Аналоговый и цифровой сигнал: что это такое, отличие, разница, примеры

Звук – что это?

Звук — это физическое явление. Это упругие волны механических колебаний, распространяющиеся в газовой, твердой или жидкой среде. Под звуком часто рассматриваются те вибрации, которые воспринимаются животными и людьми. Основными характеристиками звука считаются амплитуда и частотный спектр. У людей второй показатель колеблется в диапазоне 16-20 Гц — 15-20 кГц. Все, что ниже этого диапазона, называется инфразвуком, выше — ультразвуком (до 1 ГГц) или гиперзвуком (от 1 ГГц). Громкость звука формирует звуковое давление и его эффективность, форму колебаний и их частоту, но высота звука зависит от величины звукового давления и частоты.

Виды сигналов

Сигнал — это изменение физической величины во времени и пространстве. По сути, это коды для обмена данными в информационной и управленческой средах. Любой сигнал можно представить графически в виде функции. По линии на графике можно определить тип и характеристики сигнала. Аналоговый будет выглядеть как непрерывная кривая, цифровой — как ломаная прямоугольная линия, переходящая от нуля к единице. Все, что мы видим глазами и слышим ушами, поступает в виде аналогового сигнала.

Аналоговый сигнал

Зрение, слух, вкус, запах и тактильные ощущения приходят к нам в виде аналогового сигнала. Мозг управляет органами и получает от них информацию в аналоговой форме. В природе вся информация передается только таким образом.

В электронике аналоговый сигнал основан на передаче электричества. Некоторые значения напряжения соответствуют частоте и амплитуде звука, цвету и яркости света изображения и так далее. То есть цвет, звук или информация аналогичны электрическому напряжению.

Например: мы устанавливаем передачу цвета с определенным напряжением: синий 2 В, красный 3 В, зеленый 4 В. Изменяя напряжение, мы получаем изображение соответствующего цвета на экране.

В этом случае не имеет значения, идет ли сигнал по проводам или по радио. Передатчик отправляет непрерывно, а приемник обрабатывает аналоговую информацию. Получая непрерывный электрический сигнал по кабелям или радиосигнал по воздуху, приемник преобразует напряжение в соответствующий звук или цвет. Изображение отображается на экране или звук передается через динамик.

Дискретный сигнал

Дело в названии. Дискретный от латинского discretus, что означает прерывистый (разделенный). Можно сказать, что дискретная повторяет амплитуду аналоговой, но плавная кривая переходит в ступенчатую. Меняется во времени, остается непрерывным по величине или уровню без прерывания во времени.

Таким образом, в течение определенного периода времени (например, миллисекунды или секунды) дискретный сигнал будет иметь какое-то заданное значение. По истечении этого времени он резко изменится вверх или вниз и останется таким еще миллисекунду или секунду. И так непрестанно. Следовательно, дискретное преобразование в аналоговое. То есть на полпути к цифровому.

Цифровой сигнал

После дискретного преобразования следующим шагом аналогового преобразования был цифровой сигнал. Основная особенность — есть или нет. Вся информация преобразуется в сигналы, ограниченные по времени и амплитуде. Сигналы технологии цифровой передачи данных кодируются от нуля и единицы в разных версиях. А за основу берется бит, который принимает одно из этих значений. Бит из английской двоичной или двоичной цифры.

Но один бит имеет ограниченную способность передавать информацию, поэтому они были объединены в блоки. Чем больше битов в блоке, тем больше информации он несет. В цифровой технологии биты объединяются в количестве, кратном 8. Блок из восьми битов называется байтом. Байт — это небольшое значение, но он уже может хранить зашифрованную информацию обо всех буквах алфавита. Однако добавление всего одного бита удваивает количество комбинаций нуля и единицы. И если 8 бит делают возможными 256 вариантов кодирования, то 16 уже составляет 65536. Килобайт или 1024 байта ни в коем случае не малое значение.

ВНИМАНИЕ! Нет ошибки, что 1 КБ равен 1024 байтам. Так обстоит дело в среде двоичных вычислений. Но десятичная система очень распространена в мире, где килограмм равен 1000. Таким образом, есть также десятичный килобайт, равный 1000 байтам.

Много информации хранится в большом количестве объединенных байтов, плюс комбинации единиц и нулей, плюс закодированные. Таким образом, в 5–10 МБ (5000–10000 кБ) мы имеем данные музыкальной дорожки хорошего качества. Идите вперед, и фильм уже закодирован в 1000 МБ.

Но поскольку вся информация, которая окружает людей, является аналоговой, требуются усилия и какое-то устройство, чтобы привести ее в цифровую форму. Для этих целей был создан DSP (цифровой сигнальный процессор) или DSP (цифровой сигнальный процессор). Такой процессор есть в каждом цифровом устройстве. Первые появились в 70-х годах прошлого века. Методы и алгоритмы меняются и улучшаются, но принцип остается неизменным: преобразование аналоговых данных в цифровые.

Обработка и передача цифрового сигнала зависит от характеристик процессора: разрядности и скорости. Чем они выше, тем лучше будет сигнал. Скорость указывается в миллионах инструкций в секунду (MIPS), а хорошие процессоры достигают нескольких десятков MIPS. Скорость определяет, сколько единиц и нулей устройство может «втиснуть» за секунду и качественно передать непрерывную кривую аналогового сигнала. От этого зависит реалистичность изображения на телевизоре и звучание динамиков.

Создание и формирование

Для генерации сигналов часто требуются аналого-цифровые (АЦП) и цифро-аналоговые (ЦАП) преобразователи. Чаще всего они оба используются только в одной ситуации с использованием технологий DSP. В остальных случаях подходит только использование ЦАП.

При создании физических аналоговых кодов с дальнейшим использованием цифровых методов они опираются на полученную информацию, которая передается специальными устройствами.

Динамический диапазон

Диапазон сигнала рассчитывается как разница между верхним и нижним уровнями громкости, выраженная в децибелах. Это полностью зависит от произведения и характеристик исполнения. Речь идет как о музыкальных произведениях, так и о нормальных диалогах между людьми. Если взять, например, диктора, читающего новости, его динамический диапазон колеблется в районе 25-30 дБ. А при чтении песни может вырасти до 50 дБ.

Аналоговый и цифровой звук, в чем разница?

Во всех мыслимых областях цифровое отличается от аналогового непрерывностью; в цифровых системах изменения радикальны, потому что они основаны на единицах и нулях двоичной системы, включенных или выключенных, белых или черных, проходящих токах или токах гашения. Однако в аналоговой области изменения постепенные и постепенные, с постоянным сохранением преемственности.

Очень наглядный способ понять это, даже если мы на мгновение отойдем от звука, — это сделать снимок в качестве примера. Старомодную фотографию, сделанную на пленку и аналоговую камеру, которая появляется в темной комнате, можно увеличить почти до бесконечности даже при просмотре через расходомер, поддерживая непрерывный прогресс.

Напротив, фотография, сделанная цифровой камерой, или отсканированное изображение состоит из пикселей; по этой причине, когда мы видим его на экране в увеличенном виде, мы видим «квадраты», которые соответствуют этим пикселям и которые перемещают изображение, деформируя его и представляя прерывистый результат, даже если смотреть в соответствующем разрешении «обмануть» человеческий глаз и кажется, что это не так.

Если экстраполировать это на мир звука, произойдет нечто очень похожее. Интерполяция живого звука — это аналоговый процесс, потому что люди и окружающая среда требуют, чтобы он надежно собирался на аналоговых носителях, таких как винил или кассеты. Для передачи его на цифровые носители, такие как компакт-диски, файлы MP3 или даже файлы FLAC, аналоговый сигнал дискретизируется, то есть несколько отсчетов аналогового звука берутся и преобразуются в единицы и нули для создания последовательности, наиболее близкой к исходной. Проблема в том, что невозможно взять бесконечное количество семплов, и поэтому изменения всегда будут резче, чем при прослушивании аналоговой записи.

Аналоговый аудиосигнал

Слово аналог часто используется, когда говорят о подобных вещах. В звукозаписи термин аналоговый (аналоговый) означает «непрерывный» электрический сигнал, мгновенные значения которого постоянно изменяются в соответствии с непрерывными изменениями давления в аудиосигнале. А преобразование в этот электрический сигнал происходит благодаря акустоэлектрическим преобразователям.

Конечно, результирующая электрическая звуковая волна не идеальна и не является полной копией исходного звукового сигнала. Насколько он будет близок к оригиналу, зависит от микрофона и количества вносимых им искажений.

Рассмотрим фигуру:

Как видите, изменения аналогового электрического сигнала (колебания напряжения) «копируют» непрерывные колебания давления воздуха реальной звуковой волны (колебания давления).

Вычислительная техника

Если внимательно прочитать, нигде не написано, откуда взялось определение: аналог. На Западе этот термин используется компьютерными профессионалами с 1940-х годов. Первые компьютерные системы, получившие название цифровых, появились во время Второй мировой войны. И чтобы отличить это, ему пришлось придумывать новые эпитеты.

Концепция аналога появилась в мире бытовой техники только в начале 1980-х, когда были выпущены первые процессоры Intel и мир играл с игрушками на ZX-Spectrum, эмуляторе устройства, доступном сегодня в Интернете. Геймплей требовал необычайной усидчивости, сноровки и отличной реакции. Вместе с детьми они собирали ящики и били вражеских пришельцев и взрослых. Современные игры намного уступают ранним играм, которые на какое-то время захватили умы геймеров.

Звукозапись и телефония

В начале 80-х поп-музыка начала появляться в электронной обработке. Музыкальный телеграф был представлен публике в 1876 году, но не получил признания. Популярная музыка нравится публике в самом широком смысле этого слова. Телеграф мог издать одиночную ноту, передать ее на расстояние, где на ней играл динамик особой конструкции. Хотя Beatles использовали электронный орган в создании Sergeant Pepper, синтезатор вошел в употребление в конце 1970-х годов. По-настоящему популярным и цифровым инструментом он стал уже в середине 1980-х: вспомните Modern Talking. Синтезаторы, ранее использовавшиеся в аналоговых схемах, начиная с Novachord в 1939 году.

Таким образом, рядовому гражданину не нужно было различать аналоговые и цифровые технологии, пока последние не стали прочно использоваться. Слово «аналог» стало общественным достоянием с начала 1980-х годов. Что касается происхождения термина, то традиционно считается, что индекс был заимствован из телефонии, а затем перекочевал в звукозапись. Аналоговые колебания передаются прямо на говорящего, и голос сразу же слышен. Сигнал похож на человеческий язык, становясь электрическим аналогом.

Если подать на динамик цифровой сигнал, вы услышите неописуемую какофонию нот разных клавиш. Эта «речь» знакома каждому, кто загружал программы и игры с магнитной ленты в память компьютера. Он не похож на человека, потому что он цифровой. Что касается дискретного сигнала, то в простейших системах он отправляется непосредственно в громкоговоритель, который действует как интегратор. Успех или неудача бизнеса полностью зависит от правильных параметров.

В то же время термин фигурировал в звукозаписи, где музыка и голос шли прямо с микрофона на кассету. Магнитная запись стала аналогом настоящих художников. Виниловые пластинки похожи на музыкантов и до сих пор считаются лучшим носителем для любой композиции. Даже если они показывают ограниченную продолжительность. В наши дни компакт-диски часто содержат цифровой звук, который можно декодировать с помощью декодера. Согласно Википедии, новая эра началась в 1975 году (en.wikipedia.org/wiki/History_of_sound_recording).

Электрические измерения

В аналоговом сигнале существует пропорциональность между напряжением или током и откликом на устройстве воспроизведения. Таким образом, термин будет считаться производным от греческого аналога. Что означает «пропорциональный». Однако сравнение аналогично приведенному выше: сигнал подобен голосу, воспроизводимому динамиками.

Также в технике для обозначения аналоговых сигналов используется другой термин — непрерывный. Что соответствует приведенному выше определению.

Энергия потока

Поскольку аналоговый сигнал представляет собой непрерывный поток данных, его энергия бесконечна. Однако в качестве значения этой характеристики обычно используется среднее значение за определенный период времени, поэтому, например, переменный электрический ток в телефонной сети, отвечающий за передачу голоса, имеет среднее напряжение 60 В.

Взаимное преобразование сигналов

Еще одно определение аналогового сигнала — это его кажущаяся случайность, отсутствие видимых правил или сходство с некоторыми естественными процессами. Например, синусоида может описывать вращение Земли вокруг Солнца. Это аналоговый сигнал. В теории цепей и сигналов синусоида представлена ​​вращающимся вектором амплитуды. А фазы тока и напряжения разные: это два разных вектора, которые вызывают реактивные процессы. Что наблюдается в индукторах и конденсаторах.

Из определения следует, что аналоговый сигнал легко конвертируется в дискретный. Любой импульсный блок питания разрезает входное напряжение с розетки на жгуты. Поэтому он занимается преобразованием аналогового сигнала с частотой 50 Гц в дискретные ультразвуковые импульсы. Изменяя параметры резки, источник питания адаптирует выходные значения к потребностям электрической нагрузки.

Обратный процесс происходит внутри радиоприемника с амплитудным детектором. После выпрямления сигнала на диодах формируются импульсы разной амплитуды. Информация включается в конверт этого сигнала, линию, соединяющую верхние части сообщения. Фильтр отвечает за преобразование дискретных импульсов в аналоговое значение. Принцип основан на интегрировании энергии: в период наличия напряжения заряд конденсатора увеличивается, поэтому в промежутке между пиками генерируется ток за счет ранее накопленного запаса электронов. Результирующая волна отправляется в усилитель низких частот, а затем в динамики, где результат слышен другими.

Цифровой сигнал кодируется иначе. Здесь ширина импульса включается в машину слов. Состоит из нулей и единиц, требуется расшифровка. Операцией управляют электронные устройства: видеокарта, программные продукты. Все скачивали кодеки K-Lite из интернета, это так. Драйвер занимается декодированием цифрового сигнала и преобразованием его для вывода на динамики и дисплей.

Не нужно спешить с недоумением, когда адаптер называют 3D-ускорителем и наоборот. Первый преобразует только подаваемый сигнал. Например, за цифровым входом DVI всегда есть переходник. Он просто занят преобразованием чисел из единиц и нулей для отображения на матрице экрана. Получает информацию о яркости и значениях пикселей RGB. Что касается 3D-ускорителя, то устройство в составе имеет право (но не обязательно) содержать адаптер, но основная задача — сложные расчеты для построения трехмерных изображений. Эта методика позволяет загрузить центральный процессор и ускорить работу персонального компьютера.

Из аналогового в цифровой сигнал преобразуется в АЦП. Это происходит в программном обеспечении или внутри микросхемы. В отдельных системах сочетаются оба метода. Процедура начинается с отбора проб, попадающих в указанную область. Каждый преобразованный становится машинным словом, содержащим вычисленную цифру. Затем образцы упаковываются посылками, появляется возможность отправлять их другим абонентам сложной системы.

Правила выборки нормированы теоремой Котельникова, которая показывает максимальную частоту выборки. Чаще обратный отсчет запрещен, так как происходит потеря информации. Упрощенно, шестикратное превышение частоты дискретизации над верхней границей спектра сигнала считается достаточным. Увеличение запасов считается дополнительным преимуществом для обеспечения хорошего качества. Кто-нибудь видел указание частоты дискретизации аудиозаписи. Обычно параметр выше 44 кГц. Причина в особенностях человеческого слуха: верхняя граница спектра 10 кГц. Поэтому частоты дискретизации 44 кГц достаточно для посредственного воспроизведения звука.

Достоинства и недостатки аналогового звукового сигнала

Если говорить о преимуществах аналогового сигнала, такого как аудио и видео, то одно из них связано с тем, что именно в этом изображении и форме человек воспринимает его своим слуховым органом. И хотя человеческий слух позже преобразует сигнал в серию импульсов, передаваемых в мозг, современные технологии еще не научились обходить уши как основной орган слуха и передавать сигнал непосредственно в мозг. Хотя следует отметить, что эти исследования проводятся последние 70 лет и если они удачно вступят в брак, то с таким понятием, как человеческая глухота, она будет устранена, но пока каждый человек, который их слышит и полностью воспринимает, получает звуковые колебания в виде аналогового сигнала. То есть аналоговый аудиосигнал имеет глубину высоких частот, а также хороший баланс между высокими и низкими частотами.

Основная проблема и недостаток использования чистого аналогового сигнала — это его хранение, а также методы репликации и передачи. Запись на любое из аналоговых запоминающих устройств аудиоинформации подвержена размагничиванию и механическим повреждениям, поэтому через некоторое время записанная на них информация значительно снижает качество при их воспроизведении. Виниловые пластинки очень подвержены царапинам, и их копирование — довольно проблематичный и трудоемкий процесс. Создание копии аудиосигнала, записанного в аналоговом формате, почти то же самое, что его воссоздание.

Цифровой аудиосигнал

С одной стороны, мы уже поняли, что аналоговый аудиосигнал копирует реальный. Почему бы не оставить это и зачем изобретать что-то другое? Дело в том, что аналоговый сигнал сильно зависит от любых изменений напряжения. Следовательно, он абсолютно не защищен от помех, а во время передачи или копирования качество исходного аудиосигнала снижается. Кроме того, такие сигналы довольно сложно обрабатывать. Но у нас есть мощная вычислительная техника, такая как компьютер. А чтобы с его помощью обработать звук, необходимо преобразовать аудиосигнал из аналогового в цифровой.

Оборудование, которое позволяет хранить, обрабатывать и отправлять цифровой звук, называется цифровым оборудованием. А для оцифровки звука (как мы писали здесь в этой статье (читать) существуют специальные устройства — аналого-цифровые преобразователи (АЦП). Качество получаемого цифрового звука сильно зависит от их параметров. Параметры включают: битовая глубина: 16 бит, 24 бит, 32 с плавающей запятой и частота дискретизации (44100 Гц, 48 кГц, 96 кГц, 192 кГц, 384 кГц).

Преимущества и недостатки цифрового сигнала

Неоспоримыми преимуществами цифрового сигнала и звука, в частности, являются:

• Легко архивировать, копировать и тиражировать. Вы можете легко и быстро скопировать любой аудиофайл в цифровом формате с помощью смартфона или любого более простого компьютера;
• Возможность передавать его на расстояние без помех, искажения информации. Это стало очень легко с появлением беспроводных сетей, таких как Wi-Fi или Bluetooth.
• Копирование такого источника звука позволяет получить полную копию оригинала без отклонений и других возможных помех.
• Прецизионное хранение и передача. Если исходный сигнал несет информацию, равную дискретной единице, после копирования он будет отображаться как единица и ни в коем случае не будет нулевым.

Основным недостатком цифрового сигнала является то, что он является лишь промежуточным этапом в формировании окончательного аудиосигнала, и для его преобразования требуются специальные устройства ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь).

Следовательно, аналоговый и цифровой звук являются неотъемлемыми и взаимосвязанными величинами, которые улучшают и упрощают жизнь людей, и в особенности людей, связанных с музыкой. По крайней мере, до тех пор, пока человечество не научится передавать импульс непосредственно в человеческий мозг.

Особенности цифрового звука

Подобный способ регистрации появился еще в 80-х годах прошлого века. Для преобразования аналоговых колебаний в цифровую форму используется специальное устройство — АЦП. Он подключен к микрофону для кодирования частот в виде единиц и нулей. Полученные цифры записываются на вектор не непрерывным потоком, а дискретно (по координатам). Однако при прослушивании музыки эти данные декодируются АЦП.

Для хранения и воспроизведения оцифрованного звука используются различные носители, например CD-Audio, DVD, DSD. Также источниками являются WAVE, Ogg, MP3 и т.д.

Громкость в цифровом звуке

Громкость цифровых сигналов не должна превышать 0 дБ. Если не учитывать этот нюанс, получается перегрузка цифрового сигнала на входе или выходе. Это значение является наивысшей точкой, т. Е. Пиковым значением. Это позволяет записывать качественный звук и правильно его воспринимать. Если это значение будет превышено, сигнал будет искажен, и оборудование может быть повреждено из-за перегрузки.

Помимо точки пика, понятие объема также включает такой элемент, как среднеквадратичное значение. Эта концепция определяет фактический уровень громкости, который отражает плотность записи и предоставляет информацию о громкости, которую наш слух способен воспринимать. RMS указывается в децибелах, но с отрицательным значением: чем громче звук, тем выше числовое значение RMS (максимальная громкость — -6 дБ, максимальная тишина — -20 дБ). Оптимальные значения цифровой громкости: -12 дБ — -10 дБ.

Разрядность (битность)

Точность измерения амплитуды определяется количеством бит двоичного кода. Насколько это точно? Возьмем, к примеру, линейку с делениями всего 10 см. Если мерить ею спичечный коробок, мы примерно назовем его размеры. Но если этой линейкой измерить маршрут от города к городу (звучит смешно, но все же представьте), то ошибка уже не будет такой значительной. Аналогично при оцифровке звука. Чем выше точность измеряемого прибора, тем ближе результат к истине. Это особенно важно для небольших сигналов.

Таким образом, динамический диапазон, который можно ввести в 16Bit, составляет 96 дБ (например, уровень симфонического оркестра составляет около 110 дБ), а если вы возьмете 24Bit, он уже будет равен 144 дБ. Разрядность 32 с плавающей запятой или как ее еще называют с плавающей точкой — это те же 24 Bit, только остальные 8 Bit «с плавающей точкой» вверх или вниз и задают динамический диапазон.

Частота дискретизации

В разной литературе это название звучит как частота сэмплов, сэмплов, частота квантования. Согласно исследованиям Найквиста, Шеннона, Котельникова, для передачи полного спектра непрерывного сигнала эта частота должна быть как минимум вдвое выше самой высокой частоты колебания. Область слухового восприятия человека составляет от 20 Гц до 20 000 Гц, поэтому был разработан формат частоты дискретизации 44 100 Гц, известный всем по компакт-дискам. Сегодня уже есть исследования того, что психофизиология слухового восприятия может воспринимать более высокий частотный диапазон. Поэтому появились АЦП с частотой 192 кГц, 384 кГц.

Примеры цифровой аппаратуры:

К устройствам, работающим с цифровыми аудиосигналами, относятся:

• Компьютер
• Различные цифровые устройства: (множество цифровых плагинов: реверберация, хорус, задержка, симуляторы усилителей для электрогитары и т.д.)
• Цифровые микшеры и устройства воспроизведения (например, устройства записи мини-дисков, DAT-устройства, устройства записи компакт-дисков)
• Цифровые музыкальные инструменты: MIDI-клавиатуры, различные подобные устройства, которые можно подключить к компьютеру)
• Цифровые аудиокабели

Способы обработки цифрового звука

Цифровое аудио обрабатывается с использованием математических операций, которые применяются к отдельным аудиосэмплам или группам разной длины. Математические операции могут моделировать традиционные аналоговые средства обработки (смешение, сложение, усиление или ослабление, модуляция и т.д.) или альтернативные методы — спектральное разложение сигнала, коррекция частотных составляющих с обратной «сборкой» сигналов.

Цифровая обработка сигнала может быть линейной (выполняется в реальном времени на «живом» звуке) и нелинейной (выполняется с ранее записанным звуком). Звуки обрабатываются универсальными универсальными процессорами (Intel 8035, 8051, 80×86, Motorola 68xxx, SPARC) или специализированными устройствами цифровой сигнализации Analog Devices ADSP-xxxx, Texas Instruments TMS xxx, Motorola 56xxx и др.

Методы цифровой обработки сигналов следующие:

• линейная фильтрация;
• спектральный анализ;
• временной и частотный анализ;
• адаптивная фильтрация;
• нелинейная обработка;
• многоскоростная обработка;
• свертка;
• секционная свертка.