Nguyên lý số hóa tín hiệu. Kết nối cân bằng và không cân bằng. Chuyển đổi phòng thu analog Số hóa tín hiệu analog

Có lẽ bạn đã nhiều lần nghe thấy cụm từ “truyền và ghi âm” nhưng bạn hầu như không nghĩ rằng nó không hoàn toàn tương ứng với thực tế.

Có lẽ thiết bị duy nhất mà âm thanh được ghi lại theo đúng nghĩa đen là máy quay đĩa của Edison. Trong tất cả các trường hợp khác, khi nói đến “ghi âm”, bản thân âm thanh không thực sự được ghi hoặc truyền đi mà là thông tin về những rung động của không khí tại thời điểm ghi.

Hiện nay, hai phương pháp cơ bản khác nhau được sử dụng để ghi và truyền thông tin âm thanh - analog và kỹ thuật số.

Trong trường hợp đầu tiên, những thay đổi trong áp suất âm thanh tương ứng với những thay đổi tỷ lệ trong một đại lượng vật lý khác, ví dụ như điện áp. Trong trường hợp này, những thay đổi về điện áp là “chất mang” thông tin mới về âm thanh.

Phương pháp lưu trữ thông tin âm thanh này là tương tự và cho đến gần đây nó là phương pháp duy nhất trong ghi âm và phát thanh. Trong thiết bị điện tử tương tự, điều quan trọng là sự thay đổi điện áp khớp chính xác với sự thay đổi áp suất âm thanh. Chúng ta hãy nhớ lại rằng biên độ của sóng âm quyết định độ to của âm thanh và tần số của nó quyết định cao độ của âm thanh, do đó, để lưu trữ thông tin âm thanh một cách đáng tin cậy, biên độ của điện áp phải tỷ lệ thuận với biên độ; của sự rung động của âm thanh. Ngược lại, tần số điện áp phải tương ứng với tần số dao động của âm thanh.

Như vậy, dễ dàng nhận thấy hình dạng của tín hiệu điện là bản sao hoàn chỉnh của hình dạng dao động của âm thanh và mang gần như đầy đủ thông tin về âm thanh. Bạn có thể chuyển đổi rung động âm thanh thành dao động điện áp bằng micrô thông thường.

Sự thay đổi điện áp có thể tương quan với sự thay đổi từ trường của băng trong máy ghi băng hoặc luồng âm thanh từ bản nhạc phim trong quá trình ghi quang. Nhưng bất kể “chất mang” thông tin mới là gì thì sự thay đổi tính chất của nó luôn phải tỷ lệ thuận với sự thay đổi áp suất không khí trong sóng âm ban đầu.

Cách thứ hai để thu được thông tin về âm thanh là đo giá trị áp suất trong sóng âm. Chuỗi số thu được - một tín hiệu số - không gì khác hơn là một biểu hiện mới của các rung động âm thanh ban đầu. Đương nhiên, để truyền tải chính xác hình dạng tín hiệu, các phép đo này phải được thực hiện khá thường xuyên - ít nhất vài lần trong khoảng thời gian thành phần tần số cao nhất của tín hiệu âm thanh.

Hệ thống ghi (truyền) âm thanh kỹ thuật số ở dạng chung nhất bao gồm micrô kỹ thuật số (máy đo áp suất âm thanh), máy ghi hoặc máy phát băng kỹ thuật số (để ghi hoặc truyền một dãy số lớn) và loa kỹ thuật số (bộ chuyển đổi chuỗi số). và bộ thay đổi áp suất âm thanh). Trong các hệ thống ghi (truyền) âm thanh kỹ thuật số thực, bộ chuyển đổi điện âm tương tự - micrô và loa (loa) vẫn được sử dụng và tín hiệu tần số âm thanh điện phải được xử lý kỹ thuật số.

Nói chung, tín hiệu số là các xung hình chữ nhật, sử dụng các phần tử logic để bật và tắt các mạch khác nhau trong mạch điện. Không giống như thiết bị điện tử tương tự hoạt động dựa trên hình dạng và điện áp của tín hiệu, thiết bị điện tử kỹ thuật số sử dụng tín hiệu nhị phân - tín hiệu có mức điện áp rời rạc tương ứng với “0” và “1”.

Thông thường không có yêu cầu nghiêm ngặt nào về biên độ xung (mức điện áp) của tín hiệu số, miễn là điện áp bao phủ các mức “0” và “1” một cách đáng tin cậy, thường nằm trong phạm vi từ 0 đến +5 V. Ví dụ: , đối với mức tín hiệu tương ứng với “ 1”, có thể lấy điện áp trong khoảng từ 2,4 đến 5,2 V và mức “0” có thể được lấy làm điện áp trong khoảng từ 0 đến 0,8 V.

Để đếm tín hiệu nhị phân, thuận tiện nhất là sử dụng hệ thống số nhị phân, hệ thống này cũng chỉ hoạt động với hai chữ số - 0 và 1. Trong bất kỳ hệ thống số nào, kể cả hệ nhị phân, khái niệm chữ số chiếm một vị trí quan trọng. Chữ số biểu thị lũy thừa (số) mà cơ số của hệ thống số được nâng lên. Số chữ số trong một số được tính từ phải sang trái và việc đánh số bắt đầu từ 0.

Số lớn nhất có thể được viết trong hệ nhị phân (như trong bất kỳ hệ nhị phân nào khác) phụ thuộc vào số chữ số được sử dụng. Vì vậy, khi sử dụng một chữ số, bạn chỉ có thể viết hai số 0 và 1. Nếu bạn sử dụng 2 chữ số, bạn có thể viết các số trong phạm vi từ 0 đến 3. Nếu sử dụng 8 chữ số, bạn có thể hoạt động với các số từ 0 đến 255 , và với 16 chữ số, phạm vi giá trị số có thể có sẽ từ 0 đến 65.535.

Việc chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số trong hầu hết mọi hệ thống ghi âm thực tế đều xảy ra ở một số giai đoạn. Đầu tiên, tín hiệu âm thanh analog được truyền qua bộ lọc analog, bộ lọc này giới hạn dải tần của tín hiệu và loại bỏ nhiễu và nhiễu khỏi tín hiệu. Sau đó, các mẫu được trích xuất từ tín hiệu tương tự bằng cách sử dụng mạch lấy mẫu/giữ: mức tức thời của tín hiệu tương tự được lưu trữ theo một chu kỳ nhất định. Tiếp theo, các mẫu được đưa vào bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC), bộ chuyển đổi này chuyển đổi giá trị tức thời của từng mẫu thành mã hoặc số kỹ thuật số. Trên thực tế, chuỗi kết quả của các bit mã kỹ thuật số là tín hiệu âm thanh ở dạng kỹ thuật số. Do đó, do quá trình chuyển đổi, tín hiệu âm thanh analog liên tục chuyển thành tín hiệu kỹ thuật số - rời rạc về thời gian và cường độ.

Trước tiên chúng ta hãy giải quyết các nguyên tắc chung của chuyển đổi tương tự sang số. Nguyên tắc cơ bản của việc số hóa bất kỳ tín hiệu nào rất đơn giản và được thể hiện trong hình. 17.1, MỘT. Tại một số thời điểm t 1, t 2, t 3 chúng ta lấy giá trị tức thời của một tín hiệu tương tự và áp dụng một số thước đo cho nó, một thước đo, chia độ theo thang nhị phân. Thước thông thường sẽ có các vạch chia lớn (mét), mỗi thước được chia thành mười phần (decimét), mỗi phần cũng sẽ được chia thành mười phần (centimet), v.v. Thước nhị phân sẽ có các vạch chia làm đôi, sau đó lại làm đôi , v.v. .d. – độ phân giải bao nhiêu là đủ. Nếu toàn bộ chiều dài của thước như vậy là 2,56 m và độ chia nhỏ nhất là 1 cm (nghĩa là chúng ta có thể đo chiều dài của nó với độ chính xác không quá 1 cm, chính xác hơn là thậm chí bằng một nửa của nó), khi đó sẽ có chính xác các phép chia như vậy là 256 và có thể được biểu diễn dưới dạng số nhị phân 1 byte hoặc 8 bit.

Cơm. 17.1 . Số hóa tín hiệu analog:

MỘT- nguyên tắc cơ bản;

b- Giải thích định lý Kotelnikov-Nyquist

Sẽ không có gì thay đổi nếu chúng ta không đo chiều dài mà đo điện áp hoặc điện trở, chỉ có ý nghĩa của khái niệm “thước kẻ” sẽ hơi khác một chút. Đây là cách chúng tôi thu được các mẫu liên tiếp có cường độ tín hiệu x 1 , x 2 , x 3. Ngoài ra, lưu ý rằng với độ phân giải và số chữ số đã chọn, chúng ta có thể đo một giá trị không quá một giá trị nhất định tương ứng với số tối đa, trong trường hợp này là 255. Nếu không, chúng ta sẽ phải tăng số chữ số (kéo dài thước kẻ), hoặc thay đổi độ phân giải theo hướng xấu đi (kéo dài cô ấy). Tất cả những điều trên là bản chất hoạt động của bộ chuyển đổi tương tự sang số - ADC.

Trong bộ lễ phục. 17.1, MỘT Biểu đồ thể hiện quá trình này trong trường hợp nếu chúng ta đo một đại lượng nào đó thay đổi theo thời gian. Nếu các phép đo được thực hiện thường xuyên ở một tần số đã biết (được gọi là tần số lấy mẫu hoặc tần số lượng tử hóa), thì chỉ có thể ghi lại các giá trị tín hiệu. Nếu nhiệm vụ là khôi phục tín hiệu gốc từ các giá trị đã ghi thì khi biết tần số lấy mẫu và thang đo được chấp nhận (nghĩa là giá trị nào của đại lượng vật lý tương ứng với số tối đa trong phạm vi số nhị phân được chấp nhận), chúng ta có thể luôn khôi phục tín hiệu ban đầu bằng cách chỉ cần vẽ các điểm trên biểu đồ và nối chúng bằng một đường thẳng.

Nhưng chúng ta mất gì? Nhìn vào hình. 17.1, b, minh họa định lý Kotelnikov nổi tiếng (như thường lệ, ở nước ngoài nó có một tên khác - Nyquist, trên thực tế, cả hai đều xây dựng nó độc lập với nhau). Hình này cho thấy một hình sin có tần số giới hạn mà chúng ta vẫn có thể tái tạo lại bằng cách có một mảng các điểm thu được ở tần số lấy mẫu f d. Vì trong công thức dao động hình sin MỘT tội lỗi(2π ft) có hai hệ số độc lập ( MỘT- biên độ và f– tần số), thì để khôi phục duy nhất hình thức của biểu đồ, bạn cần ít nhất hai điểm cho mỗi khoảng thời gian, tức là. Tần số lấy mẫu ít nhất phải gấp đôi tần số cao nhất trong phổ của tín hiệu analog gốc. Đây là một trong những công thức phổ biến của định lý Kotelnikov–Nyquist.

Hãy thử tự mình vẽ một hình sin khác mà không lệch pha, đi qua các điểm được chỉ ra trên biểu đồ và bạn sẽ thấy rằng điều này là không thể. Đồng thời, bạn có thể vẽ bất kỳ số lượng hình sin khác nhau nào đi qua các điểm này nếu tần số của chúng là một số nguyên cao hơn tần số lấy mẫu. f d. Tổng cộng, các hình sin hoặc sóng hài này (tức là các thuật ngữ về sự mở rộng tín hiệu thành chuỗi Fourier - xem Chương 5), sẽ đưa ra tín hiệu có hình dạng phức tạp bất kỳ, nhưng chúng không thể được khôi phục và nếu như vậy sóng hài hiện diện trong tín hiệu ban đầu, chúng sẽ biến mất vĩnh viễn.

Chỉ các thành phần hài có tần số dưới giới hạn mới được khôi phục một cách rõ ràng. Nghĩa là, quá trình số hóa tương đương với hoạt động của bộ lọc thông thấp với đặc tính cắt hình chữ nhật ở tần số bằng chính xác một nửa tần số lấy mẫu.

Bây giờ về sự chuyển đổi ngược lại. Về bản chất, không có sự chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự nào xảy ra trong các DAC mà chúng tôi sẽ xem xét ở đây; chúng tôi chỉ biểu thị số nhị phân dưới dạng giá trị điện áp tỷ lệ, tức là, theo quan điểm lý thuyết, chúng tôi chỉ tham gia vào một chuyển đổi quy mô. Toàn bộ thang đo tương tự được chia thành các lượng tử - tăng dần tương ứng với độ phân giải của “thước đo” nhị phân của chúng ta. Ví dụ: nếu giá trị tối đa của tín hiệu là 2,56 V thì với mã 8 bit, chúng ta sẽ nhận được lượng tử 10 mV và chúng ta không biết và không thể tìm ra điều gì xảy ra với tín hiệu giữa các giá trị này, như cũng như trong khoảng thời gian giữa các mẫu. Ví dụ, nếu chúng ta lấy một loạt các mẫu liên tiếp của một tín hiệu nhất định, những mẫu được hiển thị trong Hình. 17.1, MỘT, thì chúng ta sẽ kết thúc với mẫu từng bước như trong Hình. 17.2.

Cơm. 17.2 . Khôi phục tín hiệu số hóa từ Hình. 17.1, một

Nếu bạn so sánh các biểu đồ trong Hình. 17.1, MỘT và trong hình. 17.2, bạn sẽ thấy rằng đồ thị thứ hai biểu thị đồ thị thứ nhất, nói một cách nhẹ nhàng, rất gần đúng. Để tăng mức độ tin cậy của đường cong kết quả, trước tiên, bạn nên lấy mẫu thường xuyên hơn và thứ hai là tăng độ sâu bit. Sau đó, các bước sẽ ngày càng nhỏ hơn và người ta hy vọng rằng ở độ phân giải đủ cao, cả về thời gian và lượng tử hóa, đường cong cuối cùng sẽ không thể phân biệt được với một đường tương tự liên tục.

Ghi chú bên lề

Rõ ràng, trong trường hợp tín hiệu âm thanh, việc làm mịn bổ sung, chẳng hạn như sử dụng bộ lọc thông thấp, đơn giản là không cần thiết ở đây, vì nó sẽ chỉ làm hình ảnh xấu đi, cắt bỏ các tần số cao hơn nữa. Ngoài ra, bản thân tất cả các loại bộ khuếch đại analog sẽ làm mượt tín hiệu và các giác quan của con người cũng sẽ hoạt động như một bộ lọc. Vì vậy, bản thân sự hiện diện của các bước là không quan trọng nếu chúng đủ nhỏ, nhưng việc giảm mạnh đáp ứng tần số trên một tần số nhất định sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng âm thanh. Nhiều người có thính giác âm nhạc tốt khẳng định rằng họ có thể phân biệt chính xác âm thanh kỹ thuật số chất lượng CD (được lấy mẫu ở tần số 44,1 kHz, tức là với ngưỡng cắt ở tần số rõ ràng là cao hơn mức cảm nhận của thính giác con người và với một số lượng chuyển màu ít nhất là 65 nghìn cho toàn bộ phạm vi) từ âm thanh analog thực, chẳng hạn như từ bản ghi hoặc băng vinyl. Vì lý do này, âm thanh kỹ thuật số chất lượng cao được ghi ở tốc độ lấy mẫu cao hơn nhiều so với mức cần thiết về mặt hình thức, chẳng hạn như 192 và thậm chí 256 kHz, và sau đó nó thực sự không thể phân biệt được với bản gốc. Đúng, âm thanh được số hóa trực tiếp chỉ được ghi trên đĩa ở định dạng Audio CD và đối với hầu hết các định dạng khác, tính năng nén được sử dụng - nén bằng các thuật toán đặc biệt. Nếu không có khả năng nén thì dung lượng của phương tiện hiện đại cũng như tốc độ của mạng máy tính đều không đủ để ghi: chỉ một phút âm thanh nổi với thông số chất lượng CD sẽ chiếm khoảng 10 MB trên phương tiện, bạn có thể tự kiểm tra. .

Chúng tôi sẽ không đi sâu vào chi tiết cụ thể của việc lấy mẫu tín hiệu định kỳ tương tự, vì đây là một lĩnh vực rất rộng lớn trong kỹ thuật hiện đại, chủ yếu liên quan đến số hóa, lưu trữ, sao chép và phát lại âm thanh và video, và điều này ít nhất phải là một lĩnh vực riêng biệt. sách. . Đối với mục đích của chúng tôi, thông tin được trình bày là đủ và bây giờ chúng tôi sẽ chuyển thẳng sang nhiệm vụ số hóa và chuyển đổi ngược lại một giá trị tín hiệu duy nhất.

Chúng ta sẽ bắt đầu từ phần cuối, tức là với bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự - bạn sẽ hiểu lý do tại sao bên dưới. Chúng tôi sẽ giả định rằng ở đầu vào, chúng tôi có các số ở dạng nhị phân - không quan trọng đó là kết quả của việc số hóa một số tín hiệu thực hay mã tổng hợp. Chúng ta cần chuyển đổi nó sang mức điện áp analog phù hợp với thang đo đã chọn.

DAC đơn giản nhất là bộ phân phối-giải mã thập phân hoặc thập lục phân, như 561ID1. Nếu chúng ta áp dụng mã bốn bit cho nó, thì ở đầu ra, chúng ta sẽ nhận được mã logic cho mỗi giá trị mã trên một mã pin riêng biệt. Bằng cách kết nối một dòng đèn LED với đầu ra của bộ giải mã như vậy, chúng ta sẽ có được một chỉ báo dải (tỷ lệ), với độ phân giải 10 hoặc 16 bước trên toàn bộ phạm vi, sẽ hiển thị mức của một giá trị nhất định. Hơn nữa, rất thường xuyên để thực hành, một chỉ báo tương đối thô sơ như vậy, thay thế các dụng cụ con trỏ, là khá đủ. Các vi mạch đặc biệt được sản xuất để điều khiển các chỉ báo thang đo rời rạc như vậy, cho phép hiển thị giá trị không phải ở dạng một điểm hoặc dải riêng biệt mà ở dạng cột phát sáng. Ngoài ra còn có các vi mạch có thể điều khiển các chỉ báo chân không tuyến tính chứ không phải rời rạc. Thậm chí còn có một vi mạch K1003PP1 (tương tự UAA180), có chức năng chuyển đổi trực tiếp giá trị tương tự (điện áp) thành tín hiệu điều khiển cho chỉ báo vạch. Có thể thu được một thiết kế khá ấn tượng nếu trong mạch nhiệt kế theo Hình. 13.3 hoặc 13.4, hãy thay thế đầu chỉ thị bằng một vi mạch và chỉ báo tỷ lệ như vậy - giống như mô phỏng hoàn chỉnh của nhiệt kế truyền thống!

Một DAC thô sơ như vậy có hai nhược điểm: thứ nhất, việc tăng độ phân giải của nó vượt quá 16–20 cấp độ là không thực tế, vì khi đó sẽ có quá nhiều đầu ra. Nhưng quan trọng nhất, nó được thiết kế cho nhiệm vụ hạn hẹp là hình dung một giá trị kỹ thuật số và bất lực bên ngoài lĩnh vực này. Bộ chuyển đổi thực hiện chức năng theo Hình 1 sẽ được sử dụng rộng rãi hơn nhiều. 17.2, tức là xuất ra điện áp tương tự tỷ lệ với mã ở đầu vào.

Phương pháp “câm” để thu được điện áp như vậy sẽ bao gồm việc sửa đổi phương pháp sau đây với bộ giải mã-phân phối loại 561ID1. Để làm điều này, bạn cần xây dựng một bộ chia từ một chuỗi các điện trở giống hệt nhau, kết nối nó với nguồn điện áp tham chiếu và chuyển đổi các vòi của bộ chia này bằng các phím được điều khiển từ bộ giải mã-phân phối. Đối với mã có hai hoặc ba chữ số, bạn có thể sử dụng mã được mô tả trong chương 15 bộ ghép kênh loại 561KP1 và 561KP2. Nhưng đối với số lượng bit lớn hơn, một DAC chuyển đổi trực tiếp như vậy sẽ trở thành một thiết kế hoàn toàn quái dị. Mã 8 bit sẽ yêu cầu 256 điện trở (giống hệt nhau!), cùng số khóa và bộ giải mã có cùng số đầu ra, nhưng mã 8 bit là một “thước kẻ” khá thô, độ phân giải của nó không vượt quá một một phần tư phần trăm. Do đó, trong thực tế, phương pháp này được sử dụng để xây dựng ADC chứ không phải DAC (vì mặc dù phức tạp nhưng nó có một thuộc tính duy nhất, xem bên dưới) và ở đây chúng tôi thậm chí sẽ không vẽ một mạch như vậy.

Hãy xem xét một trong những phương pháp phổ biến nhất, cho phép chuyển đổi mã-điện áp mà không cần sử dụng các cấu trúc quái dị như vậy. Trong bộ lễ phục. 17.3, MỘT hiển thị tùy chọn triển khai cho DAC dựa trên op-amp có điện trở chuyển mạch trong mạch phản hồi. Ví dụ: để chuyển đổi các phím, bạn có thể sử dụng rơle điện tử cỡ nhỏ thuộc dòng 293, tức là cùng loại mà chúng tôi đã sử dụng trong thiết kế bộ điều chỉnh nhiệt trong Hình. 12.9 hoặc các phím chuyên dụng từ dòng 590 Tuy nhiên, để triển khai một tiếp điểm chuyển mạch, cần phải cài đặt hai phím như vậy cho mỗi chữ số, do đó dòng 561 cung cấp một con chip đặc biệt 561KTZ (CD4066), chứa bốn phím giống nhau hoạt động. chính xác như thể hiện trong sơ đồ đã cho.

Cơm. 17.3. Sơ đồ sử dụng trong xây dựng ĐẮC :

Một- DAC hai bit có đầu ra âm;

b– Chuỗi R–2R có độ dài tùy ý;

V.– DAC có đầu ra dương

Các phím này có tính chất hai chiều nhưng đầu ra của chúng hoạt động khác nhau. Đầu ra, được chỉ định là OUT/IN (trong phiên bản trong nước, thường chỉ đơn giản là "Đầu ra"), ở một trạng thái được chuyển đổi bằng một đầu vào/đầu ra khác, ở trạng thái khác, nó chỉ bị tắt, như thường lệ. Và đầu ra, được ký hiệu IN/OUT (ở phiên bản trong nước chỉ đơn giản là “Đầu vào”), ở một trạng thái được kết nối với đầu vào đầu tiên, nhưng khi phím bị hỏng, nó không “treo lơ lửng” như lần đầu mà là được nối đất. Do đó, nếu bạn áp dụng một tín hiệu logic cho đầu vào điều khiển phím 561KTZ thì chân IN/OUT của phím được kết nối thích hợp sẽ được chuyển sang đầu vào OUT/IN và nếu tín hiệu điều khiển ở mức logic 0 thì chân IN/ Chân OUT được nối đất khi chúng ta cần.

Ghi chú bên lề

Lưu ý rằng cũng có một vi mạch 176KT1 (CD4016A, không có loại tương tự trong dòng 561, nhưng có một phiên bản nhập khẩu CD4016B với nguồn điện lên đến 20 V), mà 561KTZ thường bị nhầm lẫn - nó có nhiều tính năng nhất phím hai mặt thông thường, không nối đất. Và, mặc dù thực tế là các vi mạch này được mô tả đầy đủ trong sách tham khảo cổ điển, thông tin sai lệch thường được cung cấp trong sách tham khảo nghiệp dư trực tuyến về 561 KTZ. Tất nhiên, không chắc bạn sẽ phải tự mình chế tạo những bộ DAC như vậy, nhưng để đề phòng, bạn nên tính đến điện trở của công tắc 561KTZ, cũng như các sửa đổi hiện đại hơn (1561 KTZ hoặc CD4066B), là khá cao. , ở mức hàng trăm ohm, có thể ảnh hưởng đến độ chính xác. Mặc dù đối với mục đích thực tế trong một số mạch (nhưng không phải trong mạch đang được xem xét!) điều quan trọng hơn không phải là giá trị tuyệt đối của điện trở, mà là sự khác biệt về tham số này giữa các phím, mà theo sách tham khảo, không không vượt quá 5 Ohm.

Cuối cùng chúng ta hãy xem xét kế hoạch này hoạt động như thế nào. Để hiểu rõ hơn về nguyên tắc, tôi chỉ vẽ phiên bản có hai chữ số. Hai chữ số là bốn cấp độ, tức là điện áp đầu ra của op-amp phải có 4 giá trị với các khoảng bằng nhau, trong trường hợp này các điện áp này bằng 0, cũng như 1/4, 1/2 và 3/4 của điện áp tham chiếu bạn chọn. Làm thế nào điều này xảy ra?

Trước tiên chúng ta hãy xem xét mạch ở trạng thái ban đầu, khi mã ở đầu vào điều khiển phím có giá trị “00”. Vì cả hai đều thấp hơn trong mạch điện trở 2Rở trạng thái ban đầu được kết nối với “mặt đất”, tức là được kết nối song song, khi đó tổng điện trở của chúng bằng R .

Sau đó, điện trở trên cùng trong sơ đồ R và hai điện trở này tạo thành một dải phân cách, điện áp trên đó bằng đúng một nửa bạn chọn. Điện trở song song với bộ chia 2R không tham gia phân chia điện áp. Các phím mở, chuỗi điện trở bị ngắt khỏi đầu vào op-amp; và đầu ra của nó sẽ có điện áp bằng 0.

Bây giờ hãy để mã lấy giá trị “01”. Trong trường hợp này, một điện trở có giá trị danh định 2R chữ số có nghĩa nhỏ nhất (thấp nhất trong mạch) được chuyển sang đầu vào bộ khuếch đại. Đối với chính chuỗi điện trở R ‑2R việc điện trở này được nối đất hay nối với đầu vào không quan trọng, vì điện thế đầu vào op-amp bằng cùng điện thế nối đất. Do đó, đến đầu vào của op-amp thông qua điện trở có giá trị danh nghĩa 2R một dòng điện sẽ chạy, cường độ của nó sẽ bằng điện áp ở đầu vào của nó ( bạn chọn/2, như chúng tôi đã tìm ra), chia cho giá trị của điện trở này ( 2R). Tổng giá trị hiện tại sẽ là bạn chọn /4R và dòng điện này sẽ tạo ra trên điện trở phản hồi của op-amp, điện trở của nó bằng R, điện áp rơi bằng bạn chọn/4. Bạn có thể nghĩ khác - hãy xem xét bộ khuếch đại đảo ngược có mức tăng 0,5, được xác định bởi tỷ lệ điện trở R /2R và điện áp đầu vào bạn chọn/2. Tổng cộng, đầu ra của toàn bộ mạch sẽ là điện áp bạn chọn/4 (nhưng có dấu ngược lại, vì bộ khuếch đại đang đảo ngược).

Bây giờ hãy để mã lấy giá trị "10". Sau đó, mọi thứ thậm chí còn đơn giản hơn - điện áp được kết nối với đầu vào của op-amp bạn chọn qua điện trở trên 2R. Mức tăng là như nhau (0,5), do đó đầu ra sẽ là điện áp bạn chọn/2. Trường hợp khó khăn nhất là khi mã lấy giá trị “11” và cả hai điện trở đều được kết nối. Trong trường hợp này, op-amp nên được coi là một bộ cộng tương tự (xem phần 2). chương 12, cơm. 12,5, MỘT). Điện áp đầu ra sẽ được xác định bằng tổng dòng điện qua các điện trở 2R, nhân với giá trị điện trở phản hồi R, tức là nó sẽ bằng ( bạn chọn / 2 R + bạn chọn /4R)R, hoặc chỉ 3 bạn chọn /4.

Tôi đã xem xét ví dụ này một cách chi tiết để chứng minh rõ ràng các thuộc tính của chuỗi R‑2R. Phương pháp xây dựng nó với bất kỳ số lượng liên kết nào được hiển thị trong Hình. 17.3, b. Điện trở cực lớn 2Rđược kết nối song song và tổng cộng chúng tạo ra điện trở R, do đó liên kết tiếp theo hóa ra bao gồm các mệnh giá giống nhau trong 2R và tổng cộng nó cũng sẽ cung cấp R v.v. Dù dây xích được làm dài bao nhiêu thì nó cũng sẽ chia điện áp đầu vào theo tỷ lệ nhị phân: ở đầu bên phải của dây xích theo sơ đồ sẽ có điện áp bạn chọn, trên nhánh tiếp theo bạn chọn/2, tiếp theo bạn chọn/4, v.v.

Do đó, chỉ cần sử dụng hai loại điện trở, khác nhau đúng hai lần, về cơ bản có thể chế tạo được một bộ DAC có công suất bất kỳ. Vì vậy, một DAC 8 bit sẽ chứa 16 điện trở và 8 công tắc (nếu được chuyển đổi, như trong 561KTZ), không tính điện trở phản hồi, để rõ ràng, chúng ta cũng có bằng R, nhưng có thể có bất kỳ mệnh giá thuận tiện nào. Trong các DAC tích hợp, điện trở này thường không được lắp đặt trước mà các chân tương ứng được đặt bên ngoài, để bạn có thể dễ dàng thu được bất kỳ thang điện áp đầu ra nào. Ví dụ: nếu trong mạch của chúng ta, chúng ta tạo ra điện trở này bằng 1,33 R, thì ở đầu ra chúng ta nhận được điện áp bằng bạn chọn , 2bạn chọn /3, bạn chọn/3 và 0.

Đúng, điều bất tiện trong mạch điện đơn giản như vậy là điện áp đầu ra sẽ có dấu ngược lại, nhưng vấn đề này có thể dễ dàng giải quyết. Trong bộ lễ phục. 17.3, V. hiển thị phiên bản đơn giản nhất của DAC với đầu ra dương “bình thường”. Tôi để người đọc tự phân tích hoạt động của mạch này - trên thực tế, nó thậm chí còn đơn giản hơn phiên bản đảo ngược. Nhược điểm của tùy chọn này so với tùy chọn đảo ngược là mức tăng không thể điều chỉnh được và thang đo sẽ chỉ được xác định bởi giá trị bạn chọn. Nhưng nhược điểm này có thể dễ dàng khắc phục bằng cách làm phức tạp mạch điện một chút. Những DAC như vậy còn được gọi là nhân lên .

Ghi chú bên lề

Tôi sẽ không xem xét các mạch tích hợp DAC thương mại (ví dụ: 572PA1) dựa trên nguyên tắc này, bởi vì nhìn chung chúng hoạt động giống nhau và bản thân DAC, không được sử dụng như một phần của ADC, hiếm khi cần thiết. Tuy nhiên, hãy nói đôi lời về các vấn đề liên quan đến đo lường học. Rõ ràng là không dễ để có được các giá trị điện trở chính xác khi sản xuất chip của DAC như vậy, vì vậy trong thực tế, các giá trị tuyệt đối R có thể có sức lan tỏa khá rộng. Các mệnh giá của chúng được phối hợp cẩn thận với nhau bằng cách sử dụng điều chỉnh bằng tia laser. Điện trở của chính công tắc cũng có thể có ảnh hưởng lớn đến hoạt động của mạch, đặc biệt là ở các bit cao hơn, nơi dòng điện lớn hơn ở các bit thấp hơn. Trong phiên bản tích hợp, họ thậm chí còn làm cho các phím này trở nên khác biệt - ở các chữ số cao hơn, họ đặt những phím mạnh hơn với ít lực cản hơn. Và nếu bạn cố gắng tạo một DAC tự chế dựa trên 516KTZ đã đề cập trước đó, thì giá trị của R phải là hàng chục kilo-ohms, không ít hơn, nếu không các công tắc sẽ bắt đầu gây ra quá nhiều lỗi.

Một điểm khác liên quan đến việc đạt được điện áp tham chiếu ổn định, vì điều này ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của chuyển đổi và đối với tất cả các ADC và DAC, như chúng ta sẽ thấy sau. Hiện nay, những tiến bộ trong lĩnh vực điện tử đã khiến người ta gần như quên đi vấn đề này - tất cả các nhà sản xuất lớn đều sản xuất nguồn điện áp tham chiếu có thể đạt được độ ổn định khoảng 16 bit (tức là 65.536 mức tăng tín hiệu). Ngoài ra, bạn luôn có thể cố gắng xây dựng một sơ đồ sao cho các phép đo trở nên tương đối.

Tốc độ của loại DAC được xem xét chủ yếu được xác định bởi tốc độ của các công tắc và loại logic được sử dụng, và trong trường hợp các công tắc CMOS thì tốc độ này không quá cao - tương đương với tốc độ của các phần tử CMOS thông thường.

Hầu hết các DAC tích hợp đều được chế tạo bằng cách sử dụng nguyên tắc tổng hợp các dòng điện hoặc điện áp có trọng số đã mô tả. Một loại bộ chuyển đổi số sang tương tự khác là tích hợp DAC dùng để chuyển đổi các đại lượng thay đổi theo thời gian. Những DAC này lý tưởng cho phép bạn ngay lập tức nhận được tín hiệu thực sự tương tự, liên tục mà không có dấu hiệu răng cưa.

Phạm vi của bộ chuyển đổi tương tự sang số lớn hơn đáng kể so với DAC. Tuy nhiên, tất cả sự đa dạng về loại của chúng có thể được rút gọn thành ba loại: đây là các ADC song song, các ADC xấp xỉ liên tiếp và các ADC tích hợp. Chúng ta hãy nhìn vào chúng theo thứ tự.

Mặc dù thực tế là chúng ta tiếp thu hầu hết thông tin bên ngoài thông qua thị giác, nhưng hình ảnh âm thanh cũng không kém phần quan trọng đối với chúng ta và thường thậm chí còn quan trọng hơn thế. Hãy thử xem một bộ phim tắt âm thanh - sau 2-3 phút, bạn sẽ mất đi mạch truyện và hứng thú với những gì đang xảy ra, bất kể màn hình và hình ảnh chất lượng cao đến đâu! Vì vậy, trong các bộ phim câm, người tapper đóng vai ở hậu trường. Nếu bỏ hình và để lại âm thanh, bạn có thể “nghe” phim như một chương trình radio thú vị.

Thính giác mang đến cho chúng ta thông tin về những gì chúng ta không nhìn thấy, vì lĩnh vực nhận thức thị giác bị hạn chế và tai thu nhận âm thanh đến từ mọi phía, bổ sung cho hình ảnh thị giác. Đồng thời, thính giác của chúng ta có thể định vị nguồn âm thanh vô hình với độ chính xác cao theo hướng, khoảng cách và tốc độ di chuyển.

Họ đã học cách chuyển đổi âm thanh thành rung động điện từ rất lâu trước khi có hình ảnh. Điều này có trước việc ghi lại cơ học các rung động âm thanh, lịch sử bắt đầu từ thế kỷ 19.

Sự tiến bộ nhanh chóng, bao gồm khả năng truyền âm thanh đi xa, trở nên khả thi nhờ có điện, với sự ra đời của công nghệ khuếch đại, bộ chuyển đổi âm thanh và điện âm - micrô, bộ thu âm, đầu động và các bộ phát khác. Ngày nay, tín hiệu âm thanh được truyền không chỉ qua dây dẫn và không khí mà còn qua đường truyền cáp quang, chủ yếu ở dạng kỹ thuật số.

Các rung động âm thanh được chuyển đổi thành tín hiệu điện, thường sử dụng micrô. Bất kỳ micrô nào cũng chứa một bộ phận chuyển động, các rung động của chúng tạo ra dòng điện hoặc điện áp có hình dạng nhất định. Loại micrô phổ biến nhất là micrô động, tức là “loa đảo ngược”. Sự rung động của không khí làm chuyển động một màng được kết nối cứng nhắc với cuộn dây âm thanh nằm trong từ trường. Trên thực tế, micrô điện dung là một tụ điện, một trong các bản của nó dao động theo thời gian với âm thanh và cùng với nó là điện dung giữa các bản thay đổi. Micro ruy băng sử dụng nguyên tắc tương tự, chỉ có một trong các tấm được treo tự do. Micrô điện tử tương tự như micrô điện dung, các tấm của chúng, trong quá trình rung, tự tạo ra điện tích tỷ lệ với biên độ của dao động. Nhiều mẫu micrô có bộ khuếch đại tích hợp (mức tín hiệu trực tiếp từ bộ chuyển đổi âm thanh điện rất thấp). Không giống như micrô, bộ thu âm thanh của nhạc cụ điện ghi lại các rung động không phải của không khí mà của một vật thể rắn: dây hoặc bảng cộng hưởng của nhạc cụ. Đầu thu đọc rãnh của bản ghi bằng bút cảm ứng được kết nối cơ học với cuộn dây chuyển động trong từ trường hoặc nam châm nếu cuộn dây đứng yên. Hoặc các dao động của kim được truyền đến một phần tử áp điện, phần tử này dưới tác dụng cơ học sẽ tạo ra điện tích. Trong ghi từ, tín hiệu âm thanh được ghi trên băng từ và sau đó được đọc bởi một đầu đặc biệt. Cuối cùng, ghi quang học đã được áp dụng theo truyền thống trong điện ảnh: một rãnh âm thanh mờ được áp vào rìa phim, độ rộng của nó thay đổi theo thời gian của tín hiệu và khi phim được kéo qua thiết bị chiếu, tín hiệu điện được ghi lại. sử dụng cảm biến quang.

Trong các bộ tổng hợp, âm thanh được sinh ra trực tiếp dưới dạng rung động điện; không có sự chuyển đổi cơ bản nào của sóng âm thành tín hiệu điện.

Các nguồn âm thanh hiện đại rất đa dạng và các phương tiện kỹ thuật số ngày càng trở nên phổ biến: CD, DVD, mặc dù các bản ghi vinyl vẫn có sẵn. Chúng tôi tiếp tục nghe đài, cả mặt đất và cáp (đài phát thanh). Âm thanh đi kèm với các chương trình truyền hình và phim ảnh, chưa kể đến một hiện tượng phổ biến như điện thoại. Máy tính đang chiếm được thị phần ngày càng tăng trong thế giới âm thanh, giúp bạn có thể lưu trữ, kết hợp và xử lý các chương trình âm thanh dưới dạng tệp một cách thuận tiện. Trong thời đại kỹ thuật số, lời nói và âm nhạc số hóa được truyền qua các kênh kỹ thuật số, bao gồm cả Internet mà không bị tổn thất nghiêm trọng trong quá trình vận chuyển. Điều này được cung cấp bởi mã hóa kỹ thuật số và sự mất mát chỉ xảy ra do tính năng nén thường được sử dụng nhất. Tuy nhiên, trên phương tiện kỹ thuật số, nó hoàn toàn không có (CD, SACD) hoặc sử dụng thuật toán nén âm thanh không mất dữ liệu (DVD Audio, DVD Video). Trong các trường hợp khác, mức độ nén được xác định bởi mức chất lượng yêu cầu của bản ghi âm (tệp MP3, điện thoại kỹ thuật số, truyền hình kỹ thuật số, một số loại phương tiện truyền thông).

Cơm. 1. Chuyển đổi rung động âm thanh thành tín hiệu điện

Việc chuyển đổi ngược lại từ rung động điện sang rung động âm thanh được thực hiện bằng cách sử dụng loa tích hợp trong radio và tivi, cũng như hệ thống loa và tai nghe riêng biệt.

Âm thanh đề cập đến các dao động âm thanh trong dải tần từ 16 Hz đến 20.000 Hz

Âm thanh đề cập đến các dao động âm thanh trong dải tần từ 16 Hz đến 20.000 Hz. Dưới (hạ âm) và trên (siêu âm), tai con người không thể nghe được và trong phạm vi âm thanh, độ nhạy của thính giác rất không đồng đều, cực đại xảy ra ở tần số 4 kHz. Để nghe âm thanh ở mọi tần số đều to như nhau, bạn cần phát chúng ở các mức độ khác nhau. Kỹ thuật này, được gọi là bù âm lượng, thường được thực hiện trong các thiết bị gia dụng, mặc dù kết quả của nó không thể được coi là tích cực rõ ràng.

Cơm. 2. Đường cong âm lượng bằng nhau
(Bấm vào hình để phóng to)

Các tính chất vật lý của âm thanh thường được biểu thị không phải ở dạng tuyến tính mà ở dạng logarit tương đối - decibel (dB), vì điều này rõ ràng hơn nhiều về mặt số và nhỏ gọn hơn trong biểu đồ (nếu không, người ta sẽ phải tính toán với các đại lượng có nhiều số 0 trước đó). và sau dấu thập phân, và số thứ hai sẽ dễ bị lạc so với nền của số trước). Tỷ lệ của hai mức A và B tính bằng dB (điện áp hoặc dòng điện) được định nghĩa là:

Cu [dB] = 20 log A/B. Nếu chúng ta đang nói về công suất thì C p [dB] = 10 log A/B.

Ngoài dải tần xác định độ nhạy của thính giác con người đối với cao độ của âm thanh, còn có khái niệm dải âm lượng, biểu thị độ nhạy của tai đối với mức âm lượng và bao gồm khoảng thời gian từ âm thanh nhỏ nhất có thể nghe được. (ngưỡng nhạy cảm) đến mức to nhất, vượt quá ngưỡng đó là ngưỡng đau. Ngưỡng độ nhạy được lấy dưới dạng áp suất âm thanh 2 x 10 -5 Pa (Pascal) và ngưỡng đau là áp suất lớn hơn 10 triệu lần. Nói cách khác, phạm vi âm thanh hoặc tỷ lệ áp suất của âm thanh lớn nhất và âm thanh nhỏ nhất là 140 dB, vượt quá đáng kể khả năng của bất kỳ thiết bị âm thanh nào do tiếng ồn của chính nó. Chỉ các định dạng kỹ thuật số có độ phân giải cao (SACD, DVD Audio) mới phù hợp với giới hạn lý thuyết của dải động (tỷ lệ âm thanh lớn nhất do thiết bị tái tạo với mức tiếng ồn) là 120 dB, một đĩa CD cung cấp 90 dB, một bản ghi vinyl cung cấp khoảng 60 dB.

Cơm. 3. Phạm vi độ nhạy thính giác

Chỉ các định dạng kỹ thuật số độ phân giải cao (SACD, DVD Audio) mới đạt đến giới hạn dải động lý thuyết

Tiếng ồn luôn hiện diện trong đường dẫn âm thanh. Điều này bao gồm cả tiếng ồn bên trong của các phần tử khuếch đại và tiếng ồn bên ngoài. Biến dạng tín hiệu được chia thành tuyến tính (biên độ, pha) và phi tuyến hoặc sóng hài. Trong trường hợp biến dạng tuyến tính, phổ tín hiệu không được làm giàu bằng các thành phần mới (sóng hài), chỉ có mức hoặc pha của các thành phần hiện có thay đổi. Biến dạng biên độ vi phạm mối quan hệ mức ban đầu ở các tần số khác nhau dẫn đến biến dạng âm sắc có thể nghe được. Trong một thời gian dài, người ta tin rằng độ méo pha không ảnh hưởng nghiêm trọng đến thính giác, nhưng ngày nay điều ngược lại đã được chứng minh: cả âm sắc và định vị âm thanh phần lớn đều phụ thuộc vào mối quan hệ pha của các thành phần tần số của tín hiệu.

Mọi đường khuếch đại đều phi tuyến

Bất kỳ đường khuếch đại nào cũng là phi tuyến tính, do đó các biến dạng sóng hài luôn phát sinh: các thành phần tần số mới được phân tách theo tần số 3, 5, 7, v.v. từ âm tạo ra chúng (hòa âm lẻ) hoặc ở mức 2, 4, 6, v.v. lần (chẵn). Ngưỡng cho khả năng nhận biết của các biến dạng sóng hài rất khác nhau: từ vài phần mười và thậm chí một phần trăm của phần trăm đến 3-7%, tùy thuộc vào thành phần của sóng hài. Các hài âm chẵn ít được chú ý hơn vì chúng hòa hợp với âm cơ bản (chênh lệch tần số gấp đôi so với quãng tám).

Ngoài các biến dạng sóng hài, còn xảy ra các biến dạng xuyên điều chế, là sản phẩm chênh lệch giữa các tần số của phổ tín hiệu và các sóng hài của chúng. Ví dụ: ở đầu ra của bộ khuếch đại, đầu vào được cung cấp hai tần số 8 và 9 Hz (có đặc tính khá phi tuyến), tần số thứ ba (1 kHz), cũng như một số tần số khác sẽ xuất hiện: 2 kHz (là sự khác biệt giữa các hài bậc hai của tần số cơ bản), v.v. Sự biến dạng xuyên điều chế đặc biệt gây khó chịu cho tai vì nó tạo ra nhiều âm thanh mới, bao gồm cả những âm thanh trái ngược với âm thanh chính.

Những gì một audiophile có thể nghe và không chỉ nghe mà còn giải thích có thể hoàn toàn vô hình đối với người nghe bình thường.

Nhiễu và méo tiếng phần lớn bị tín hiệu che khuất, nhưng bản thân chúng che dấu các tín hiệu mức thấp biến mất hoặc trở nên không rõ ràng. Do đó, tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm càng cao thì càng tốt. Độ nhạy thực tế đối với tiếng ồn và biến dạng phụ thuộc vào đặc điểm thính giác của từng cá nhân và quá trình luyện tập của nó. Mức độ tiếng ồn và độ méo không ảnh hưởng đến việc truyền giọng nói có thể hoàn toàn không được chấp nhận đối với âm nhạc. Những gì một audiophile có thể nghe và không chỉ nghe mà còn giải thích có thể hoàn toàn vô hình đối với người nghe bình thường.

TRUYỀN ÂM THANH ANALOG

Theo truyền thống, tín hiệu âm thanh được truyền qua dây dẫn và cả sóng vô tuyến (radio).

Có đường truyền không cân bằng (dây cổ điển) và đường truyền cân bằng. Không cân bằng có hai dây: tín hiệu (trực tiếp) và trở lại (mặt đất). Đường dây này rất nhạy cảm với nhiễu bên ngoài nên không phù hợp để truyền tín hiệu trên khoảng cách xa. Thường được thực hiện bằng cách sử dụng dây có vỏ bọc, tấm chắn được nối đất.

Cơm. 4. Đường che chắn không cân bằng

Một đường dây cân bằng bao gồm ba dây: hai dây tín hiệu, qua đó cùng một tín hiệu truyền đi, nhưng ngược pha và nối đất. Ở phía nhận, nhiễu chế độ chung (gây ra trên cả hai dây tín hiệu) bị loại trừ lẫn nhau và biến mất hoàn toàn, đồng thời mức tín hiệu hữu ích tăng gấp đôi.

Cơm. 5. Đường che chắn cân bằng

Các đường không cân bằng thường được sử dụng bên trong các thiết bị và trên các khoảng cách ngắn, chủ yếu ở đường dẫn người dùng. Trong lĩnh vực chuyên môn, sự cân bằng chiếm ưu thế.

Trong ảnh, các điểm kết nối màn hình được hiển thị có điều kiện, vì chúng phải được chọn “tại chỗ” mỗi lần để đạt được kết quả tốt nhất. Thông thường, màn hình chỉ được kết nối ở phía bộ thu tín hiệu.

Các đường không cân bằng thường được sử dụng bên trong các thiết bị và trên những khoảng cách ngắn, chủ yếu ở đường dẫn người dùng. Trong lĩnh vực chuyên môn, sự cân bằng chiếm ưu thế.

Tín hiệu âm thanh được chuẩn hóa theo mức điện áp hiệu dụng (0,707 của giá trị biên độ):

micrô 1-10 mV (đối với micrô không có bộ khuếch đại tích hợp),
tuyến tính 0,25-1 V, thường là 0,7 V.

Ở đầu ra của bộ khuếch đại công suất, từ đó tín hiệu được gửi đến loa, mức của nó cao hơn nhiều và có thể đạt (tùy theo âm lượng) 20-50 V ở dòng điện lên tới 10-20 A. Đôi khi - lên tới hàng trăm vôn, dành cho đường truyền phát sóng và âm thanh của không gian mở.

Cáp và đầu nối được sử dụng:

đối với đường dây và micrô cân bằng - cặp được bảo vệ (thường xoắn), đầu nối hoặc đầu cuối XLR 3 chân, vít hoặc kẹp;

Cơm. 6. Các đầu nối cho đường dây cân bằng: thiết bị đầu cuối và XLR

đối với các đường dây không cân bằng - cáp được bảo vệ, đầu nối RCA (“hoa tulip”), DIN (cũng như GOST) ít thường xuyên hơn, cũng như các phích cắm khác nhau;

Cơm. 7. Đầu nối dây không cân bằng: phích cắm RCA, 3,5mm và 6,25mm

dành cho tín hiệu loa công suất cao - không được che chắn (với một số ít trường hợp ngoại lệ) cáp loa cỡ lớn, đầu cuối hoặc kẹp, đầu nối chuối hoặc kim

Cơm. 8. Đầu nối cáp loa

Chất lượng đầu nối và dây cáp đóng vai trò quan trọng, đặc biệt trong hệ thống âm thanh chất lượng cao

Chất lượng của các đầu nối và dây cáp đóng một vai trò quan trọng, đặc biệt là trong các hệ thống âm thanh chất lượng cao. Vật liệu của dây dẫn và chất điện môi, mặt cắt ngang và hình dạng của cáp rất quan trọng. Các mẫu cáp kết nối và loa đắt tiền nhất sử dụng đồng siêu tinh khiết và thậm chí cả bạc nguyên khối, cũng như lớp cách điện Teflon, được đặc trưng bởi mức độ hấp thụ điện môi tối thiểu, làm tăng sự mất tín hiệu và không đồng đều trên dải tần. Thị trường sản phẩm cáp rất đa dạng, thường các mẫu mã khác nhau có cùng chất lượng chỉ khác nhau về giá cả và nhiều lần.

Bất kỳ loại cáp nào cũng có đặc điểm là tổn thất tín hiệu tương tự, hiện tượng này tăng khi tần số và khoảng cách truyền ngày càng tăng. Tổn hao được xác định bởi điện trở ohmic của dây dẫn và các tiếp điểm trong đầu nối, cũng như các thành phần phản kháng phân tán: điện cảm và điện dung. Về bản chất, cáp là một bộ lọc thông thấp (cắt tần số cao).

Ngoài việc truyền đi những khoảng cách khác nhau, tín hiệu thường phải được phân nhánh và chuyển mạch. Bộ chuyển đổi (bộ chọn đầu vào) là một phần không thể thiếu trong nhiều thành phần của đường dẫn âm thanh, cả chuyên nghiệp lẫn người tiêu dùng. Ngoài ra còn có các bộ khuếch đại phân phối chuyên dụng có chức năng phân tách tín hiệu và đảm bảo khớp với đường truyền và các thành phần khác về mức độ và trở kháng (và thường bù cho hiện tượng roll-off ở tần số cao) và các công tắc, thông thường (nhiều đầu vào và một đầu ra) và ma trận (nhiều đầu vào và đầu ra)).

XỬ LÝ ÂM THANH ANALOG

Bất kỳ quá trình xử lý tín hiệu âm thanh analog nào cũng đi kèm với những tổn thất nhất định về chất lượng của nó (xảy ra các biến dạng tần số, pha và phi tuyến tính), nhưng điều đó là cần thiết. Các loại xử lý chính như sau:

khuếch đại tín hiệu đến mức cần thiết để truyền, ghi hoặc phát lại bằng loa: bằng cách đưa tín hiệu từ micrô vào loa, chúng ta sẽ không nghe thấy gì: trước tiên chúng ta cần khuếch đại tín hiệu đó theo mức và công suất, đồng thời cung cấp khả năng Điều chỉnh âm lượng.

Cơm. 9

lọc tần số: sóng hạ âm, có hại cho sức khỏe ở một số tần số nhất định và siêu âm bị cắt khỏi dải âm thanh hữu ích (20 Hz - 20 kHz). Trong nhiều trường hợp, phạm vi bị thu hẹp có chủ ý (kênh điện thoại thoại có băng tần từ 300 Hz - 3400 Hz, băng tần của đài phát thanh công tơ bị hạn chế đáng kể). Đối với các hệ thống âm thanh thường có 2-3 dải, việc phân tách cũng là cần thiết, việc này thường được thực hiện trong các bộ lọc chéo đã ở mức tín hiệu được khuếch đại (mạnh).

Cơm. 10. Mạch phân tần cho hệ thống loa ba đường tiếng

Cơm. 11. Ví dụ về thiết bị cân bằng

khử nhiễu: có các mạch giảm nhiễu động đặc biệt giúp phân tích tín hiệu và thu hẹp băng tần tương ứng với mức và tần số của các thành phần RF (“bộ khử nhiễu”, “bộ khử nhiễu”). Trong trường hợp này, nhiễu nằm phía trên dải tín hiệu sẽ bị cắt và nhiễu còn lại ít nhiều bị chính tín hiệu che đi. Những sơ đồ như vậy luôn dẫn đến sự suy giảm tín hiệu rất đáng chú ý, nhưng trong một số trường hợp, việc sử dụng chúng là phù hợp (ví dụ: khi làm việc với giọng nói được ghi âm hoặc trong các đài phát thanh liên lạc nội bộ). Đối với thiết bị ghi âm tương tự, bộ khử tiếng ồn dựa trên máy nén/bộ mở rộng (“compander”, ví dụ: hệ thống Dolby B, dbx) cũng được sử dụng, hoạt động của chúng ít được tai nhận thấy hơn.
tác động đến dải động: để phát lại các chương trình âm nhạc trên hệ thống gia đình thông thường, bao gồm cả radio trên ô tô, đủ phong phú và biểu cảm, dải động được nén lại, làm cho âm thanh yên tĩnh trở nên to hơn. Nếu không, ngoài những đợt fortissimo thỉnh thoảng bùng phát (trên nhạc cổ điển), bạn sẽ phải nghe sự im lặng từ loa, đặc biệt là trong môi trường ồn ào. Các thiết bị được gọi là máy nén được sử dụng cho mục đích này. Ngược lại, trong một số trường hợp cần mở rộng dải động thì mới sử dụng các bộ mở rộng. Và để tránh vượt quá mức tối đa, dẫn đến hiện tượng cắt (giới hạn tín hiệu từ phía trên, kèm theo độ méo phi tuyến rất cao, được coi là thở khò khè), các bộ hạn chế được sử dụng trong studio. Chúng thường cung cấp khả năng cắt “mềm” thay vì chỉ cắt bỏ phần đầu của tín hiệu;

Cơm. 12. Ví dụ về bộ xử lý động lực học studio

hiệu ứng đặc biệt cho phòng thu, EMR, v.v.: các kỹ sư âm thanh và nhạc sĩ có sẵn một lượng lớn thiết bị đặc biệt để mang lại cho âm thanh màu sắc mong muốn hoặc đạt được hiệu ứng nhất định. Đây là các bộ biến dạng khác nhau (âm thanh của đàn guitar điện trở nên khàn, nổi hạt), các phần đính kèm wah-wah (điều chế biên độ, gây ra hiệu ứng “cạch cạch” đặc trưng), bộ tăng cường và bộ kích thích (đặc biệt là các thiết bị ảnh hưởng đến màu sắc của âm thanh, họ có thể tạo cho âm thanh một sắc thái “ống” ); người hát bích, dàn đồng ca, v.v.

Cơm. 13. Ví dụ về bộ xử lý và phụ kiện cho guitar điện

trộn âm thanh, tiếng vang/âm vang: việc ghi âm trong phòng thu thường được thực hiện ở dạng đa kênh, sau đó sử dụng bộ trộn, bản ghi âm sẽ được trộn vào số kênh cần thiết (thường là 2 hoặc 6). Trong trường hợp này, kỹ sư âm thanh có thể “đẩy về phía trước” một hoặc một nhạc cụ độc tấu khác được ghi trên một bản nhạc riêng và thay đổi tỷ lệ âm lượng của các bản nhạc khác nhau. Đôi khi, nhiều bản sao của mức thấp hơn được xếp chồng lên tín hiệu với sự dịch chuyển thời gian nhất định, từ đó mô phỏng tiếng vang tự nhiên (tiếng vang). Hiện tại, các hiệu ứng tương tự và các hiệu ứng khác đạt được chủ yếu bằng cách sử dụng bộ xử lý tín hiệu xử lý tín hiệu số.

Cơm. 14. Bàn trộn hiện đại

GHI ÂM THANH ANALOG

Người ta tin rằng việc ghi âm cơ học lần đầu tiên được Edison thực hiện vào năm 1877, khi ông phát minh ra máy quay đĩa - một con lăn được phủ một lớp staniol mềm, trên đó một dấu vết được tạo ra bằng kim truyền rung động không khí (sau này người ta sử dụng sáp để thay thế). của staniol và bản thân phương pháp này bắt đầu được gọi là ghi độ sâu , vì bản nhạc được điều chế theo độ sâu). Tuy nhiên, cùng năm đó, người Pháp Charles Cros đã nộp đơn lên Viện Hàn lâm Khoa học về phát minh của mình - âm thanh được ghi trên một đĩa thủy tinh phẳng, phủ đầy bồ hóng, sử dụng một chiếc kim nối với màng, thu được một rãnh ngang , sau đó đĩa được cho là sẽ được chiếu sáng và các bản sao được tạo ra từ nó để sao chép (bản thân phương pháp này vẫn chưa được phát triển). Cuối cùng, ghi âm ngang, hóa ra lại hoàn hảo hơn nhiều so với ghi âm sâu, đã tạo ra kỹ thuật ghi âm bằng máy hát. Trên thế giới đã xuất hiện ba công ty sản xuất đĩa hát hàng loạt (CBS ở Mỹ, JVC ở Nhật Bản, Odeon ở Đức - công ty này đã mang đến cho thế giới đĩa hát hai mặt) và các thiết bị để phát chúng. Cái tên “máy hát” có nguồn gốc từ Deutsche Gramophon (Đức), và máy hát có nguồn gốc từ Pathé (Pháp). Sau đó, họ bắt đầu sản xuất máy hát cầm tay có chuông trên bản lề, có động cơ điện thay vì ổ đĩa thủ công và sau đó là bộ chuyển đổi điện từ. Các bản ghi ngày càng trở nên hoàn hảo hơn, chúng chứa nhiều tài liệu hơn theo thời gian phát và dải tần ban đầu bị giới hạn ở 4 kHz sau đó được mở rộng. Vinylite thay thế shellac mỏng manh, và những chiếc kim thép có tuổi thọ ngắn nhường chỗ cho sapphire, rồi đến kim cương. Kỷ nguyên của âm thanh nổi bắt đầu: hai bản nhạc được cắt thành một rãnh ở góc 45°. Vào đầu những năm 80 của thế kỷ trước, khi toàn cầu chuyển đổi sang định dạng âm thanh kỹ thuật số, bản ghi vinyl đã đạt đến đỉnh cao phát triển.

Cơm. 15. Máy hát, máy hát, máy nghe nhạc điện

Ghi âm từ tính tiên tiến hơn và đã được sử dụng từ lâu trong các studio. Thiết bị ghi từ tính đầu tiên, máy điện báo, được chế tạo bởi Waldemar Paulsen (Đan Mạch) vào năm 1878, và việc ghi âm được thực hiện trên một sợi dây thép (dây đàn piano). Vào những năm 20 của thế kỷ 20, máy ghi âm sử dụng băng từ xuất hiện. Việc sản xuất hàng loạt máy ghi âm bắt đầu từ những năm 40. Đầu tiên, băng từ xuất hiện trên xenlulo và sau đó là trên nền lavsan. Tín hiệu âm thanh được ghi vào các rãnh dọc bằng cách sử dụng đầu ghi (hoặc đầu đa năng) có khe hở từ tính. Băng được kéo đến gần khe hở đầu và đường từ hóa dư được hình thành trên đó. Phần phi tuyến của đặc tính bị “làm mờ” bằng cách sử dụng dòng điện phân cực tần số cao (thường là khoảng 100 kHz), trên đó tín hiệu hữu ích được chồng lên. Máy ghi băng analog trong phòng thu, cùng với máy ghi âm kỹ thuật số, vẫn được sử dụng để ghi âm chính các bản ghi âm. Đầu gia dụng có loại hai và ba đầu (đầu ghi, phát lại và xóa riêng biệt hoặc đầu xóa và đầu phổ thông). Đôi khi có hai đầu phát lại nếu đảo ngược được cung cấp.

Ngay cả khi xử lý rất cẩn thận, băng từ vẫn bắt đầu bị hỏng theo thời gian

Băng từ có độ ồn giảm (một phần di chuyển ra ngoài phạm vi nghe được) khi tốc độ nạp tăng lên. Do đó, máy ghi băng studio có tốc độ 38, trong khi máy ghi băng reel-to-reel gia đình có tốc độ 19 và 9,5 cm/s. Đối với máy ghi băng cassette gia đình, tốc độ 4,76 cm/s đã được áp dụng. Tiếng ồn của băng được triệt tiêu một cách hiệu quả bằng cách sử dụng hệ thống biên dịch Dolby B: trong khi ghi, mức của phần tần số cao đối với tín hiệu yếu sẽ tăng thêm 10 dB và trong khi phát lại, mức này sẽ giảm xuống cùng mức.

Ghi từ tương tự chuyên nghiệp ở tốc độ cao mang lại chất lượng rất cao. Chính trên các băng từ chính, các bản ghi âm nhạc đã được lưu trữ trong một thời gian dài và từ đó, bản ghi âm được chuyển sang bản ghi vinyl với một số chất lượng bị giảm sút. Tuy nhiên, ngay cả khi được xử lý rất cẩn thận, băng từ vẫn bắt đầu vỡ vụn theo thời gian, có đặc điểm là mất từ tính dần dần, biến dạng, hiệu ứng sao chép (các lớp liền kề trong cuộn bị từ hóa lẫn nhau) và dễ bị ảnh hưởng bởi từ trường bên ngoài. Cũng khó có thể nhanh chóng tìm thấy mảnh vỡ mong muốn (mặc dù sự bất tiện này áp dụng nhiều hơn cho lĩnh vực nội địa). Do đó, với sự ra đời của các định dạng kỹ thuật số, Sony, chủ sở hữu kho lưu trữ khổng lồ các bản ghi âm CBS/Columbia, quan tâm đến vấn đề bảo tồn các bản ghi gốc vô giá của nửa sau thế kỷ 20, đã phát triển một phương pháp ghi theo xung rời rạc. định dạng điều chế độ rộng (luồng DSD - Direct Stream Digital, sau này đã tạo ra định dạng Super Audio CD tùy chỉnh). Nếu việc ghi từ tương tự đảm bảo việc lưu giữ bản ghi âm trong vài thập kỷ với mức độ mất mát ngày càng tăng dần thì các kho lưu trữ kỹ thuật số là vĩnh cửu và có thể chịu được số lượng bản sao không giới hạn mà không bị suy giảm chất lượng. Vì điều này, cũng như vì nhiều lý do khác (lợi ích dịch vụ, tính linh hoạt, khả năng xử lý khổng lồ), các định dạng âm thanh kỹ thuật số hiện đang ngày càng trở nên phổ biến.

NHẬN TÍN HIỆU ÂM THANH KỸ THUẬT SỐ

Theo định lý Kotelnikov-Shanon, một tín hiệu rời rạc sau đó có thể được tái tạo hoàn toàn với điều kiện tần số lấy mẫu ít nhất gấp đôi tần số trên của phổ tín hiệu

Tín hiệu số được lấy từ tín hiệu analog hoặc được tổng hợp trực tiếp dưới dạng số (trong nhạc cụ điện). Chuyển đổi tương tự sang số bao gồm hai hoạt động chính: lấy mẫu và lượng tử hóa. Sự rời rạc hóa là sự thay thế tín hiệu liên tục bằng một số mẫu có giá trị tức thời của nó, được lấy trong những khoảng thời gian bằng nhau. Theo định lý Kotelnikov-Shanon, một tín hiệu rời rạc sau đó có thể được tái tạo hoàn toàn với điều kiện tần số lấy mẫu ít nhất gấp đôi tần số trên của phổ tín hiệu. Sau đó, các mẫu được lượng tử hóa theo cấp độ: mỗi mẫu được gán một giá trị riêng biệt gần nhất với giá trị thực. Độ chính xác lượng tử hóa được xác định bởi độ sâu bit của biểu diễn nhị phân. Độ sâu bit càng cao thì mức lượng tử hóa càng nhiều (2N, trong đó N là số bit) và nhiễu lượng tử hóa càng thấp - lỗi do làm tròn đến mức rời rạc gần nhất.

Cơm. 16. Số hóa tín hiệu tương tự và lấy mẫu kỹ thuật số

Định dạng CD giả định tốc độ lấy mẫu là 44,1 kHz và độ sâu bit là 16 bit. Tức là thu được 44 nghìn mẫu mỗi giây, mỗi mẫu có thể lấy một trong 2 mức 16 = 65536 (đối với mỗi kênh âm thanh nổi).

Các định dạng âm thanh tiêu dùng tiên tiến nhất là DVD Audio và Super Audio CD (SACD)

Ngoài định dạng 44,1 kHz / 16-bit, các định dạng khác được sử dụng trong ghi âm kỹ thuật số. Bản ghi âm trong phòng thu thường được thực hiện với độ sâu bit là 20-24 bit. Dữ liệu sau đó được chuyển đổi sang định dạng CD tiêu chuẩn bằng cách chuyển đổi. Các bit bổ sung sau đó được loại bỏ hoặc làm tròn (tốt hơn), đôi khi nhiễu giả ngẫu nhiên được trộn vào để giảm nhiễu lượng tử hóa (hòa sắc).

Các định dạng âm thanh tiêu dùng tiên tiến nhất là DVD Audio và Super Audio CD (SACD). DVD Audio áp dụng thuật toán nén dữ liệu không mất dữ liệu MLP do Meridian phát triển. Và SACD, không giống như các định dạng khác, không sử dụng điều chế mã xung (PCM) mà sử dụng mã hóa luồng DSD một bit (điều chế độ rộng xung rời rạc). Đĩa SACD có định dạng một lớp và hai lớp (hybrid), với một lớp CD thông thường.

Phương tiện âm thanh phổ biến nhất hiện nay vẫn là CD, mặc dù có những hạn chế nhất định về chất lượng âm thanh được những người đam mê âm thanh lưu ý. Lý do cho chúng là tần số lấy mẫu thấp: để khôi phục chính xác các tín hiệu gần với giới hạn trên của dải âm thanh, cần có một bộ lọc không thể thực hiện được về mặt vật lý (đáp ứng xung của nó bao phủ vùng thời gian âm). Điều này được bù đắp ở một mức độ nhất định bằng cách lọc kỹ thuật số với tần số lấy mẫu và độ sâu bit ngày càng tăng. Để đảm bảo việc phát lại theo thời gian thực không bị gián đoạn, dữ liệu trên đĩa được ghi bằng mã hóa dự phòng (mã Reed-Solomon).

Phương tiện kỹ thuật số, tốc độ lấy mẫu và bit mã hóa

Vận chuyển	Quyền tác giả	Kích thước	giờ chơi, phút.	Đại tá. kênh truyền hình	Fs, kHz	Chút ít
CD-DA	Sony Philips	120, 90mm	lên tới 90	2	44,1	16
S-DAT		băng cassette, băng 3,81 mm	2	32, 44,1, 48	16
R-DAT		băng cassette, băng 3,81 mm		2, 4	44,1	12, 16
DASH		băng 6.3, 12.7mm		2…48	44,056, 44,1, 48	12, 16
ĐẠT	Alesis	băng cassette S-VHS	60	8	44,1, 48	16, 20
DCC	Philips	băng cassette		2, 4	32, 44,1, 48	16, 18
đĩa nhỏ	Sony	64mm	74	2, 4	44,1	16
đĩa DVD Âm thanh		120mm		5.1	192	24
SACD	Sony Philips	120mm		2, 5	2800	1

Truyền âm thanh kỹ thuật số yêu cầu liên kết băng thông rộng, đặc biệt đối với các luồng đa kênh có độ phân giải cao không nén.

TRUYỀN ÂM THANH KỸ THUẬT SỐ

Đường dây liên lạc để truyền âm thanh kỹ thuật số có thể là cáp, đường quang và sóng vô tuyến.

Để truyền tín hiệu PCM qua đường dây có dây, các giao diện AES/EBU (cân bằng, đồng trục), S/PDIF (đồng trục không cân bằng) đã được phát triển, cung cấp khả năng truyền một số tín hiệu (tần số xung nhịp, tốc độ từ kỹ thuật số, dữ liệu kênh) qua một dây. Bên trong thiết bị, các tín hiệu này được truyền riêng biệt, được mã hóa ở đầu ra của cơ chế truyền tải và ở đầu vào của bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự (trong hệ thống hai khối), chúng lại được phân tách trong bộ thu kỹ thuật số.

Thông thường, cáp đồng trục chất lượng cao được sử dụng để truyền âm thanh kỹ thuật số. Ngoài ra còn có bộ chuyển đổi S/PDIF cho đường cáp quang: AT&T ST và Toslink (sau này là tiêu chuẩn cho thiết bị tiêu dùng). Và cũng để sử dụng các cặp xoắn như một phần của mạng cáp Ethernet. Phương tiện để phân phối âm thanh nén dưới dạng tệp lưu trữ là Internet.

Cơm. 17. Cáp quang có đầu nối Toslink

Giống như bất kỳ tín hiệu số nào, âm thanh số hóa được phân phối và chuyển mạch bằng các thiết bị đặc biệt - bộ khuếch đại phân phối, bộ chuyển mạch thông thường và ma trận.

Có một yếu tố ảnh hưởng tiêu cực đến tín hiệu số và thường phủ nhận gần như tất cả các ưu điểm của âm thanh kỹ thuật số so với tín hiệu tương tự, bao gồm khả năng sao chép, truyền và lưu trữ chương trình nhiều lần mà không làm giảm chất lượng - chúng ta đang nói về jitter. Jitter là jitter pha, hay độ bất định ở thời điểm chuyển từ 0 sang 1 và ngược lại. Điều này xảy ra do sự biến dạng dần dần của các xung hình chữ nhật với các mặt trước gần như lý tưởng, ngày càng trở nên phẳng hơn do các phần tử phản kháng của cáp, dẫn đến sự không chắc chắn về thời điểm rơi, mặc dù độ dốc của các mặt trước trong mỗi lần tiếp theo. thiết bị kỹ thuật số được khôi phục hoàn toàn. Tất cả các thiết bị kỹ thuật số hiện đại đều chống lại hiện tượng jitter thành công bằng cách sử dụng các bộ phận reclocking. Để biết thêm thông tin, hãy xem tài liệu Điều khiển và Chuyển mạch Tín hiệu.

Hình 18. Phân phối và chuyển mạch

Các định dạng âm thanh nén được sử dụng để truyền và ghi trên nhiều phương tiện kỹ thuật số khác nhau: Dolby Digital (AC-3) và DTS. Điều này cho phép bạn đặt một bộ phim có thời lượng đầy đủ với âm thanh đa kênh cũng như nhiều tài liệu bổ sung khác trên đĩa Video DVD 4,7 GB. Định dạng Dolby Digital cung cấp 5 kênh độc lập: 2 phía trước, 2 phía sau và 1 loa siêu trầm cho các hiệu ứng đặc biệt. Quá trình nén được thực hiện bằng thuật toán Âm thanh MPEG thích ứng, dựa trên các đặc tính âm thanh tâm lý của cảm nhận âm thanh và đảm bảo khả năng nhận biết nén ở mức tối thiểu. Tất cả điều này cho phép bạn tạo lại toàn cảnh âm thanh ba chiều đầy đủ. Tuy nhiên, để phát nhạc chất lượng cao, Dolby Digital kém phù hợp hơn nhiều so với CD, có độ phân giải thấp hơn. Tốc độ bit ở chế độ Dolby Digital (các mẫu cho mỗi kênh được truyền lần lượt) là 384-640 kbps, trong khi ở định dạng CD hai kênh thông thường là 1411,2 kbps. Định dạng Dolby Digital 5.1 đã được cải tiến nhiều lần, chủ yếu theo hướng tăng số lượng kênh. Hiện đã có phiên bản DD 7.1, cung cấp 2 kênh phía trước, 2 bên và 2 kênh phía sau, không tính kênh hiệu ứng đặc biệt (bản sửa đổi DD 6.1 với một kênh phía sau cũng được biết đến).

Định dạng DTS có tỷ lệ nén thấp hơn và tốc độ dữ liệu cao hơn - 1536 kbps. Vì vậy, nó không chỉ được sử dụng để mã hóa các bản nhạc đa kênh trên Video DVD mà còn dùng cho các đĩa âm thanh đa kênh. Định dạng DTS, ngoài DTS 5.1 truyền thống, còn được biết đến trong các bản sửa đổi DTS ES Discrete 6.1, cũng như một số biến thể ma trận, giống như Dolby Pro Logic II, sử dụng nguyên tắc ma trận các kênh bổ sung, được tổng hợp dựa trên các kênh bổ sung. thông tin có trong những cái chính.

Trong điện toán và đa phương tiện (ở cấp độ người dùng), cần phải thu gọn dữ liệu nên các định dạng âm thanh nén được sử dụng rộng rãi ở đây. Ví dụ: MP-3, Windows Media Audio, OGG Vorbis. Nhờ nén, có thể nhanh chóng tải xuống các tệp nhạc từ Internet và tổ chức dịch vụ âm thanh phát trực tuyến (WMA, Real Audio, Winamp).

XỬ LÝ ÂM THANH KỸ THUẬT SỐ

Quá trình xử lý được thực hiện bằng bộ xử lý DSP (tín hiệu) mạnh mẽ, chẳng hạn như Shark từ Thiết bị Analog. Nhờ tốc độ cao, nhiều thao tác có thể được thực hiện trong thời gian thực: ví dụ: thay đổi độ sâu bit và tần số xung nhịp bằng phép nội suy, điều chỉnh cân bằng âm sắc, cân bằng, khử nhiễu, nén, mở rộng hoặc giới hạn dải động, hiệu ứng đặc biệt ( tiếng vang, các loại âm thanh khác nhau, ví dụ như “ sân vận động”, “phòng hòa nhạc”, v.v.), trộn nhiều bản nhạc. Thông thường, bộ xử lý tín hiệu hoạt động ở độ rộng tín hiệu cao (ví dụ: 32 bit có dấu phẩy động thập phân), giúp giảm sự phát sinh lỗi trong các phép tính toán học phức tạp, được thực hiện dựa trên phép biến đổi Fourier nhanh, tính toán một tập hợp các hệ số tương ứng và các phép tính tiếp theo. phép nhân.

Bộ xử lý tín hiệu đang trở nên rẻ hơn khi chúng trở nên phổ biến hơn; ngày nay chúng có thể được tìm thấy trong bất kỳ bộ thu hoặc bộ xử lý âm thanh vòm nào, nơi chúng thực hiện nhiều chức năng khác nhau, bao gồm giải mã các định dạng âm thanh vòm, cân bằng và điều khiển âm trầm, hiệu chỉnh kênh cho biên độ và pha, vân vân.

Ngày nay, bộ xử lý tín hiệu đang trở nên rẻ hơn khi chúng trở nên phổ biến hơn; chúng có thể được tìm thấy trong bất kỳ bộ thu hoặc bộ xử lý xung quanh nào;

Tuy nhiên, như thường lệ, công nghệ xử lý tín hiệu phần mềm thậm chí còn phát triển nhanh hơn cả phần cứng. Mọi thứ mà bộ xử lý DSP có thể làm đều có sẵn khi sử dụng các ứng dụng máy tính đặc biệt và trong trường hợp này, người dùng nhận được phạm vi hoạt động rộng hơn và tính linh hoạt của chính chương trình, được cập nhật và bổ sung định kỳ (mặc dù phần mềm của các thiết bị chuyên dụng trong thời đại chúng ta có thể thường được cập nhật thông qua cổng USB từ máy tính hoặc thậm chí trực tiếp từ Internet, từ trang web của nhà sản xuất thiết bị. Nhưng tất nhiên, một bản cập nhật như vậy chỉ có thể thực hiện được trong một thế hệ phần cứng, vì mô-đun này đã trở nên lỗi thời. hoặc phải thay thế toàn bộ thiết bị). Các chương trình máy tính để xử lý sâu âm thanh kỹ thuật số là đủ cho cả mục đích tiêu dùng và chuyên nghiệp (ví dụ: Adobe Audition). Hầu hết quá trình xử lý trong studio được thực hiện trên máy tính. Điều này rất thuận tiện và hiệu quả, và quan trọng nhất là nó cho phép bạn không bị ràng buộc với thời gian thực, giúp bạn có thể thực hiện các hoạt động ở bất kỳ mức độ phức tạp nào mà không cần yêu cầu hiệu suất đặc biệt. Ví dụ: bạn có thể xóa bản ghi âm theo cách thủ công (giả sử được lấy từ phương tiện vinyl di tích) khỏi các cú nhấp chuột hoặc đưa nó vào quá trình xử lý “thông minh” để loại bỏ tiếng ồn, thành phần quang phổ của nó được xác định trước trong các khoảng dừng và các đoạn yên tĩnh.

Nén âm thanh kỹ thuật số dựa trên đặc tính âm thanh tâm lý của thính giác và sử dụng hiệu ứng che giấu những âm thanh nhỏ hơn bằng những âm thanh to hơn.

Cuối cùng, việc nén để giảm tốc độ luồng dữ liệu hoặc truyền sang tần số xung nhịp khác với khả năng thay đổi độ sâu bit cũng được thực hiện cả trong phần cứng và phần mềm trên máy tính.

Có một số định dạng âm thanh máy tính tiêu chuẩn, cả không nén và nén.

Định dạng không nén phổ biến nhất là Microsoft Riff/Wave (phần mở rộng ".wav"). Dữ liệu được mã hóa với 8 hoặc 16 bit. Trong trường hợp thứ hai (có thể chấp nhận được đối với âm thanh chất lượng cao) và với tần số lấy mẫu là 44,1 kHz, một phút nhạc chiếm 5,3 MB dung lượng ổ đĩa. Ngoài chính dữ liệu, tệp .wav còn chứa tiêu đề mô tả các tham số chung của tệp và một hoặc nhiều đoạn có thông tin bổ sung về chế độ và thứ tự phát lại, nhãn hiệu, tên và tọa độ của các phần khác nhau của tín hiệu.

Không giống như Riff/Wave, các tệp RAW trình bày dữ liệu nguyên gốc - không có bất kỳ thông tin hỗ trợ nào. Có trong các tệp Apple AIFF tiêu chuẩn dành cho nền tảng Macintosh, tương tự như WAV.

Nén âm thanh kỹ thuật số dựa trên các đặc tính âm thanh tâm lý của thính giác và sử dụng hiệu ứng che giấu những âm thanh nhỏ hơn bằng những âm thanh to hơn, trong khi những âm thanh yên tĩnh chỉ bị loại bỏ và “ngưỡng liên quan” của âm thanh bị che được xác định bởi khoảng cách tần số của chúng với mặt nạ cũng như các thông số khác.

Trong số các định dạng liên quan đến nén bị mất, phổ biến nhất là MP3 (MPEG 1/2/2.5 Lớp 3). Cho phép bạn sử dụng nhiều phương pháp nén khác nhau; tiêu chuẩn chỉ là phương pháp mã hóa dữ liệu đã được nén. Có thể thực hiện tùy chọn với tốc độ bit không đổi, được xác định dựa trên kích thước tệp hoặc mức chất lượng được yêu cầu hoặc với một biến số, khi tốc độ bit thay đổi đối với các đoạn nhạc khác nhau, duy trì mức chất lượng không đổi. Nhìn chung, MP3 có âm thanh rất hài lòng ở tốc độ bit trung bình và cao, nhưng ở tốc độ bit thấp thì kém hơn các định dạng khác. Ngoại lệ là phiên bản mới của MP3 Pro, đặc biệt nhắm đến tốc độ bit thấp và do đó có nhu cầu cao trên Internet.

WMA, hay Windows Media Audio, cạnh tranh thành công với MP3 ở tốc độ bit thấp (ví dụ: nhạc ở tốc độ 64 kbit/s trong WMA về mặt chủ quan nghe không tệ hơn ở MP3 với tốc độ bit 128 kbit/s. Ngoài ra, định dạng này còn cung cấp mã hóa bảo vệ chống sao chép trái phép.

Ogg Vorbis nhìn chung tương tự như WMA và MP3, nhưng khác ở bộ máy xử lý toán học và tập trung vào tần số lấy mẫu là 48 kHz. Ngoài ra, nó có thể hỗ trợ không phải 2 mà lên tới 255 kênh âm thanh. Tốc độ bit lên tới 512 kbps, với khả năng nén hiệu quả hơn 20-5% so với MP3, về mặt chủ quan, âm nhạc nghe hay hơn. Một đối thủ nặng ký của MP3 và WMA, mặc dù đang trong cuộc chiến không cân sức với các công ty khổng lồ.

AAC (Mã hóa âm thanh nâng cao) được phát triển trên cơ sở MP3 (và bởi cùng một công ty - Viện Fraunhofer), nhưng có các khả năng nâng cao: nó hỗ trợ tốc độ lấy mẫu 96 kHz, lên đến 48 kênh. Chất lượng âm thanh cao hơn được “trả giá” bằng quy trình mã hóa tương đối chậm hơn và tăng yêu cầu về hiệu suất phần cứng trong quá trình phát lại. Một trong những phiên bản mới nhất của AAC, được gọi là Liquid Audio, cho phép đưa không chỉ “hình mờ” vào luồng dữ liệu, như AAC, mà còn cả các thông tin khác (về nghệ sĩ, bản quyền, v.v.), tại một thời điểm nào đó đã trở thành một vấn đề nghiêm trọng. ứng cử viên cho sự kế thừa MP3.

Về nhiều mặt, định dạng VQF (SoundVQ) của Nhật Bản tương tự như AAC, rất có thể sẽ sớm biến mất khỏi tầm nhìn, mặc dù nó được Yamaha hỗ trợ.

Âm thanh kỹ thuật số có thể được ghi vào nhiều phương tiện truyền thông khác nhau. Hầu hết là các đĩa quang, mặc dù về mặt logic, sớm hay muộn, chỉ có bộ nhớ flash sẽ còn tồn tại trên đấu trường, không yêu cầu bất kỳ ổ đĩa nào có động cơ.

Ghi âm kỹ thuật số từ tính ngày nay chủ yếu vẫn nằm trong lĩnh vực chuyên nghiệp và ngày càng rời xa phạm vi gia đình.

Đĩa CD được sao chép, giống như các phương tiện tương tự khác (DVD, SACD), bằng cách dập các khoảng trống polycarbonate từ ma trận nhôm, trên đó áp dụng các hố - vết lõm. Ngoài ra, nếu bạn có một máy tính thông thường có đầu ghi CD (DVD), các tệp nhạc ở nhiều định dạng khác nhau có thể được ghi trên ma trận CD-R, CD-RW, v.v. Các tệp cũng được lưu trữ trên ổ cứng của máy tính hoặc máy chủ âm thanh đặc biệt, trong đó có thể tạo một thư viện nhạc phong phú và mức độ nén tệp (từ 0) do người dùng chọn.

Ghi âm kỹ thuật số từ tính ngày nay chủ yếu vẫn nằm trong lĩnh vực chuyên nghiệp và ngày càng rời xa phạm vi gia đình. Đĩa quang hấp dẫn người tiêu dùng hơn so với băng cassette dù có kích thước nhỏ. Ngoài ra, nhu cầu đại chúng của họ không được tạo điều kiện thuận lợi bởi mối quan hệ khó khăn với chủ sở hữu quyền đối với nội dung âm nhạc (thực tế là trường hợp của DVD Audio và SACD). Máy ghi băng DAT ghi lại âm thanh kỹ thuật số không nén với chất lượng cao. Có một số loại máy ghi băng kỹ thuật số: có đầu cố định (S-DAT) và có đầu quay (R-DAT), ghi tín hiệu vào băng cassette; DASH reel-to-reel, DAT sử dụng băng S-VHS và ghi nghiêng chéo. Định dạng DCC (ghi nén PASC) hiện được coi là không có triển vọng. Đĩa quang từ MiniDisc sử dụng thuật toán nén ATRAC.

ÂM THANH CHƠI

Ở cuối bất kỳ đường dẫn âm thanh nào đều có bộ chuyển đổi âm thanh điện tương tự - loa hoặc tai nghe. Máy phát kỹ thuật số vẫn đang ở giai đoạn ý tưởng ban đầu. Các bộ khuếch đại công suất cũng chủ yếu là analog, mặc dù các bộ khuếch đại kỹ thuật số đang dần phát triển (chính xác hơn là các bộ khuếch đại xung, hoạt động theo nguyên tắc điều chế độ rộng xung). Loại bộ khuếch đại này - D - mang lại hiệu suất cao chưa từng có so với các bộ khuếch đại tương tự (khoảng 90%), kích thước và trọng lượng nhỏ và không sinh nhiệt. Tuy nhiên, để các bộ khuếch đại Lớp D đảm bảo vị trí dẫn đầu, cần phải giải quyết nhiều vấn đề quan trọng và trước hết là vấn đề lọc các thành phần tần số cao của tín hiệu điều chế, mức này rất cao. đầu ra. Ngoài ra, thực tế không có bộ khuếch đại loại D nào có đầu vào kỹ thuật số: tín hiệu tương tự được đưa đến ADC tích hợp. Có lẽ đây là yếu tố chính làm chậm sự phát triển của hướng này: xét cho cùng, giá trị chính của ý tưởng này không phải là hiệu quả cao mà là khả năng tổ chức một đường dẫn âm thanh kỹ thuật số hoàn toàn mà không cần chuyển đổi và đường truyền analog không cần thiết. Hơn nữa, đầu ra kỹ thuật số trên đầu DVD không phải là hiếm. Gần đây, những phát triển mới đã bắt đầu xuất hiện trong lĩnh vực này. Tripath đã phát hành một bộ xử lý đặc biệt kiểm soát các thông số tăng xung dựa trên phân tích tín hiệu đầu vào, tín hiệu này (ở dạng kỹ thuật số) bị trễ một thời gian trong bộ đệm. Đặc biệt, tùy thuộc vào phổ hiện tại của tín hiệu, tần số xung nhịp tối ưu theo quan điểm của quá trình lọc tiếp theo sẽ được chọn. Những bộ khuếch đại như vậy (chúng được gọi là “thông minh”) đã tạo ra một danh mục mới - bộ khuếch đại Loại T. Để biết thêm thông tin, hãy xem tài liệu quảng cáo “Khuếch đại tín hiệu”.

Bộ khuếch đại âm thanh nổi và mono truyền thống ngày càng được thay thế bằng bộ khuếch đại đa kênh, thường được tích hợp trong bộ thu AV, cũng có mọi thứ cần thiết để xử lý sâu tín hiệu đa kênh, giải mã và chuyển đổi từ định dạng này sang định dạng khác. Âm thanh đa kênh ngày càng trở nên phổ biến, không chỉ được dùng làm nhạc đệm cho phim mà còn được dùng làm nhạc đệm cho chính nó.

Việc chuyển đổi tín hiệu tương tự sang dạng số là một phức hợp gồm ba thao tác: lấy mẫu, lượng tử hóa và mã hóa.

Lấy mẫu là sự thay thế tín hiệu TV analog liên tục S(t) bằng một chuỗi các mẫu (mẫu) của tín hiệu này (Hình 2). Các mẫu này được lấy tại các thời điểm cách nhau một khoảng T, được gọi là khoảng thời gian lấy mẫu. Nghịch đảo của khoảng thời gian lấy mẫu được gọi là tần số lấy mẫu. Phổ biến nhất là lấy mẫu thống nhất với chu kỳ không đổi, dựa trên định lý Kotelnikov. Theo định lý này, bất kỳ tín hiệu liên tục nào S(t), có phổ tần số giới hạn (0...f gp), đều có thể được biểu diễn bằng các giá trị của tín hiệu S di này mà không làm mất thông tin. được thực hiện tại các thời điểm riêng biệt t n =nT (n=1,2,3,... - số nguyên) với điều kiện T?0,5/t rp (T - chu kỳ, hoặc khoảng thời gian lấy mẫu). Tần suất lấy mẫu tối thiểu cho phép theo Kotelnik t d.min = 2f gp.

Rõ ràng là khoảng thời gian lấy mẫu càng nhỏ (tần số lấy mẫu càng cao), thì sự khác biệt giữa tín hiệu gốc và bản sao được lấy mẫu của nó càng nhỏ. Cấu trúc bước của tín hiệu được lấy mẫu có thể được làm mịn bằng bộ lọc thông thấp. Đây là cách tín hiệu tương tự được khôi phục từ tín hiệu được lấy mẫu.

Lấy mẫu, khi chuyển đổi tín hiệu tương tự sang dạng số, tiếp theo là quá trình lượng tử hóa, bao gồm việc thay thế các giá trị mẫu tức thời S di thu được sau khi lấy mẫu bằng các giá trị gần nhất từ một tập hợp các mức cố định riêng lẻ (Hình 3). Lượng tử hóa cũng là lấy mẫu tín hiệu S q, nhưng không phải theo thời gian mà theo mức. Các mức cố định mà các mẫu được “liên kết” tới được gọi là các mức lượng tử hóa. Dải động của tín hiệu thay đổi S(t), chia theo mức lượng tử hóa thành các phạm vi giá trị riêng biệt (các bước lượng tử hóa), tạo thành thang lượng tử hóa.

Cái sau có thể là tuyến tính hoặc phi tuyến, tùy thuộc vào các điều kiện biến đổi. Việc làm tròn mẫu tới mức gần nhất (trên hoặc dưới) được xác định bởi vị trí của ngưỡng lượng tử hóa trong bước lượng tử hóa.

Tín hiệu được lấy mẫu và lượng tử hóa S dq đã ở dạng số. Thật vậy, nếu biên độ xung của tín hiệu được lấy mẫu S d có thể nhận bất kỳ giá trị tùy ý nào trong phạm vi động ban đầu của tín hiệu S(t), thì hoạt động lượng tử hóa đã dẫn đến việc thay thế các giá trị có thể có của biên độ tín hiệu với một số giá trị giới hạn bằng số mức lượng tử hóa. Như vậy, mẫu tín hiệu lượng tử hóa được biểu diễn bằng một số nhất định được xác định bởi số mức lượng tử hóa.

Để truyền tín hiệu như vậy qua các kênh liên lạc, tốt nhất nên chuyển đổi nó thành dạng nhị phân, tức là Viết từng giá trị mức tín hiệu vào hệ thống số nhị phân. Trong trường hợp này, số (giá trị cấp độ) được chuyển đổi thành tổ hợp mã của các ký tự “0” hoặc “1” (Hình 4). Đây là bước thứ ba, cuối cùng để chuyển đổi tín hiệu tương tự S(t) thành S dq số, gọi là mã hóa. .

Tất cả ba hoạt động này được thực hiện bởi một thiết bị kỹ thuật - bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC). Việc chuyển đổi ngược tín hiệu số sang tín hiệu tương tự được thực hiện trong một thiết bị gọi là bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự (DAC). Bộ chuyển đổi tương tự sang số và từ số sang tương tự là các khối không thể thiếu của bất kỳ hệ thống kỹ thuật số nào để truyền, lưu trữ và xử lý thông tin.

Khi mã hóa trực tiếp tín hiệu truyền hình, các tổ hợp mã được tạo với tần số bằng tần số lấy mẫu (tần số lấy mẫu f d). Mỗi tổ hợp mã tương ứng với một mẫu cụ thể và chứa một số m ký hiệu nhị phân (bit) nhất định. Từ mã có thể được truyền ở dạng song song hoặc nối tiếp. Để truyền ở dạng song song, phải sử dụng k đường truyền (trong hình 4 k = 4).

Các ký hiệu từ mã được truyền đồng thời dọc theo các đường trong khoảng thời gian lấy mẫu. Để truyền ở dạng nối tiếp, khoảng thời gian lấy mẫu phải được chia thành các khoảng nhỏ. Trong trường hợp này, các ký hiệu từ được truyền tuần tự dọc theo một đường và một chu kỳ xung nhịp được phân bổ để truyền một ký hiệu từ.

Khi truyền thông tin số qua các kênh truyền thông, tốc độ truyền là số ký hiệu nhị phân được truyền trên một đơn vị thời gian. Đơn vị của tốc độ là 1 bit/s. Tốc độ tín hiệu số có bằng tích của tốc độ lấy mẫu không? d và số ký hiệu nhị phân trong một mẫu rời rạc m:

Nếu tần số giới hạn trên của tín hiệu TV là 6 MHz thì tần số lấy mẫu tối thiểu, theo định lý Kotelnikov, là 12 MHz. Theo quy định, trong các hệ thống truyền hình kỹ thuật số, tần số f d được chọn cao hơn một chút so với mức tối thiểu cho phép. Điều này là do nhu cầu thống nhất tín hiệu truyền hình kỹ thuật số cho các tiêu chuẩn truyền hình khác nhau. Đặc biệt, tần số lấy mẫu được khuyến nghị là 13,5 MHz cho thiết bị kỹ thuật số phòng thu.

Số lượng mức lượng tử hóa tín hiệu phải được chọn không nhỏ hơn số lượng độ sáng tối đa mà mắt có thể nhận thấy được, tùy thuộc vào điều kiện quan sát, dao động từ 100 đến 200. Do đó m=6,6...7,6.

Rõ ràng, số ký tự trong tổ hợp mã chỉ có thể là số nguyên, nghĩa là độ rộng của tổ hợp mã là m=7 (hoặc 8). Trong trường hợp đầu tiên, tổ hợp mã có thể mang thông tin về 128 mức tín hiệu có thể có (độ sáng tăng dần), trong trường hợp thứ hai - 256. Nếu chúng ta lấy m = 8 thì tốc độ truyền thông tin số

Vn =13,5 8=108 (Mbit/s).

Nếu tính đến việc ngoài tín hiệu độ sáng, thông tin màu sắc phải được truyền đi thì tổng luồng kỹ thuật số sẽ tăng gấp đôi và bằng 216 Mbit/s. Cả thiết bị chuyển đổi tín hiệu TV và các kênh liên lạc đều phải có hiệu suất cao như vậy.

Việc truyền một luồng kỹ thuật số lớn như vậy qua các kênh liên lạc là không khả thi về mặt kinh tế, vì vậy nhiệm vụ tiếp theo là “nén” tín hiệu TV kỹ thuật số. Có khả năng giảm tốc độ bit mà không ảnh hưởng đến chất lượng của hình ảnh được tái tạo. Những khoản dự trữ này được chứa trong các thông số cụ thể của tín hiệu TV, có tính dư thừa thông tin đáng kể. Sự dư thừa này thường được chia thành thống kê và sinh lý, mặc dù có một số quy ước phân chia như vậy.

Dự phòng thống kê được xác định bởi các đặc tính của hình ảnh, trong trường hợp chung, không phải là sự phân bố độ sáng hỗn loạn mà được mô tả bởi các định luật thiết lập các kết nối (tương quan) nhất định giữa độ sáng của các phần tử riêng lẻ. Mối tương quan giữa các phần tử hình ảnh lân cận (trong không gian và thời gian) đặc biệt cao. Kiến thức về mối tương quan cho phép bạn tránh truyền lặp đi lặp lại cùng một thông tin và làm giảm luồng kỹ thuật số.

Loại thứ hai là dư thừa sinh lý -- được xác định bởi những hạn chế của bộ máy thị giác của con người. Có tính đến sự dư thừa sinh lý, có thể không truyền đi những thông tin tín hiệu mà thị giác của chúng ta không thể cảm nhận được.

Tương tự, sự không hoàn hảo của hệ thống thính giác của con người cho phép chúng ta “loại bỏ” thông tin âm thanh dư thừa trong tín hiệu.

LƯU Ý GIẢI THÍCH

"Xử lý tín hiệu số"

Hoàn thành bởi: Chunikhin V.A.

Nhóm: 5401 C349

Kiểm tra bởi: Kapustin A.S.

GIỚI THIỆU 7

PHẦN KẾT LUẬN. 34

PHỤ LỤC A... 36

TK - thông số kỹ thuật

AM - điều chế biên độ

PF - bộ lọc thông dải

GIỚI THIỆU

CHUYỂN ĐỔI TÍN HIỆU ĐÃ ĐIỀU CHỈNH THÀNH PHẠM VI BỔ SUNG. QUY TRÌNH ĐỂ THU ĐƯỢC TÍN HIỆU PHÂN TÍCH RIÊNG BIỆT (BỘ CHUYỂN ĐỔI HILBERT)

Bộ chuyển đổi Hilbert kỹ thuật số (DHC) là một hệ thống rời rạc tuyến tính tạo ra ở đầu ra một cặp tín hiệu rời rạc, liên hợp Hilbert (các pha tín hiệu khác nhau bởi ) trong một băng tần hoạt động nhất định.

Trong trường hợp của chúng tôi, dải hoạt động được chọn theo đường bao tần số thấp của dao động điều chế, Hình 21.

Hình 21 - Đường bao tín hiệu LF

Biểu đồ này thu được như sau:

A_m=abs(phức(x));

lô(t,A_m,"r-");lưới trên;

ylim([-0.5 9.5]);

title("phong bì LF");

Hãy xác định dải tần số, công thức (10).

thời lượng của toàn bộ xung ở đâu.

DPG có thể được triển khai trên cơ sở các bộ lọc FIR thuộc loại thứ 3 và thứ 4, đáp ứng pha của chúng cung cấp độ dịch pha là . Ưu tiên cho bộ lọc FIR loại 3, vì nó cho phép bạn nhận được phản hồi xung (IR), mỗi báo cáo thứ hai bằng 0, do đó làm giảm số lượng phép toán số học khi tính toán phản hồi của CPG, đó là rất quan trọng khi triển khai nó, chẳng hạn như trên bộ xử lý tín hiệu số (DSP).

Dựa trên bộ lọc FIR loại 3, chỉ có thể tổng hợp được bộ lọc thông dải (PF) và các yêu cầu cụ thể về đáp ứng tần số của CPG, so với các yêu cầu về đáp ứng tần số của PF, sẽ như sau :

1) Đáp ứng tần số của CPG phải đối xứng so với giữa dải tần số chính để thu được IH, mỗi mẫu thứ hai của nó bằng 0. Do đó, các yêu cầu về đáp ứng tần số của CPG được quy định một cách đối xứng với .

2) Băng tần hoạt động của CPG không được vượt quá băng thông của PF.

3) Độ lệch tối đa cho phép trong dải làm việc không được nhỏ hơn độ lệch tối đa cho phép trong PP.

4) Không cần thiết phải đặt sai lệch tối đa cho phép trong PP vì hiệu quả của CPG được đánh giá trong khu vực làm việc.

Theo yêu cầu về đáp ứng tần số, chúng ta sẽ tổng hợp CPG (PF) bậc tối thiểu bằng hàm FIR dựa trên bộ lọc FIR loại 3 ('hilbert') với tham số m bằng 'mineven':

lô_linh(R,b,Fs1);

Tham số R của chúng tôi, đặt thứ tự bộ lọc, cuối cùng bằng 24. Tần số được chọn như sau:

Fs1=220; - tần số lấy mẫu

fk1=10; - tần số cắt PZ1

ft1=20; - tần số cắt PP1

ft2=92; - tần số cắt PP2

fk2=102 – tần số cắt PZ2

Hàm sau được sử dụng để hiển thị biểu đồ:

hàm cốt truyện_fir(R,b,Fs1)

Thứ tự %R của bộ lọc FIR

% tần số lấy mẫu Fs1

fm=0:((Fs1/2)/200):Fs1/2;

Kết quả là IR, đáp ứng tần số và đáp ứng pha như sau, Hình 22.

Hình 22 – Đặc điểm của khí nhà kính

Quy trình này được thực hiện bằng cách nhân tín hiệu đã điều chế với , trong đó 38 MHz là tần số xảy ra sự dịch chuyển.

Điều này thu được như sau trong gói phần mềm MATLAB:

x1=z1.*cos(2*pi*38000000*t);

Thu thập phổ:

NFFT=2^nextpow2(độ dài(x1));

y=fft(x1,NFFT)/length(x1);

cốt truyện(f,2*abs(y(1:NFFT/2+1)));

xlim();

title("Phản hồi tần số đã thay đổi");

cốt truyện(f,2*abs(y(1:NFFT/2+1)));

xlim();

title("Tín hiệu đã thay đổi");

Chúng ta hãy mô tả phổ đầu ra, Hình 23.

Hình 23 - Phổ của tín hiệu điều chế sau khi dịch chuyển

Như có thể thấy trong Hình 23, phổ đối xứng xung quanh 3,8 MHz, có nghĩa đây thực sự là phổ AM.

Tiếp theo, chúng ta cần gửi tín hiệu của mình đến PG, trong đó ở đầu ra, chúng ta phải quan sát hai tín hiệu khác pha nhau một phần tư chu kỳ, sau đó chúng ta sẽ nhận được phần bù trực giao của tín hiệu, về mặt phân tích trông như thế này, công thức (11).

Hàm trong MATLAB thực hiện thao tác này là hàm pg.

trong đó x1 là tín hiệu được điều chế, thay đổi tần số.

Hãy để chúng tôi hiển thị đồ thị hiển thị .

cốt truyện(t,real(pg),"k"), lưới trên

cốt truyện(t,hình ảnh(pg),"--")

Chúng ta hãy mô tả kết quả trong Hình 24.

Hình 24 - Kết quả truyền tín hiệu qua PG ở tỷ lệ mở rộng

PHẦN KẾT LUẬN

Trong quá trình làm việc, các nguyên tắc cơ bản của xử lý tín hiệu số đã được nghiên cứu: số hóa, thu được phổ rời rạc, chuyển phổ sang tần số cao hơn, v.v. Học được các kỹ năng vận hành gói phần mềm MATLAB: tạo hàm, quản lý vectơ tần số và thời gian, đưa ra biểu đồ, mô tả biểu đồ, quy trình điều chế, tạo bộ lọc. Những kỹ năng này là cần thiết cho các nhà phát triển các hệ thống kỹ thuật số khác nhau. Bản chất của công việc là số hóa tín hiệu tương tự, chuyển nó qua kênh liên lạc đơn giản nhất và nhận nó ở đầu ra hệ thống.

PHỤ LỤC A

Danh sách chương trình MATLAB

Hàm xây dựng đặc tính SG:

hàm cốt truyện_fir(R,b,Fs1)

% Vẽ đồ thị đặc tính của bộ lọc FIR

Thứ tự %R của bộ lọc FIR

% b-vector của hệ số hàm truyền

% a=hệ số mẫu số của hàm truyền

% tần số lấy mẫu Fs1

subplot(3,1,1),gốc(n,b,"fill","MarkerSize",3),xlabel("n"),...

title("Phản hồi xung"), bật lưới;

fm=0:((Fs1/2)/200):Fs1/2;

H=tần số(b,a,fm,Fs1);MAG=abs(H);PHASE=góc(H);

subplot(3,1,2),plot(fm,MAG),xlabel("f(Hz)"),title("MAGNITUDE"),grid on;

subplot(3,1,3),plot(fm,PHASE),xlabel("f(Hz)"),title("PHASE"),grid on;

Mã chương trình chính:

%% Thông số xung

dF=80e6; % tần số lấy mẫu, Hz

dt=1/dF; % khoảng thời gian lấy mẫu, giây

%% Hình thành một mảng các mẫu thời gian

%% Xung vuông

x1=3*trực tràng(t-ti1/2,ti1);

lô(t,x1,"k"), lưới;

title("Xung hình chữ nhật");

ylim([-0.5 3.5]);

gốc(t,x1,"k."),lưới;

title("Xung hình chữ nhật (chữ số)");

ylim([-0.5 3.5]);

NFFT=2^nextpow2(độ dài(x1));

y1=fft(x1,NFFT)/độ dài(x1);

f=dF/2*linspace(0,1,NFFT/2+1);

cốt truyện(f,2*abs(y1(1:NFFT/2+1)));

title("đáp ứng tần số");

ylabel("y1(f)");

cốt truyện(f,góc(y1(1:NFFT/2+1)));

tiêu đề("FCH");

ylabel("y1(f)");

%% Xung hình sin

x2=4*sin(pi*(t-t11)/12e-3).*(t>=t11).*(t<=t22);

lô(t,x2,"k"), lưới;

title("Sóng hình sin");

ylim([-0.5 4.5]);

gốc(t,x2,"k."),lưới;

title("Sóng sin (chữ số)");

ylim([-0.5 4.5]);

NFFT=2^nextpow2(length(x2));

y2=fft(x2,NFFT)/độ dài(x2);

f=dF/2*linspace(0,1,NFFT/2+1);

% Vẽ phổ biên độ một phía

cốt truyện(f,2*abs(y2(1:NFFT/2+1)));

title("đáp ứng tần số");

ylabel("y2(f)");

cốt truyện(f,góc(y2(1:NFFT/2+1)));

tiêu đề("FCH");

ylabel("y2(f)");

%% Xung tam giác

lô(t,x3,"k"), lưới;

title("Xung tam giác");

ylim([-0.5 3.5]);

gốc(t,x3,"k."),lưới;

title("Xung tam giác (chữ số)");

ylim([-0.5 3.5]);

NFFT=2^nextpow2(length(x3));

y3=fft(x3,NFFT)/length(x3);

f=dF/2*linspace(0,1,NFFT/2+1);

% Vẽ phổ biên độ một phía

cốt truyện(f,2*abs(y3(1:NFFT/2+1)));

title("đáp ứng tần số");

ylabel("y3(f)");

cốt truyện(f,góc(y3(1:NFFT/2+1)));

tiêu đề("FCH");

ylabel("y3(f)");

%% Xung hình thang

lô(t,x4,"k"), lưới;

title("Xung hình thang");

ylim([-9,5 0,5]);

gốc(t,x4,"k."),lưới;

title("Xung hình thang (chữ số)");

ylim([-9,5 0,5]);

NFFT=2^nextpow2(length(x4));

y4=fft(x4,NFFT)/length(x4);

f=dF/2*linspace(0,1,NFFT/2+1);

% Vẽ phổ biên độ một phía

cốt truyện(f,2*abs(y4(1:NFFT/2+1)));

title("đáp ứng tần số");

ylabel("y4(f)");

cốt truyện(f,góc(y4(1:NFFT/2+1)));

tiêu đề("FCH");

ylabel("y4(f)");

%% Tổng xung

lô(t,x,"k"), lưới;

title("Tổng xung (được khôi phục)");

title("Tổng xung (chữ số)");

NFFT=2^nextpow2(length(x));

y=fft(x,NFFT)/length(x);

f=dF/2*linspace(0,1,NFFT/2+1);

cốt truyện(f,2*abs(y(1:NFFT/2+1)));

title("đáp ứng tần số");

cốt truyện(f,góc(y(1:NFFT/2+1)));

tiêu đề("FCH");

%% Thao tác biên độ

Fc=dF*5; % tần số sóng mang

t1=(0:length(x)*FsdF-1)/Fs;

% hình thành tín hiệu AMn

s_ask=x(sàn(dF*t1)+1.*cos(2*pi*Fc*t1));

lô(t1,s_ask,"k"), lưới;

ylim([-9.5 4.5]);

title("Thao tác biên độ");

NFFT=2^nextpow2(độ dài(s_ask));

y6=fft(s_ask,NFFT)/length(s_ask);

f=dF/2*linspace(0,1,NFFT/2+1);

cốt truyện(f,2*abs(y6(1:NFFT/2+1)));

title("đáp ứng tần số");

%% AM (thông qua chức năng ammod)

t=-1e-5:dt:28.3e-3; % báo cáo trục thời gian

Fc=10000; % tần số sóng mang

z1=ammod(x,Fc,dF,0,13);

lô(t,z1),lưới;

title("Điều chế biên độ");

NFFT=2^nextpow2(độ dài(z1));

y5=fft(z1,NFFT)/độ dài(z1);

f=dF/2*linspace(0,1,NFFT/2+1);

cốt truyện(f,2*abs(y5(1:NFFT/2+1)));

title("đáp ứng tần số");

A_m=abs(phức(x));

lô(t,A_m,"r-");lưới trên;

ylim([-0.5 9.5]);

title("phong bì LF");

%% Độ lệch tần số

x1=z1.*cos(2*pi*38000000*t);

NFFT=2^nextpow2(độ dài(x1));

y=fft(x1,NFFT)/length(x1);

f=dF/2*linspace(0,1,NFFT/2+1);

cốt truyện(f,2*abs(y(1:NFFT/2+1)));

xlim();

title("Phản hồi tần số đã thay đổi");

cốt truyện(f,2*abs(y(1:NFFT/2+1)));

xlim();

title("Đáp ứng tần số đã thay đổi (tăng thang đo)");

title("Tín hiệu đã thay đổi");

%% Đặc điểm của khí nhà kính

fk1=10;ft1=20;ft2=92;fk2=102; f=;

d2=0,1;d1=0,05;gợn sóng=;

Firpmord(f,m,ripple,Fs1);

Firgr(("mineven",R),f0,m0,ripple,"hilbert");

lô_linh(R,b,Fs1);

cốt truyện(t,real(pg),"k"), lưới trên

cốt truyện(t,hình ảnh(pg),"r-.")

legend("Phần thực","Phần ảo")

xlim()

cốt truyện(t,yout),lưới trên;

LƯU Ý GIẢI THÍCH

cho công việc khóa học trong kỷ luật

"Xử lý tín hiệu số"

Hoàn thành bởi: Chunikhin V.A.

Nhóm: 5401 C349

Kiểm tra bởi: Kapustin A.S.

1. Tiến hành lấy mẫu, số hóa tín hiệu đã cho;

2. Giới hạn phổ tín hiệu rời rạc;

4. Chuyển đổi tín hiệu đã điều chế sang dải tần số bổ sung;

5. Thực hiện quy trình thu tín hiệu phân tích rời rạc (SG);

6. Giải điều chế tín hiệu nhận được và so sánh với tín hiệu gốc.

Chúng ta hãy mô tả hình dạng của tín hiệu đã cho theo biến thể, Hình 1.

Hình 1 - Hình dạng của tín hiệu được chỉ định

Chúng ta sẽ thiết lập các tham số tín hiệu ở dạng bảng 1 và 2.

Bảng 1 - Thông số định thời tín hiệu

Chú thích: 43 trang, 28 hình, 4 nguồn, 2 bảng.

LẤY MẪU, PHỔ, ĐIỀU CHỈNH, CHUYỂN ĐỔI HILBERT, GIẢI ĐIỀU HÀNH.

Trong công trình này, đối tượng nghiên cứu sẽ là tín hiệu nhất định của chúng tôi. Các phép biến đổi sau sẽ được thực hiện với nó: số hóa, giới hạn phổ, điều chế, truyền phổ sang vùng HF, thu được tín hiệu phân tích rời rạc và giải điều chế. Nói cách khác, chúng ta sẽ xem xét kênh đơn giản nhất mà nhờ đó chúng ta đạt được mức điện tương đương với thông tin của mình bằng phương tiện kỹ thuật số. Khi điều chỉnh đường dẫn này, gói phần mềm MATLAB R2014a sẽ được sử dụng - đây là ngôn ngữ cấp cao và môi trường tương tác để lập trình, tính toán số và kết quả trực quan. Sử dụng MATLAB, bạn có thể phân tích dữ liệu, phát triển thuật toán cũng như tạo mô hình và ứng dụng. Ứng dụng của nó đang có nhu cầu lớn trong xử lý tín hiệu và truyền thông trên toàn thế giới. Vì vậy, việc lựa chọn môi trường phần mềm đều phụ thuộc vào nó. Tất cả các mã bằng văn bản được trình bày trong Phụ lục A.

GIỚI THIỆU 7

1.SỐ HÓA TÍN HIỆU ANALOG.. 8

2. GIỚI HẠN PHỔ TÍN HIỆU RIÊNG BIỆT.. 14

3. LỰA CHỌN ĐIỀU CHỈNH VÀ TÍNH TẦN SỐ ĐIỀU CHỈNH.. 21

4. CHUYỂN ĐỔI TÍN HIỆU ĐÃ ĐIỀU CHỈNH THÀNH PHẠM VI BỔ SUNG. QUY TRÌNH ĐỂ THU ĐƯỢC TÍN HIỆU PHÂN TÍCH RIÊNG BIỆT (BỘ CHUYỂN ĐỔI HILBERT) 24

5. GIẢI ĐIỀU CHỈNH TÍN HIỆU NHẬN VÀ SO SÁNH VỚI TÍN HIỆU GỐC.. 31

PHẦN KẾT LUẬN. 34

DANH MỤC NGUỒN SỬ DỤNG... 35

PHỤ LỤC A... 36

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ĐƯỢC SỬ DỤNG

FFT - biến đổi phạm vi nhanh

Đáp ứng tần số - đáp ứng biên độ-tần số

PFC – đáp ứng tần số pha

IR – đáp ứng xung

TK - thông số kỹ thuật

AM - điều chế biên độ

BAM - điều chế biên độ cân bằng

DPG – bộ chuyển đổi Hilbert kỹ thuật số

FIR – Đáp ứng xung hữu hạn

DSP – xử lý tín hiệu số

PF - bộ lọc thông dải

DFLP - bộ lọc thông thấp kỹ thuật số

GIỚI THIỆU

Trong thế giới hiện đại, mạch tương tự vẫn ở chế độ nền; giờ đây, mạch điện giống như một công cụ xây dựng LEGO hơn, bạn cần phải lắp ráp một cách chính xác và biết các đặc điểm của “công cụ xây dựng” này. Tuy nhiên, trước khi lắp ráp, bạn cần phát triển thiết bị này, mô phỏng nó, xem xét, chẳng hạn như phản ứng xung của nó, thăm dò nó bằng nhiều tín hiệu phức tạp khác nhau tùy thuộc vào yêu cầu của khách hàng, v.v. Những thiết bị này bao gồm nhiều hệ thống kỹ thuật số khác nhau. Hệ thống kỹ thuật số đề cập đến việc chuyển đổi tín hiệu tương tự thành một chuỗi số và xử lý chuỗi này sau đó.

Lọc kỹ thuật số cho phép bạn thực hiện các thuật toán xử lý tín hiệu phức tạp hơn lọc tương tự. Ví dụ: bộ vi xử lý hoặc vi điều khiển chuyên dụng có thể xử lý một chuỗi số.

Khóa học nhằm mục đích cung cấp cho sinh viên những kỹ năng thực tế trong lĩnh vực xử lý tín hiệu rời rạc và tín hiệu số.

SỐ HÓA TÍN HIỆU ANALOG

Để chuyển sang chế độ kỹ thuật số, bạn cần chọn tần số lấy mẫu. Theo định lý Kotelnikov, nó được tìm thấy như sau, công thức (1).

Tuy nhiên, khi làm việc với tín hiệu thực, tần số này không đủ và công thức 1 được chuyển thành dạng sau, công thức (2).

trong đó lần lượt chấp nhận bất kỳ số nguyên nào.

Trong công việc của chúng tôi, không có ích gì khi xem xét toàn bộ tập hợp xung để tìm phổ (tần số trên); chúng tôi chỉ có thể xem xét phổ có phổ rộng nhất, nghĩa là hẹp nhất trong miền thời gian. Trong tín hiệu này, đây là xung hình thang, có thời lượng chỉ bằng . Chúng ta hãy mô tả sự thúc đẩy này trong Hình 2.

Hình 2 - Xung hình thang

Khi xây dựng xung lực này, mô tả toán học sau đây đã được sử dụng trong chương trình Mathcad, công thức (3).

Bây giờ, bằng cách sử dụng biến đổi Fourier (FFT), chúng ta chuyển sang miền tần số, công thức (4).

Hãy xây dựng đáp ứng tần số, Hình 3.

Hình 3 - Đáp ứng tần số của xung hình thang

Bây giờ hãy lấy tần số trên theo thời lượng xung, công thức (5).

Để chứng minh rằng theo công thức (1), tần số lấy mẫu sẽ không đủ, trước tiên chúng ta hãy thử làm việc với nó, nghĩa là .

Sau khi bạn đã chọn tần số lấy mẫu, tần số này rất có thể sẽ phải tăng lên trong tương lai, vì ở tần số 2 kHz sẽ có lỗi trong quá trình tái tạo, bạn có thể chuyển sang MATLAB.

Để vẽ tín hiệu của chúng tôi trên trục thời gian với khoảng thời gian lấy mẫu trong MATLAB bạn cần chỉ định một mảng mẫu thời gian. Nó được cho như sau: t=-1e-5:dt:28.3e-3.

Bây giờ, hãy đặt từng xung lực của chúng ta và chỉ cần tổng hợp chúng ở cuối - chúng ta sẽ có được xung lực ban đầu.

Xung vuông:

ti1=7e-3; % Thời lượng xung

x1=3*trực tràng(t-ti1/2,ti1);

Xung hình sin:

x2=4*sin(pi*(t-t11)/12e-3).*(t>=t11).*(t<=t22);

Xung tam giác:

x3=3*tripuls((t-t22)-4e-3.8e-3);

Xung hình thang:

x4=-9*trapmf(t,);

Tổng xung:

Để hiển thị một biểu đồ, hãy sử dụng hàm vẽ, nó trông như thế này:plot(t,x,"k");

Trong đó t là mảng mẫu thời gian mà chúng ta đặt ở đầu, x là chính tín hiệu và 'k' có nghĩa là biểu đồ sẽ có màu đen. Chúng ta hãy mô tả biểu đồ kết quả trong Hình 4.

Hình 4 - Tổng xung (đã phục hồi)

Sự phục hồi xảy ra bằng định lý Kotelnikov, công thức (6).

Như có thể thấy trong Hình 4 với sự rời rạc hóa này, hình chữ nhật giống hình thang hơn, số 0 thứ hai bị thiếu và hình thang giống hình tam giác, nhưng quá trình khôi phục đã xảy ra với một lỗi lớn. Từ đó, chúng tôi kết luận rằng chúng tôi cần tăng tần suất lấy mẫu. Qua chọn lọc thử nghiệm, tần số lấy mẫu của chúng tôi phải tăng lên 50 lần, vì ở tần số lấy mẫu thấp hơn, thông tin về cạnh đầu của hình thang không rõ ràng, trông giống như một đường thẳng đứng. Điều này là do theo hướng dẫn, chúng ta có một khoảng thời gian rất nhỏ cho mặt trận này, chỉ 0,08 mili giây. Chúng ta hãy mô tả tín hiệu được tái tạo trong Hình 5.

Hình 5 - Xung tổng (được phục hồi) sau khi tăng tốc độ lấy mẫu

Chúng ta hãy mô tả nó ở dạng rời rạc, Hình 6.

Hình 6 - Xung tổng ở dạng số

Như có thể thấy từ hình này, một quá trình phục hồi tốt cần nhiều mẫu; để rõ ràng, chúng tôi cũng sẽ mô tả cạnh đầu của hình thang ở tỷ lệ phóng to và hiển thị số lượng mẫu cần thiết để phục hồi chính xác, Hình 7.

Hình 7 - Mặt trước của hình thang ở dạng rời rạc

Hình vẽ cho thấy cần 9 mẫu để tái tạo chính xác cạnh đầu.

Do đó, chúng tôi đã số hóa xung của mình, ở đây chúng tôi có thể tóm tắt rằng nhà thiết kế phải chọn tốc độ lấy mẫu đủ cao để tái tạo lại chính xác dạng sóng nhằm lưu giữ tất cả thông tin về nó. Đặc biệt nếu hình dạng tín hiệu đang thay đổi nhanh chóng.