mahdollisesta signaalitasosta (kirkkausasteesta), toisessa tapauksessa - 256. Jos otamme m = 8, niin digitaalisen tiedon siirtonopeus
Vn = 13,5 8 = 108 (Mbit/s).
Jos otamme huomioon, että kirkkaussignaalin lisäksi on välitettävä väritietoa, digitaalinen kokonaisvirta kaksinkertaistuu ja on 216 Mbit/s. Sekä TV-signaalin muunnoslaitteiden että viestintäkanavien suorituskyvyn on oltava näin korkea.
Näin suuren digitaalisen virran välittäminen viestintäkanavien kautta ei ole taloudellisesti kannattavaa, joten seuraava tehtävä on digitaalisen TV-signaalin "pakkaaminen". On mahdollisuuksia pienentää bittinopeutta vaarantamatta toistetun kuvan laatua. Nämä varaukset sisältyvät TV-signaalin erityispiirteisiin, joilla on merkittävää informaatioredundanssia. Tämä redundanssi jaetaan tavallisesti tilastolliseen ja fysiologiseen, huolimatta joistakin tällaisen jaon sopimuksista.
Tilastollinen redundanssi määräytyy kuvan ominaisuuksien mukaan, mikä ei yleensä ole kaoottista kirkkauden jakautumista, vaan sitä kuvaavat lait, jotka muodostavat tiettyjä yhteyksiä (korrelaation) yksittäisten elementtien kirkkauden välille. Erityisen korkea korrelaatio vierekkäisten (avaruudessa ja ajassa) kuvaelementtien välillä on korkea. Korrelaatioiden tunteminen mahdollistaa saman tiedon toistuvan välittämisen välttämisen ja digitaalisen virtauksen vähentämisen.
Toinen tyyppi on fysiologinen redundanssi -- määräytyy ihmisen visuaalisen laitteen rajoitusten mukaan. Fysiologisen redundanssin huomioon ottaminen mahdollistaa sen, että signaalissa ei välitetä sellaista tietoa, jota näkömme ei havaitse.
Vastaavasti ihmisen kuulojärjestelmän epätäydellisyys mahdollistaa signaalin ylimääräisen ääniinformaation "päästä eroon".
SELITYS
"Digitaalinen signaalinkäsittely"
Täydentäjä: Chunikhin V.A.
Ryhmä: 5401 C349
Tarkastettu: Kapustin A.S.
JOHDANTO 7
PÄÄTELMÄ. 34
LIITE A... 36
TK - tekniset tiedot
AM – amplitudimodulaatio
PF – kaistanpäästösuodatin
JOHDANTO
MODULOIDUN SIGNAALIN MUUNTAMINEN LISÄALUEIKSI. MENETTELY ERILÄISEN ANALYYTTISEN SIGNAALIN SAATTAMISEKSI (HILBERT CONVERTER)
Digitaalinen Hilbert-muunnin (DHC) on lineaarinen diskreetti järjestelmä, joka tuottaa lähdössä parin erillisiä signaaleja, Hilbert-konjugoituja (signaalin vaiheet eroavat ) tietyllä toimintakaistalla.
Meidän tapauksessamme toimintakaista valittiin moduloidun värähtelyn matalataajuisen verhokäyrän mukaan, kuva 21.
Kuva 21 – LF-signaalin verhokäyrä
Tämä kaavio on saatu seuraavasti:
A_m=abs(kompleksi(x));
plot(t,A_m,"r-");ruudukko päällä;
ylim([-0,5 9,5]);
title("LF-kirjekuori");
Määritetään taajuuskaista, kaava (10).
missä on koko pulssin kesto.
DPG voidaan toteuttaa 3. ja 4. tyypin FIR-suodattimien perusteella, joiden vaihevaste antaa vaihesiirron . Etusija annetaan tyypin 3 FIR-suodattimelle, koska sen avulla voit saada impulssivasteen (IR), jonka joka toinen raportti on yhtä suuri kuin nolla, mikä vähentää aritmeettisten operaatioiden määrää laskettaessa CPG:n vastetta, joka on erittäin tärkeä, kun se toteutetaan esimerkiksi digitaalisessa signaalinkäsittelyprosessorissa (DSP).
Kolmannen tyypin FIR-suodattimen perusteella voidaan syntetisoida vain kaistanpäästösuodatin (PF), ja CPG:n taajuusvasteen erityisvaatimukset, verrattuna PF:n taajuusvasteen vaatimuksiin, ovat seuraavat: :
1) CPG:n taajuusvasteen tulee olla symmetrinen suhteessa päätaajuuskaistan keskikohtaan, jotta saadaan IH, jonka joka toinen näyte on nolla. Siksi CPG:n taajuusvasteen vaatimukset on määritelty symmetrisesti suhteessa .
2) CPG:n toimintakaista ei saa ylittää PF:n päästökaistaa.
3) Suurin sallittu poikkeama työalueella ei saa olla pienempi kuin suurin sallittu poikkeama PP:ssä.
4) PP:n suurinta sallittua poikkeamaa ei tarvitse asettaa liian tiukasti, koska CPG:n tehokkuutta arvioidaan työalueella.
Taajuusvasteen vaatimusten mukaisesti syntetisoimme vähimmäiskertaluvun CPG:n (PF) firgr-funktiolla, joka perustuu tyypin 3 FIR-suodattimeen ('hilbert'), jonka parametri m on yhtä suuri kuin 'mineven':
plot_fir(R,b,Fs1);
Parametrimme R, joka asettaa suodatusjärjestyksen, on lopulta yhtä suuri kuin 24. Taajuudet valittiin seuraavasti:
Fs1 = 220; - näytteenottotaajuus
fk1 = 10; - katkaisutaajuus PZ1
ft1 = 20; - katkaisutaajuus PP1
ft2 = 92; - rajataajuus PP2
fk2=102 – rajataajuus PZ2
Seuraavaa toimintoa käytettiin kaavioiden näyttämiseen:
funktio plot_fir(R,b,Fs1)
%R-kertaa FIR-suodattimesta
% Fs1-näytteenottotaajuus
fm=0:((Fs1/2)/200):Fs1/2;
Tuloksena oli seuraava IR, taajuusvaste ja vaihevaste, kuva 22.
Kuva 22 – Kasvihuonekaasujen ominaisuudet
Tämä menettely toteutettiin kertomalla moduloitu signaali arvolla, jossa 38 MHz on taajuus, jolla siirto tapahtui.
Tämä saatiin seuraavasti MATLAB-ohjelmistopaketissa:
x1=z1.*cos(2*pi*38000000*t);
Taajuuksien hankinta:
NFFT=2^nextpow2(pituus(x1));
y=fft(x1,NFFT)/pituus(x1);
plot(f,2*abs(y(1:NFFT/2+1)));
xlim();
title("Taajuusvastetta siirretty");
plot(f,2*abs(y(1:NFFT/2+1)));
xlim();
title("Signaali siirretty");
Kuvataan lähtöspektri, kuva 23.
Kuva 23 – Moduloidun signaalin spektri siirron jälkeen
Kuten kuvasta 23 voidaan nähdä, spektri on symmetrinen noin 3,8 MHz, mikä tarkoittaa, että tämä on todella AM-spektri.
Seuraavaksi meidän on lähetettävä signaalimme PG:lle, jossa lähdössä meidän pitäisi havaita kaksi signaalia, jotka eroavat vaiheestaan neljännesjaksolla, niin saamme signaalin ortogonaalisen komplementin, joka analyyttisesti näyttää tältä, kaava (11).
Tämän toiminnon toteuttava funktio MATLABissa on pg-funktio.
missä x1 on moduloitu signaali, taajuussiirretty.
Näytämme kaavioita, jotka näyttävät 
.
plot(t,real(pg),"k"),ruudukko päälle
plot(t,imag(pg),"--")
Kuvataan tulos kuvassa 24.
Kuva 24 – PG:n läpi kulkevan signaalin tulos suurennetussa mittakaavassa
PÄÄTELMÄ
Työn aikana tutkittiin digitaalisen signaalinkäsittelyn perusperiaatteita: digitalisointia, diskreetin spektrin saamista, spektrin siirtämistä korkeammille taajuuksille ja niin edelleen. Hankittiin MATLAB-ohjelmistopaketin käyttötaidot: funktioiden luominen, taajuus- ja aikavektoreiden hallinta, graafien laatiminen, graafien kuvaaminen, prosessien modulointi, suodattimien luominen. Näitä taitoja tarvitaan erilaisten digitaalisten järjestelmien kehittäjille. Työn ydin oli analogisen signaalin digitalisoiminen, sen välittäminen yksinkertaisimman viestintäkanavan kautta ja sen vastaanottaminen järjestelmän lähdössä.
LIITE A
MATLAB-ohjelmaluettelo
Toiminto SG-ominaisuuksien muodostamiseksi:
funktio plot_fir(R,b,Fs1)
% Piirrä FIR-suodattimen ominaisuudet
%R-kertaa FIR-suodattimesta
Siirtofunktiokertoimien % b-vektori
% a=-siirtofunktion nimittäjäkerroin
% Fs1-näytteenottotaajuus
subplot(3,1,1),stem(n,b,"täyttö","MarkerSize",3),xlabel("n"),...
title("Impulsivaste"), ruudukko päällä;
fm=0:((Fs1/2)/200):Fs1/2;
H = taajuus(b,a,fm,Fs1);MAG=abs(H);VAIHE=kulma(H);
subplot(3,1,2), plot(fm,MAG),xlabel("f(Hz)"),title("SUURI"),ruudukko päällä;
subplot(3,1,3), plot(fm,PHASE),xlabel("f(Hz)"),nimi("VAIHE"),ruudukko päällä;
Pääohjelman koodi:
%% Pulssiparametrit
dF = 80e6; % Näytteenottotaajuus, Hz
dt = 1/dF; % Näytteenottoväli, sek
%% Aikanäytteiden joukon muodostaminen
%% Neliöpulssi
x1=3*suorapulssi(t-ti1/2,ti1);
plot(t,x1"k"),ruudukko;
title("Suorakulmainen pulssi");
ylim([-0,5 3,5]);
varsi(t,x1"k."),ruudukko;
title("Suorakulmainen pulssi (numero)");
ylim([-0,5 3,5]);
NFFT=2^nextpow2(pituus(x1));
y1=fft(x1,NFFT)/pituus(x1);
f=dF/2*linspace(0,1,NFFT/2+1);
plot(f,2*abs(y1(1:NFFT/2+1)));
title("taajuusvaste");
ylabel("y1(f)");
plot(f,angle(y1(1:NFFT/2+1)));
otsikko("FCH");
ylabel("y1(f)");
%% Sinipulssi
x2=4*sin(pi*(t-t11)/12e-3).*(t>=t11).*(t<=t22);
plot(t,x2"k"),ruudukko;
title("Siniaalto");
ylim([-0,5 4,5]);
varsi(t,x2"k."),ruudukko;
title("Siniaalto (numero)");
ylim([-0,5 4,5]);
NFFT=2^nextpow2(pituus(x2));
y2=fft(x2,NFFT)/pituus(x2);
f=dF/2*linspace(0,1,NFFT/2+1);
% Piirrä yksipuolinen amplitudispektri
plot(f,2*abs(y2(1:NFFT/2+1)));
title("taajuusvaste");
ylabel("y2(f)");
plot(f,angle(y2(1:NFFT/2+1)));
otsikko("FCH");
ylabel("y2(f)");
%% Kolmiopulssi
plot(t,x3"k"),ruudukko;
title("Kolmiopulssi");
ylim([-0,5 3,5]);
varsi(t,x3"k."),ruudukko;
title("Kolmiopulssi (numero)");
ylim([-0,5 3,5]);
NFFT=2^nextpow2(pituus(x3));
y3=fft(x3,NFFT)/pituus(x3);
f=dF/2*linspace(0,1,NFFT/2+1);
% Piirrä yksipuolinen amplitudispektri
plot(f,2*abs(y3(1:NFFT/2+1)));
title("taajuusvaste");
ylabel("y3(f)");
plot(f,angle(y3(1:NFFT/2+1)));
otsikko("FCH");
ylabel("y3(f)");
%% Puolisuunnikkaan muotoinen pulssi
plot(t,x4"k"),ruudukko;
title("Trapetsipulssi");
ylim([-9,5 0,5]);
varsi(t,x4"k."),ruudukko;
title("Pusunsuunnikkaan muotoinen pulssi (numero)");
ylim([-9,5 0,5]);
NFFT=2^nextpow2(pituus(x4));
y4=fft(x4,NFFT)/pituus(x4);
f=dF/2*linspace(0,1,NFFT/2+1);
% Piirrä yksipuolinen amplitudispektri
plot(f,2*abs(y4(1:NFFT/2+1)));
title("taajuusvaste");
ylabel("y4(f)");
plot(f,angle(y4(1:NFFT/2+1)));
otsikko("FCH");
ylabel("y4(f)");
%% Kokonaisimpulssi
plot(t,x,k"),ruudukko;
title("Kokonaisimpulssi (palautettu)");
title("Kokonaisimpulssi (numero)");
NFFT=2^nextpow2(pituus(x));
y=fft(x,NFFT)/pituus(x);
f=dF/2*linspace(0,1,NFFT/2+1);
plot(f,2*abs(y(1:NFFT/2+1)));
title("taajuusvaste");
plot(f,angle(y(1:NFFT/2+1)));
otsikko("FCH");
%% Amplitudimanipulaatio
Fc=dF*5; % Kantoaallon taajuus
t1=(0:pituus(x)*FsdF-1)/Fs;
AMn-signaalin muodostus %
s_ask=x(floor(dF*t1)+1.*cos(2*pi*Fc*t1));
plot(t1,s_ask,"k"),ruudukko;
ylim([-9,5 4,5]);
title("Amplitudimanipulaatio");
NFFT=2^nextpow2(length(s_ask));
y6=fft(s_kysy,NFFT)/length(s_ask);
f=dF/2*linspace(0,1,NFFT/2+1);
plot(f,2*abs(y6(1:NFFT/2+1)));
title("taajuusvaste");
%% AM (ammod-toiminnon kautta)
t = -1e-5:dt:28,3e-3; % aikaakselin raportit
Fc = 10000; % Kantoaallon taajuus
z1=ammod(x,Fc,dF,0,13);
plot(t,z1),ruudukko;
title("Amplitudimodulaatio");
NFFT=2^nextpow2(pituus(z1));
y5=fft(z1,NFFT)/pituus(z1);
f=dF/2*linspace(0,1,NFFT/2+1);
plot(f,2*abs(y5(1:NFFT/2+1)));
title("taajuusvaste");
A_m=abs(kompleksi(x));
plot(t,A_m,"r-");ruudukko päällä;
ylim([-0,5 9,5]);
title("LF-kirjekuori");
%% Taajuuspoikkeama
x1=z1.*cos(2*pi*38000000*t);
NFFT=2^nextpow2(pituus(x1));
y=fft(x1,NFFT)/pituus(x1);
f=dF/2*linspace(0,1,NFFT/2+1);
plot(f,2*abs(y(1:NFFT/2+1)));
xlim();
title("Taajuusvastetta siirretty");
plot(f,2*abs(y(1:NFFT/2+1)));
xlim();
title("Taajuusvaste siirtynyt (suurempi asteikko)");
title("Signaali siirretty");
%% Kasvihuonekaasun ominaisuudet
fk1=10;ft1=20;ft2=92;fk2=102; f=;
d2 = 0,1; d1 = 0,05; aaltoilu =;
Firpmord(f,m,ripple,Fs1);
Firgr(("minipari",R),f0,m0,ripple,"hilbert");
plot_fir(R,b,Fs1);
plot(t,real(pg),"k"),ruudukko päälle
plot(t,imag(pg),"r-.")
legenda ("oikea osa", "kuvitteellinen osa")
xlim()
plot(t,yout),ruudukko päällä;
SELITYS
alan kurssityöhön
"Digitaalinen signaalinkäsittely"
Täydentäjä: Chunikhin V.A.
Ryhmä: 5401 C349
Tarkastettu: Kapustin A.S.
1. Suorita näytteistys, tietyn signaalin digitointi;
2. Rajoita diskreetin signaalin spektriä;
4. Muunna moduloitu signaali lisätaajuusalueelle;
5. Toteuta menetelmä diskreetin analyyttisen signaalin (SG) saamiseksi;
6. Demoduloi vastaanotettu signaali ja vertaa sitä alkuperäiseen signaaliin.
Kuvataan annetun signaalin muoto muunnelman mukaan, kuva 1.
Kuva 1 – Määritellyn signaalin muoto
Asetamme signaaliparametrit taulukoiden 1 ja 2 muodossa.
Taulukko 1 – Signaalin ajoitusparametrit
Selitys: 43 sivua, 28 kuvaa, 4 lähdettä, 2 taulukkoa.
NÄYTTEENOTTO, SPEKTRI, MODULAATIO, HILBERT CONVERTER, DEMODULATION.
Tässä työssä tutkimuksen kohteena on antamamme signaali. Sillä suoritetaan seuraavat muunnokset: sen digitalisointi, spektrin rajoitus, modulointi, spektrin siirto HF-alueelle, diskreetin analyyttisen signaalin saaminen ja demodulointi. Toisin sanoen tarkastelemme yksinkertaisinta kanavaa, jonka avulla saavutamme tietomme sähköisen vastineen digitaalisin keinoin. Tätä polkua moduloitaessa käytetään MATLAB R2014a -ohjelmistopakettia - tämä on korkean tason kieli ja interaktiivinen ympäristö ohjelmointiin, numeerisiin laskelmiin ja visuaalisiin tuloksiin. MATLABin avulla voit analysoida tietoja, kehittää algoritmeja ja luoda malleja ja sovelluksia. Sen sovelluksella on suuri kysyntä signaalinkäsittelyssä ja viestinnässä ympäri maailmaa. Siksi ohjelmistoympäristön valinta lankesi siihen. Kaikki kirjoitettu koodi on esitetty liitteessä A.
JOHDANTO 7
1.ANALOGISTEN SIGNAALIN DIGITOINTI.. 8
2. DISKREEETIN SIGNAALISPEKTRIN RAJOITUS.. 14
3. MODULAATION VALINTA JA MODULAATIOTAAJUUN LASKEMINEN.. 21
4. MODULOIDUN SIGNAALIN MUUNTAMINEN LISÄALUEEKSI. MENETTELY ERILÄISEN ANALYYTTISEN SIGNAALIN SAAMISTAMISEKSI (HILBERT CONVERTER) 24
5. VASTOTETUN SIGNAALIN DEMODULAATIO JA SEN VERTAILU ALKUPERÄISSIGNAALIIN.. 31
PÄÄTELMÄ. 34
LUETTELO KÄYTETTYJÄ LÄHTEISIÄ... 35
LIITE A... 36
LUETTELO KÄYTETYT LYHENTEET
FFT - nopea Fourier-muunnos
Taajuusvaste - amplitudi-taajuusvaste
PFC – vaihetaajuusvaste
IR – impulssivaste
TK - tekniset tiedot
AM – amplitudimodulaatio
BAM – tasapainotettu amplitudimodulaatio
DPG – digitaalinen Hilbert-muunnin
FIR – Finite Impulse Response
DSP – digitaalinen signaalinkäsittely
PF – kaistanpäästösuodatin
DFLP – digitaalinen alipäästösuodatin
JOHDANTO
Nykymaailmassa analogiset piirit ovat jo jääneet taustalle, nyt piirit ovat enemmän kuin LEGO-konstruktori, joka sinun on koottava oikein ja tunnettava tämän "konstruktorin" ominaisuudet. Ennen kokoamista sinun on kuitenkin kehitettävä tämä laite, simuloitava se, harkittava esimerkiksi sen impulssivastetta, tutkittava se erilaisilla monimutkaisilla signaaleilla asiakkaan vaatimusten mukaan ja niin edelleen. Nämä laitteet koostuvat erilaisista digitaalisista järjestelmistä. Digitaalisella järjestelmällä tarkoitetaan analogisen signaalin muuntamista numerosarjaksi ja tämän sekvenssin myöhempää käsittelyä.
Digitaalisen suodatuksen avulla voit toteuttaa monimutkaisempia signaalinkäsittelyalgoritmeja kuin analoginen suodatus. Esimerkiksi erikoistunut mikroprosessori tai mikro-ohjain voi käsitellä numerosarjan.
Kurssityön tavoitteena on antaa opiskelijoille käytännön taitoja diskreetin ja digitaalisen signaalinkäsittelyn alalla.
ANALOGISEN SIGNAALIN DIGITOINTI
Jotta voit siirtyä digitaaliseen tilaan, sinun on valittava näytteenottotaajuus. Kotelnikovin lauseen mukaan se löytyy seuraavasti, kaava (1).
Reaalisignaalien kanssa työskenneltäessä tämä taajuus ei kuitenkaan riitä ja kaava 1 muunnetaan seuraavaan muotoon, kaava (2).
missä puolestaan hyväksyy kaikki kokonaisluvut.
Työssämme ei ole mitään järkeä ottaa huomioon koko pulssijoukko (ylemmän taajuuden) spektrin löytämiseksi, voimme ottaa huomioon vain laajimman spektrin, eli aika-alueen kapeimman. Tässä signaalissa tämä on puolisuunnikkaan muotoinen pulssi, jonka kesto on vain yhtä suuri kuin . Kuvataan tämä impulssi kuvassa 2.
Kuva 2 – Puolisuunnikkaan muotoinen impulssi
Tätä impulssia rakennettaessa käytettiin seuraavaa matemaattista kuvausta Mathcad-ohjelmassa, kaava (3).
Fourier-muunnoksen (FFT) avulla siirrytään nyt taajuusalueeseen, kaavaan (4).
Rakennetaan taajuusvaste, kuva 3.
 |
Kuva 3 – Puolisuunnikkaan pulssin taajuusvaste
Otetaan nyt ylempi taajuus pulssin keston, kaavan (5) mukaan.
Sen todistamiseksi, että kaavan (1) mukaan näytteenottotaajuus ei riitä, yritetään ensin työskennellä sen kanssa, eli 
.
Kun olet valinnut näytteenottotaajuuden, jota on todennäköisesti lisättävä tulevaisuudessa, koska 2 kHz:llä tulee virheitä rekonstruoinnin aikana, voit siirtyä MATLABiin.
Signaalimme piirtämiseksi aika-akselille näytteenottovälillä 
MATLABissa sinun on määritettävä joukko aikanäytteitä. Se annetaan seuraavasti: t=-1e-5:dt:28.3e-3.
Asetetaan nyt impulssimme yksitellen ja yksinkertaisesti summataan ne lopussa - saamme alkuimpulssin.
Neliöpulssi:
ti1 = 7e-3; % Pulssin kesto
x1=3*suorapulssi(t-ti1/2,ti1);
Sinusoidaalinen pulssi:
x2=4*sin(pi*(t-t11)/12e-3).*(t>=t11).*(t<=t22);
Kolmiopulssi:
x3=3*tripuls((t-t22)-4e-3,8e-3);
Puolisuunnikkaan muotoinen impulssi:
x4=-9*trapmf(t,);
Kokonaisimpulssi:
Voit näyttää kaavion käyttämällä plot-funktiota, se näyttää tältä: plot(t,x"k");
Kun t on alussa asettamamme aikanäytteiden joukko, x on itse signaali ja "k" tarkoittaa, että kuvaaja on musta. Kuvataan tuloksena oleva kaavio kuvassa 4.
Kuva 4 – Kokonaisimpulssi (palautunut)
Palautuminen tapahtuu Kotelnikovin lauseen kaavan (6) avulla.
Kuten kuvasta 4 voidaan nähdä tällä diskretisoinnilla, suorakulmio on enemmän kuin puolisuunnikkaan muotoinen, toinen nolla puuttuu ja puolisuunnikas muistuttaa kolmiota, mutta palautus tapahtui suurella virheellä. Tästä päätämme, että meidän on lisättävä näytteenottotaajuutta. Kokeellisella valinnalla näytteenottotaajuuttamme jouduttiin kasvattamaan 50-kertaiseksi, koska pienemmällä näytteenottotaajuudella tieto puolisuunnikkaan etureunasta ei ollut selkeä, se näytti pystyviivalta. Tämä johtuu siitä, että ohjeiden mukaan meillä on tällä rintamalla hyvin pieni aikaväli, vain 0,08 ms. Kuvataan rekonstruoitu signaali kuvassa 5.
Kuva 5 – Kokonaispulssi (palautunut) näytteenottotaajuuden lisäämisen jälkeen
Kuvataan se erillisessä muodossa, kuva 6.
Kuva 6 – Kokonaisimpulssi digitaalisessa muodossa
Kuten tästä kuvasta voidaan nähdä, hyvä restaurointi vaati monia näytteitä selvyyden vuoksi, kuvaamme myös puolisuunnikkaan etureunaa suurennetussa mittakaavassa ja näytämme kuinka monta näytettä tarvittiin sen tarkkaan restaurointiin, kuva 7.
Kuva 7 – Puolisuunnikkaan etuosa erillisessä muodossa
Kuvasta näkyy, että etureunan tarkkaan rekonstruoimiseen tarvittiin 9 näytettä.
Näin ollen olemme digitalisoineet pulssimme, tässä voidaan tiivistää, että suunnittelijan on valittava riittävän korkea näytteenottotaajuus rekonstruoidakseen aaltomuodon tarkasti, jotta kaikki tiedot siitä säilyvät. Varsinkin jos signaalin muoto muuttuu nopeasti.
