Цифровой или аналоговый

Сигналы используются для передачи информации от одного устройства к другому. В электротехнике это считается фундаментальным показателем, который представляет информацию. Если рассматривать понятие с точки зрения математики, сигнал представляет собой функцию, передающую информацию. При этом отличия аналогового сигнала от цифрового известны далеко не всем людям.

Аналоговый и цифровой сигналы современные телевизоры получают примерно одинаково – в форме электромагнитных импульсов. Они могут поступать на устройства с телевышки или через кабель провайдера. В обоих случаях люди получают возможность смотреть различные передачи и фильмы. Тем не менее, многие современные люди интересуются: кабельное телевидение – это цифровой или аналоговый сигнал?

Очень часто мы слышим такие определения, как «цифровой» или «дискретный» сигнал, в чем его отличие от «аналогового»?

Суть различия в том, что аналоговый сигнал непрерывный во времени (голубая линия), в то время как цифровой сигнал состоит из ограниченного набора координат (красные точки). Если все сводить к координатам, то любой отрезок аналогового сигнала состоит из бесконечного количества координат.

У цифрового сигнала координаты по горизонтальной оси расположены через равные промежутки времени, в соответствии с частотой дискретизации. В распространенном формате Audio-CD это 44100 точек в секунду. По вертикали точность высоты координаты соответствует разрядности цифрового сигнала, для 8 бит это 256 уровней, для 16 бит = 65536 и для 24 бит = 16777216 уровней. Чем выше разрядность (количество уровней), тем ближе координаты по вертикали к исходной волне.

Аналоговыми источниками являются: винил и аудиокассеты. Цифровыми источниками являются: CD-Audio, DVD-Audio, SA-CD (DSD) и файлы в WAVE и DSD форматах (включая производные APE, Flac, Mp3, Ogg и т.п.).

Описание аналогового ТВ

С пятидесятых годов прошлого века телевидение начало стремительно распространяться по миру. Еще сравнительно недавно использовался лишь один вид вещания – аналоговый. Сам термин произошел от сигнала с таким же названием. С его помощью удается передать изображение и звук.

Звук, оттенки, яркость представлены в виде стремительных изменений амплитуды, частоты и фазы потока. Он меняется в непрерывном диапазоне. Это значит, что телевизор передает шум и помехи. В этом кроется ключевой минус такого варианта передачи данных.

Аналоговое вещание может иметь несколько разновидностей:

Описание цифрового ТВ

Этим термином называют систему, которая помогает распространять сигналы в цифровом формате по проводным линиям. Это достигается за счет использования радиоволн. Информация о звуке и картинке трансформируется в последовательность импульсов, объединенных в пакете данных.

Такие комплекты отличаются высокой степенью информативности и характеризуются стойкостью к помехам. Они обеспечивают высокую точность сигнала, который передается независимо от влияния внешних факторов.

Чтобы расшифровать сигнал, со стороны приемника должен находиться дополнительный девайс. Это может быть тюнер или ресивер. Благодаря этому удается декодировать полученные сведения и трансформировать их в вид, который понятен обычному телевизору.

Цифровое телевидение подразумевает использование нескольких способов передачи информации. К ним относят следующее:

Аналого-цифровое преобразование сигнала для начинающих

Время на прочтение

Вступление

Темы аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразований являются достаточно важными в курсе электроники, поскольку большинство устройств, взаимодействующих с компьютером, имеют аналоговый вход/выход, а компьютер умеет обрабатывать исключительно цифровые сигналы. В этой статье я хочу поделиться с вами самыми основами таких преобразований.

Типы сигналов

Прежде чем разбираться в самих преобразованиях нужно знать, какие сигналы существуют. А их 3 типа:

Аналоговые – это сигналы непрерывные во времени, они определены во все моменты времени.
Дискретные – это сигналы представленные последовательностью отсчётов, т.е. значениями сигналов в дискретные моменты времени.
Цифровые – это сигналы дискретные во времени (или в пространстве) и квантованные по уровню. Вычислительные процедуры в компьютере выполняются именно в цифровых сигналах.

Для того, что бы компьютер мог выполнить обработку сигнала необходимо выполнить преобразование сигнала из аналоговой формы в цифровую.
После обработки выполняется обратное преобразование, поскольку большинство бытовых устройств управляются аналоговыми сигналами.

Структурная схема цифровой обработки сигнала в общем виде выглядит следующим образом:

Аналого-цифровое преобразование сигнала включает в себя два этапа:

На этапе дискретизации берутся отсчёты сигнала с некоторым периодом дискретизации (Т).
Частоту дискретизации можно определить по формуле

Процесс получения отсчёта входного сигнала должен занимать очень малую часть периода дискретизации, что бы снизить динамические ошибки преобразования, обусловленные изменением сигнала за время снятия отсчёта.

Частота дискретизации выбирается из теоремы Котельникова. В ней утверждается, что для того что бы по отсчётам сигнала можно было бы сколь угодно точно восстановить непрерывный сигнал необходимо что бы частота дискретизации не менее чем в два раза превосходила верхнюю частоту спектра дискретизируемого сигнала.

Любой сигнал имеет своё спектральное представление. Любое представление сигнала – это представление в виде суммы (или интеграла) гармонических составляющих (синусоид и косинусоид), различных частот взятых с определёнными весовыми коэффициентами (имеющими определённую амплитуду)
Для периодических сигналов это сумма, для непериодический – интеграл.
Переход к спектру сигнала осуществляется с помощью прямого преобразования Фурье.

Рассмотрим переход к спектральному представлению в виде периодической функции:

Как известно периодическая функция удовлетворяющая условию Дирихле может быть представлена рядом гармонических функций.

По формуле Эйлера любое выражение можно представить в виде

— комплексная амплитуда гармоники, где

— фазовый спектр.

Совокупность амплитуд гармоник ряда Фурье называется амплитудным спектром, а совокупность их фаз называется фазовым спектром.

Для непериодический функции

Прямое преобразование Фурье для непериодического сигнала

Таким образом спектр непериодической функции представляется суммой бесконечного количества гармонических колебаний, частоты которых расположены бесконечно близко друг к другу.

Квантование сигнала по уровню

Количество уровней квантования определяется по формуле

n — количество разрядов
N — уровень квантования

Выбор количества уровней квантования сигналов производится на основе компромиссного подхода, учитывающего с одной стороны необходимость достаточно точного представления сигнала, что требует большого числа уровней квантования, а с другой стороны количество уровней квантования должно быть меньше, что бы разрядность кода была минимальной.

На этом я закончу свою статью, что бы не перегружать читателя лишней информацией. Удачи в начинаниях!

Как ЦАП строят волну

ЦАП – это цифро-аналоговый преобразователь, элемент, переводящий цифровой звук в аналоговый. Мы рассмотрим поверхностно основные принципы. Если по комментариям будет виден интерес более подробно рассмотреть ряд моментов, то будет выпущен отдельный материал.

Мультибитные ЦАП

Очень часто волну представляют в виде ступенек, что обусловлено архитектурой первого поколения мультибитных ЦАП R-2R, работающих аналогично переключателю из реле.

На вход ЦАП поступает значение очередной координаты по вертикали и в каждый свой такт он переключает уровень тока (напряжения) на соответствующий уровень до следующего изменения.

Хотя считается, что ухо человека слышит не выше 20 кГц, и по теории Найквиста можно восстановить сигнал до 22 кГц, остается вопрос качества этого сигнала после восстановления. В области высоких частот форма полученной «ступенчатой» волны обычно далека от оригинальной. Самый простой выход из ситуации – это увеличивать частоту дискретизации при записи, но это приводит к существенному и нежелательному росту объема файла.

Альтернативный вариант – искусственно увеличить частоту дискретизации при воспроизведении в ЦАП, добавляя промежуточные значения. Т.е. мы представляем путь непрерывной волны (серая пунктирная линия), плавно соединяющий исходные координаты (красные точки) и добавляем промежуточные точки на этой линии (темно фиолетовые).

При увеличении частоты дискретизации обычно необходимо повышать и разрядность, чтобы координаты были ближе к аппроксимированной волне.

Благодаря промежуточным координатам удается уменьшить «ступеньки» и построить волну ближе к оригиналу.

Когда вы видите функцию повышения частоты с 44.1 до 192 кГц в плеере или внешнем ЦАП, то это функция добавления промежуточных координат, а не восстановления или создание звука в области выше 20 кГц.

Изначально это были отдельные SRC микросхемы до ЦАП, которые потом перекочевали непосредственно в сами микросхемы ЦАП. Сегодня можно встретить решения, где к современным ЦАП добавляется такая микросхема, это сделано для того, чтобы обеспечить альтернативу встроенным алгоритмам в ЦАП и порой получить еще более лучший звук (как например это сделано в Hidizs AP100).

Основной отказ в индустрии от мультибитных ЦАП произошел из-за невозможности дальнейшего технологического развития качественных показателей при текущих технологиях производства и более высокой стоимости против «импульсных» ЦАП-ов с сопоставимыми характеристиками. Тем не менее, в Hi-End продуктах предпочтение отдают зачастую старым мультибитным ЦАП-ам, нежели новым решениям с технически более хорошими характеристиками.

Импульсные ЦАП

В конце 70-тых широкое распространение получил альтернативный вариант ЦАП-ов, основанный на «импульсной» архитектуре – «дельта-сигма». Технология импульсных ЦАП-ов стала возможной появлению сверх-быстрых ключей и позволила использовать высокую несущую частоту.

Амплитуда сигнала является средним значением амплитуд импульсов (зеленым показаны импульсы равной амплитуды, а белым итоговая звуковая волна).

Например последовательность в восемь тактов пяти импульсов даст усредненную амплитуду (1+1+1+0+0+1+1+0)/8=0,625. Чем выше несущая частота, тем больше импульсов попадает под сглаживание и получается более точное значение амплитуды. Это позволило представить звуковой поток в однобитном виде с широким динамическим диапазоном.

Усреднение возможно делать обычным аналоговым фильтром и если такой набор импульсов подать напрямую на динамик, то на выходе мы получим звук, а ультра высокие частоты не будут воспроизведены из-за большой инертности излучателя. По этому принципу работают ШИМ усилители в классе D, где плотность энергии импульсов создается не их количеством, а длительностью каждого импульса (что проще в реализации, но невозможно описать простым двоичным кодом).

Мультибитный ЦАП можно представить как принтер, способный наносить цвет пантоновыми красками. Дельта-Сигма – это струйный принтер с ограниченным набором цветов, но благодаря возможности нанесению очень мелких точек (в сравнении с пантовым принтером), за счет разной плотности точек на единицу поверхности дает больше оттенков.

На изображении мы обычно не видим отдельных точек из-за низкой разрешающей способности глаза, а только средний тон. Аналогично и ухо не слышит импульсов по отдельности.

В конечном итоге при текущих технологиях в импульсных ЦАП можно получить волну, близкую к той, что теоретически должна получится при аппроксимации промежуточных координат.

Надо отметить, что после появления дельта-сигма ЦАП исчезла актуальность рисовать «цифровую волну» ступеньками, т.к. так ступеньками волну современные ЦАП не строят. Правильно дискретный сигнал строить точками соединенной плавной линией.

Являются ли идеальными импульсные ЦАП?

Но на практике не все безоблачно, и существует ряд проблем и ограничений.

Т.к. подавляющее количество записей сохранено в многоразрядном сигнале, то перевод в импульсный сигнал по принципу «бит в бит» требует излишне высокую несущую частоту, которую современные ЦАП не поддерживают.

Основной функцией современных импульсных ЦАП является перевод многоразрядного сигнала в однобитный с относительно невысокой несущей частотой с прореживанием данных. В основном именно эти алгоритмы и определяют конечное качество звучания импульсных ЦАП-ов.

Чтобы уменьшить проблему высокой несущей частоты, звуковой поток разбивается на несколько однобитных потоков, где каждый поток отвечает за свою группу разряда, что эквивалентно кратному увеличению несущей частоты от числа потоков. Такие ЦАП называются мультибитными дельта-сигма.

Сегодня импульсные ЦАП-ы получили второе дыхание в быстродействующих микросхемах общего назначения в продуктах компаний NAD и Chord за счет возможности гибко программировать алгоритмы преобразования.

Виды сигналов

Сегодня известно несколько разновидностей сигналов, передающих информацию. Каждый из них имеет свои особенности. Это требуется принимать во внимание при выборе конкретных устройств и девайсов.

Аналоговый

Если говорить простым языком, запах, вкус, слух воспринимаются людьми в виде аналоговых сигналов. Мозг управляет органами и получает от них сведения в аналоговом виде. Все данные в природы распространяются именно так.

В электронике аналоговый сигнал базируется на передаче электричества. Конкретным параметрам напряжения отвечают частота и амплитуда звука, оттенок и насыщенность света. Это означает, что звук или информация представляют собой аналоги электрического напряжения.

Аналоговым называют непрерывный сигнал, который со временем изменяется. Этот параметр сложно анализировать, поскольку для него характерно большое количество значений. В структуру входят положительные и отрицательные значения. К тому же аналоговое устройство отличается высоким потреблением энергии. Обычно аналоговые сигналы отличаются тенденцией к снижению качества передачи в силу искажения. В качестве типичного примера такого сигнала в жизни людей стоит привести человеческий голос.

Цифровой

Цифровой сигнал является прерывистым и дискретным. Для него характерна форма прямоугольной волны. Эта величина представляет информацию в двоичной форме, состоящей из нулей и единиц. При этом 1 – это высокие значения, а 0 – низкие. Для этих сигналов не характерны отрицательные значения, чем они и отличаются от аналоговых.

Применение аналоговых параметров для связи часто становится причиной проблем. Так, сложно устанавливать связь на внушительные расстояния. Это обусловлено наличием помех и искажением. Цифровые сигналы считаются прекрасным решением. Они в меньшей степени подвергаются искажениям. Таким образом, аналоговые значения трансформируются в цифровые для более точной и четкой связи. Современные смартфоны, компьютеры и прочие девайсы работают с использованием цифровых сигналов.

Для приведения аналоговой информации в цифровую форму применяются специальные устройства. Для этого используют DSP, или digital signal processor. Он присутствует во всех цифровых устройствах. Первые изделия были придуманы еще в семидесятые годы двадцатого века. Методики и алгоритмы постоянно изменяются и улучшаются, однако принцип остается неизменным – аналоговая информация трансформируется в цифровую.

Обработка и распространение цифрового сигнала определяется параметрами процессора. При этом имеют значение разрядность и скорость. Чем выше эти показатели, тем более качественным будет сигнал. Скорость приводится в MIPS. У качественных процессоров она достигает нескольких десятков. Именно от скорости зависит качество изображения в телевизоре и звука в динамике.

Ключевые отличия

Рассматриваемые виды технологий характеризуются рядом особенностей и отличий. В этом требуется разбираться многим современным людям.

По способу передачи данных

Один сигнал отличается от другого по особенностям передачи информации. К примеру, звук и изображение представляют собой аналоговые сигналы. Камера и микрофон воспринимают окружающую действительность, трансформируя ее в электромагнитные колебания. На частоту колебаний на выходе влияет частота звука и света. На амплитуде передачи отражаются яркость и громкость.

Картинка и звук, которые трансформируются в электромагнитные колебания, передаются в пространство при помощи антенны. При этом в приемнике протекает обратный процесс трансформации электромагнитных колебаний в видео и звук.

Распространение электромагнитных колебаний может нарушаться из-за грозы, рельефа, облаков. Также к возможным помехам относят ветер и рельеф местности. Частота и амплитуда часто подвергаются искажениям. Как следствие, сигнал от передатчика к приемнику поступает с изменениями.

Изображение и голос аналогового сигнала воспроизводятся с искажениями, которые связаны с помехами. При этом фоном могут быть хрипы, искажение цветов, шипение. Чем ниже качество приема, тем более четкими получаются посторонние эффекты. Если информация дошла, то ее хотя бы как-то удается увидеть и услышать.

При цифровой передаче звук и изображение перед выходом в эфир оцифровываются. Потому к приемнику они поступают без искажений. При этом воздействие внешних факторов является минимальным. Цвет и звук имеют высокое качество или их вообще нет.

Сигнал обязательно передается на определенное расстояние. Однако для передачи на внушительную дистанцию требуется целый ряд ретранслирующих устройств. Потому для распространения сотового сигнала антенны располагают максимально близко друг к другу.

По применению

Разница между рассматриваемыми типами сигналов затрагивает и сферу их применения. Прежде всего, их используют при создании вычислительной техники. Впервые аналоговые устройства для вычислений придумали еще в тридцатые годы прошлого века. Они представляли собой весьма примитивные приборы, которые предназначались для реализации специализированных задач. Аналоговые компьютеры были придуманы в сороковых годах, а получили широкое распространение – в шестидесятых.

Иногда аналоговые компьютеры применяют и сегодня. Они могут использоваться для решения задач, в которых точность обмена результатами вычислений не особенно важна. При этом в начале двадцать первого века на смену аналоговым пришли цифровые технологии. При создании вычислительной техники смешанные аналоговые и цифровые сигналы используют только для обработки информации на основе ряда микросхем.

Если рассматривать сферу звукозаписи и телефонии, тут тоже имеются особенности. Аналоговые технологии применяются в виниловых пластинках и магнитных лентах. Такие изделия выпускают по сей день. Они весьма востребованы у целого ряда ценителей.

Еще одним примером рассматриваемых технологий являются микшеры и синтезаторы звука. При этом сегодня для изготовления таких устройств преимущественно применяют цифровые технологии. Использование аналоговых сигналов обычно связано с предрассудками и привычками. Бытует мнение, что цифровая запись пока не сумела добиться требуемого эффекта полноценной передачи музыки. Он характерен только для аналоговых технологий.

Сравнение аналога и цифры

Разница между рассматриваемыми видами сигналов затрагивает ряд характерных особенностей.

Качество сигнала

Важным отличием цифры считается качество сигнала. Она вначале кодирует картинку и звук и только потом передает в форме цифровой информации, исказить которую не представляется возможным. Если цифровой сигнал попал к приемнику, высокое качество изображения гарантированно.

Таким образом, цифровое телевидение передает картинку с максимально возможной точностью. При этом она получается детализированной и яркой. К тому же цифра обеспечивает точную передачу цветов. Картинка при этом не уступает по параметрам изображению, которое воспроизводится с цифровых носителей или передается посредством кабеля. Раньше подобные возможности для эфирного телевещания отсутствовали.

Аналоговый сигнал конкретного канала требует организации передачи на конкретной эфирной частоте. Это означает, что для каждого из них необходим конкретный диапазон. Потому количество доступных каналов считается ограниченным. Это связано с тем, что физическая возможность обеспечить отдельную полосу для телекомпаний, которые занимаются эфирным вещанием, отсутствует.

Карнаух Екатерина Владимировна

Закончила Национальный университет кораблестроения, специальность «Экономика предприятия»

В цифре на одной частоте удается передавать пакет из десятка каналов. Это означает, что вместо одного аналогового удается запустить десяток цифровых ресурсов. При этом качество вещания значительно улучшается.

Затраты

Цифра отличается от аналога высокой стоимостью. Потому для многих людей этот вид телевидения остается недоступным. Чтобы принимать видео высокой четкости, требуется покупать ресивер или дорогой телевизор.

Чтобы принимать аналоговое вещание, стоит использовать VHF-антенну, которая отличается доступной стоимостью. Также потребуется любое устройство, которое поддерживает вывод изображения. Потому этот вид распространения информации считается доступным и требует меньше затрат.

Популярность

Распространение цифровых источников информации только увеличивается. Несмотря на высокую стоимость оборудования, их начинает использовать много людей. Это связано с тем, что цифра обеспечивает качественное изображение и чистый звук. При этом аналоговое вещание еще сохраняет свои позиции во многих регионах.

Максимальное разрешение

Аналоговые каналы поддерживают только разрешение SD – 720 x 576. Цифровое вещание, помимо указанного формата, способно работать в таких разрешениях:

Формат DSD

После широкого распространения дельта-сигма ЦАП-ов вполне логичным было и появления формата записи двоичного кода напрямую дельта-сигма кодировке. Этот формат получил название DSD (Direct Stream Digital).

Широкого распространения формат не получил по нескольким причинам. Редактирование файлов в этом формате оказалось излишне ограниченным: нельзя микшировать потоки, регулировать громкость и применять эквализацию. А это значит, что без потери качества можно лишь архивировать аналоговые записи и производить двухмикрофонную запись живых выступлений без последующей обработки. Одним словом – денег толком не заработать.

В борьбе с пиратством диски формата SA-CD не поддерживались (и не поддерживаются до сих пор) компьютерами, что не позволяет делать их копии. Нет копий – нет широкой аудитории. Воспроизвести DSD аудиоконтент можно было только с отдельного SA-CD проигрывателя с фирменного диска. Если для PCM формата есть стандарт SPDIF для цифровой передачи данных от источника к отдельному ЦАП, то для DSD формата стандарта нет и первые пиратские копии SA-CD дисков были оцифровками с аналоговых выходов SA-CD проигрывателей (хоть ситуация и кажется глупой, но на деле некоторые записи выходили только на SA-CD, либо та же запись на Audio-CD специально была сделана некачественно для продвижения SA-CD).

Переломный момент произошел с выходом игровых приставок SONY, где SA-CD диск до воспроизведения автоматически копировался на жесткий диск приставки. Этим воспользовались поклонники формата DSD. Появление пиратских записей простимулировало рынок на выпуск отдельных ЦАП для воспроизведения DSD потока. Большинство внешних ЦАП с поддержкой DSD на сегодняшний день поддерживает передачу данных по USB используя формат DoP в виде отдельного кодирования цифрового сигнала через SPDIF.

Несущие частоты для DSD сравнительно небольшие, 2.8 и 5.6 МГц, но этот звуковой поток не требует никаких преобразований с прореживанием данных и вполне конкурентно-способен с форматами высокого разрешения, такими как DVD-Audio.

На вопрос что лучше, DSP или PCM однозначного ответа нет. Все упирается в качество реализации конкретного ЦАП и таланта звукорежиссера при записи конечного файла.

Преимущества и недостатки

Каждая из рассматриваемых величин отличается определенными преимуществами и недостатками.

У аналогового сигнала

Плюсом этого вида сигнала считается то, что именно в аналоговом виде люди воспринимают звуки. Несмотря на то, что слуховая система людей трансформирует звуковой поток в цифровой вид и именно в таком виде он попадает в мозг, современные устройства не позволяют в таком виде напрямик подключать источники звука.

Минусом аналог-сигнала считается ограничение возможностей по его хранению и передаче. В случае записи на виниловую пластинку или магнитную ленту качественные характеристики звучания будут зависеть от параметров материала. Спустя некоторое время лента теряет свои магнитные свойства, что приводит к ухудшению качества записанного звука. По мере увеличения числа считываний носитель разрушается. При этом перезапись вносит ряд искажений.

У цифрового

Минусом цифры считается то, что звук в таком виде представляет собой промежуточный этап. На точность итогового аналогового сигнала влияет точность описания звуковой волны при помощи координат. Чем больше точек используется, тем точнее получится волна. Однако по сей день нет одного мнения, какое число координат является достаточным.

При этом цифровые технологии обладают и большим количеством преимуществ. Главным плюсом считается высокое качество звука и изображения, которое передается. К тому же цифровое телевидение позволяет просматривать большое число телеканалов – до 130. К тому же цифра позволяет просматривать телеканалы в HD-качестве. Для этого только требуется иметь Cam-модуль. Аналоговые технологии не могут похвастаться такими высокими параметрами.

Что лучше использовать

При выборе конкретного варианта для использования требуется учитывать следующее:

Аналоговые и цифровые сигналы характеризуются множеством особенностей и отличий. Разница между ними заключается в способах распространения информации и сферах применения. Также есть определенные отличия в качественных характеристиках поступающей информации. Это рекомендуется учитывать при выборе конкретных девайсов.

Преимущества и недостатки цифрового сигнала

К преимуществам цифрового сигнала относится точность при копировании и передачи звукового потока, где оригинал ничем не отличается от копии.

Основным недостатком можно считать то, что сигнал в цифровом виде является промежуточной стадией и точность конечного аналогового сигнала будет зависеть от того, насколько подробно и точно будет описана координатами звуковая волна. Вполне логично, что чем больше будет точек и чем точнее будут координаты, тем более точной будет волна. Но до сих пор нет единого мнения, какое количество координат и точность данных является достаточным для того, что бы сказать, что цифровое представление сигнала достаточно для точного восстановления аналогового сигнала, неотличимого от оригинала нашими ушами.

Если оперировать объемами данных, то вместимость обычной аналоговой аудиокассеты составляет всего около 700-1,1 Мб, в то время как обычный компакт диск вмещает 700 Мб. Это дает представление о необходимости носителей большой емкости. И это рождает отдельную войну компромиссов с разными требованиями по количеству описывающих точек и по точности координат.

На сегодняшний день считается вполне достаточным представление звуковой волны с частотой дискретизации 44,1 кГц и разрядности 16 бит. При частоте дискретизации 44,1 кГц можно восстановить сигнал с частотой до 22 кГц. Как показывают психоакустические исследования, дальнейшее повышение частоты дискретизации мало заметно, а вот повышение разрядности дает субъективное улучшение.

Телевидение уже почти полностью оцифровано. Современные фильмы и телепередачи снимаются в форматах, которые не поддерживают ATV. Предыдущий тип вещания не способен передавать краски и спецэффекты в звуке или картинке.

Несмотря на очевидные достоинства, цифра характеризуется и рядом недостатков. Это, прежде всего, связано с высокой стоимостью технологии. Для многих людей такой тип вещания остается частично или полностью недоступным. Для приема четких видео требуется использовать ресивер или современный телевизор, который стоит очень дорого.

Тем не менее, при выборе конкретного варианта сигнала стоит проанализировать особенности каждого из них. Для аналогового вещания характерны следующие особенности:

Цифровой сигнал характеризуется такими параметрами:

Цифровое и аналоговое телевидение представляют собой распространенные технологии, которые применяет много людей. Они характеризуются рядом отличий, которые затрагивают качество картинки и звука, особенности передачи сигнала, степень распространенности. Тем не менее, новые цифровые технологии постепенно вытесняют устаревшие аналоговые, и этот процесс будет только ускоряться.

Цифровое представление аналогового аудиосигнала. Краткий ликбез

Дорогие читатели, меня зовут Феликс Арутюнян. Я студент, профессиональный скрипач. В этой статье хочу поделиться с Вами отрывком из моей презентации, которую я представил в университете музыки и театра Граца по предмету прикладная акустика.

Рассмотрим теоретические аспекты преобразования аналогового (аудио) сигнала в цифровой.
Статья не будет всеохватывающей, но в тексте будут гиперссылки для дальнейшего изучения темы.

Чем отличается цифровой аудиосигнал от аналогового?

Аналоговый (или континуальный) сигнал описывается непрерывной функцией времени, т.е. имеет непрерывную линию с непрерывным множеством возможных значений (рис. 1).

Цифровой сигнал — это сигнал, который можно представить как последовательность определенных цифровых значений. В любой момент времени он может принимать только одно определенное конечное значение (рис. 2).

Аналоговый сигнал в динамическом диапазоне может принимать любые значения. Аналоговый сигнал преобразуется в цифровой с помощью двух процессов — дискретизация и квантование. Очередь процессов не важна.

Дискретизацией называется процесс регистрации (измерения) значения сигнала через определенные промежутки (обычно равные) времени (рис. 3).

Квантование — это процесс разбиения диапазона амплитуды сигнала на определенное количество уровней и округление значений, измеренных во время дискретизации, до ближайшего уровня (рис. 4).

Дискретизация разбивает сигнал по временной составляющей (по вертикали, рис. 5, слева).
Квантование приводит сигнал к заданным значениям, то есть округляет сигнал до ближайших к нему уровней (по горизонтали, рис. 5, справа).

Эти два процесса создают как бы координатную систему, которая позволяет описывать аудиосигнал определенным значением в любой момент времени.
Цифровым называется сигнал, к которому применены дискретизация и квантование. Оцифровка происходит в аналого-цифровом преобразователе (АЦП). Чем больше число уровней квантования и чем выше частота дискретизации, тем точнее цифровой сигнал соответствует аналоговому (рис. 6).

Уровни квантования нумеруются и каждому уровню присваивается двоичный код. (рис. 7)

Количество битов, которые присваиваются каждому уровню квантования называют разрядностью или глубиной квантования (eng. bit depth). Чем выше разрядность, тем больше уровней можно представить двоичным кодом (рис. 8).

Данная формула позволяет вычислить количество уровней квантования:

Если N — количество уровней квантования,
n — разрядность, то

Обычно используют разрядности в 8, 12, 16 и 24 бит. Несложно вычислить, что при n=24 количество уровней N = 16,777,216.

При n = 1 аудиосигнал превратится в азбуку Морзе: либо есть «стук», либо нету. Существует также разрядность 32 бит с плавающей запятой. Обычный компактный Аудио-CD имеет разрядность 16 бит. Чем ниже разрядность, тем больше округляются значения и тем больше ошибка квантования.

Ошибкой квантований называют отклонение квантованного сигнала от аналогового, т.е. разница между входным значением

и квантованным значением

Большие ошибки квантования приводят к сильным искажениям аудиосигнала (шум квантования).

Чем выше разрядность, тем незначительнее ошибки квантования и тем лучше отношение сигнал/шум (Signal-to-noise ratio, SNR), и наоборот: при низкой разрядности вырастает шум (рис. 9).

Разрядность также определяет динамический диапазон сигнала, то есть соотношение максимального и минимального значений. С каждым битом динамический диапазон вырастает примерно на 6dB (Децибел) (6dB это в 2 раза; то есть координатная сетка становиться плотнее, возрастает градация).

рис. 10. Интенсивность шумов при разрядности 6 бит и 8 бит

Ошибки квантования (округления) из-за недостаточного количество уровней не могут быть исправлены.

амплитуда сигнала при разрядности 1 бит (сверху) и 4 бит

Аудиопример 1: 8bit/44.1kHz, ~50dB SNR
примечание: если аудиофайлы не воспроизводятся онлайн, пожалуйста, скачивайте их.

Аудиопример 2: 4bit/48kHz, ~25dB SNR

Аудиопример 3: 1bit/48kHz, ~8dB SNR

Теперь о дискретизации.

Как уже говорили ранее, это разбиение сигнала по вертикали и измерение величины значения через определенный промежуток времени. Этот промежуток называется периодом дискретизации или интервалом выборок. Частотой выборок, или частотой дискретизации (всеми известный sample rate) называется величина, обратная периоду дискретизации и измеряется в герцах. Если
T — период дискретизации,
F — частота дискретизации, то

Чтобы аналоговый сигнал можно было преобразовать обратно из цифрового сигнала (точно реконструировать непрерывную и плавную функцию из дискретных, «точечных» значении), нужно следовать теореме Котельникова (теорема Найквиста — Шеннона).

Теорема Котельникова гласит:

Если аналоговый сигнал имеет финитный (ограниченной по ширине) спектр, то он может быть восстановлен однозначно и без потерь по своим дискретным отсчетам, взятым с частотой, строго большей удвоенной верхней частоты.

Вам знакомо число 44.1kHz? Это один из стандартов частоты дискретизации, и это число выбрали именно потому, что человеческое ухо слышит только сигналы до 20kHz. Число 44.1 более чем в два раза больше чем 20, поэтому все частоты в цифровом сигнале, доступные человеческому уху, могут быть преобразованы в аналоговом виде без искажении.

Но ведь 20*2=40, почему 44.1? Все дело в совместимости с стандартами PAL и NTSC. Но сегодня не будем рассматривать этот момент. Что будет, если не следовать теореме Котельникова?

Когда в аудиосигнале встречается частота, которая выше чем 1/2 частоты дискретизации, тогда возникает алиасинг — эффект, приводящий к наложению, неразличимости различных непрерывных сигналов при их дискретизации.

Как видно из предыдущей картинки, точки дискретизации расположены так далеко друг от друга, что при интерполировании (т.е. преобразовании дискретных точек обратно в аналоговый сигнал) по ошибке восстанавливается совершенно другая частота.

Аудиопример 4: Линейно возрастающая частота от ~100 до 8000Hz. Частота дискретизации — 16000Hz. Нет алиасинга.

Аудиопример 5: Тот же файл. Частота дискретизации — 8000Hz. Присутствует алиасинг

Пример:
Имеется аудиоматериал, где пиковая частота — 2500Hz. Значит, частоту дискретизации нужно выбрать как минимум 5000Hz.

Следующая характеристика цифрового аудио это битрейт. Битрейт (bitrate) — это объем данных, передаваемых в единицу времени. Битрейт обычно измеряют в битах в секунду (Bit/s или bps). Битрейт может быть переменным, постоянным или усреднённым.

Следующая формула позволяет вычислить битрейт (действительна только для несжатых потоков данных):

Битрейт = Частота дискретизации * Разрядность * Количество каналов

Например, битрейт Audio-CD можно рассчитать так:
44100 (частота дискретизации) * 16 (разрядность) * 2 (количество каналов, stereo)= 1411200 bps = 1411.2 kbit/s

При постоянном битрейте (constant bitrate, CBR) передача объема потока данных в единицу времени не изменяется на протяжении всей передачи. Главное преимущество — возможность довольно точно предсказать размер конечного файла. Из минусов — не оптимальное соотношение размер/качество, так как «плотность» аудиоматериала в течении музыкального произведения динамично изменяется.

При кодировании переменным битрейтом (VBR), кодек выбирает битрейт исходя из задаваемого желаемого качества. Как видно из названия, битрейт варьируется в течение кодируемого аудиофайла. Данный метод даёт наилучшее соотношение качество/размер выходного файла. Из минусов: точный размер конечного файла очень плохо предсказуем.

Усреднённый битрейт (ABR) является частным случаем VBR и занимает промежуточное место между постоянным и переменным битрейтом. Конкретный битрейт задаётся пользователем. Программа все же варьирует его в определенном диапазоне, но не выходит за заданную среднюю величину.

ABR подходит для пользователей, которым нужны преимущества кодирования VBR, но с относительно предсказуемым размером файла. Для ABR обычно требуется кодирование в 2 прохода, так как на первом проходе кодек не знает какие части аудиоматериала должны кодироваться с максимальным битрейтом.

Существуют 3 метода хранения цифрового аудиоматериала:

Несжатый (RAW) формат данных

содержит просто последовательность бинарных значений.
Именно в таком формате хранится аудиоматериал в Аудио-CD. Несжатый аудиофайл можно открыть, например, в программе Audacity. Они имеют расширение .raw, .pcm, .sam, или же вообще не имеют расширения. RAW не содержит заголовка файла (метаданных).

Другой формат хранения несжатого аудиопотока это WAV. В отличие от RAW, WAV содержит заголовок файла.

Аудиоформаты с сжатием без потерь

Принцип сжатия схож с архиваторами (Winrar, Winzip и т.д.). Данные могут быть сжаты и снова распакованы любое количество раз без потери информации.

Как доказать, что при сжатии без потерь, информация действительно остаётся не тронутой? Это можно доказать методом деструктивной интерференции. Берем две аудиодорожки. В первой дорожке импортируем оригинальный, несжатый wav файл. Во второй дорожке импортируем тот же аудиофайл, сжатый без потерь. Инвертируем фазу одного из дорожек (зеркальное отображение). При проигрывании одновременно обеих дорожек выходной сигнал будет тишиной.

Это доказывает, что оба файла содержат абсолютно идентичные информации (рис. 11).

При сжатии с потерями

акцент делается не на избежание потерь информации, а на спекуляцию с субъективными восприятиями (Психоакустика). Например, ухо взрослого человек обычно не воспринимает частоты выше 16kHz. Используя этот факт, кодек сжатия с потерями может просто жестко срезать все частоты выше 16kHz, так как «все равно никто не услышит разницу».

Другой пример — эффект маскировки. Слабые амплитуды, которые перекрываются сильными амплитудами, могут быть воспроизведены с меньшим качеством. При громких низких частотах тихие средние частоты не улавливаются ухом. Например, если присутствует звук в 1kHz с уровнем громкости в 80dB, то 2kHz-звук с громкостью 40dB больше не слышим.

Этим и пользуется кодек: 2kHz-звук можно убрать.

Спектральный анализ кодека mp3 с разными уровнями компрессии

Спасибо за внимание.

Преимущества и недостатки аналогового сигнала

Преимуществом аналогового сигнала является то, что именно в аналоговом виде мы воспринимаем звук своими ушами. И хотя наша слуховая система переводит воспринимаемый звуковой поток в цифровой вид и передает в таком виде в мозг, наука и техника пока не дошла до возможности именно в таком виде подключать плееры и другие источники звука напрямик. Подобные исследования сейчас активно ведутся для людей с ограниченными возможностями, а мы наслаждаемся исключительно аналоговым звуком.

Недостатком аналогового сигнала являются возможности по хранению, передаче и тиражированию сигнала. При записи на магнитную ленту или винил, качество сигнала будет зависеть от свойств ленты или винила. Со временем лента размагничивается и качество записанного сигнала ухудшается. Каждое считывание постепенно разрушает носитель, а перезапись вносит дополнительные искажения, где дополнительные отклонения добавляет следующий носитель (лента или винил), устройства считывания, записи и передачи сигнала.

Делать копию аналогового сигнала, это все равно, что для копирования фотографии ее еще раз сфотографировать.

Общий вывод

Аналоговый звук – это то, что мы слышим и воспринимаем, как окружающий мир глазами. Цифровой звук, это набор координат, описывающих звуковую волну, и который мы напрямую услышать не можем без преобразования в аналоговый сигнал.

Аналоговый сигнал, записанный напрямую на аудиокассету или винил нельзя без потери качества перезаписать, в то время как волну в цифровом представлении можно копировать бит в бит.

Цифровые форматы записи являются постоянным компромиссом между количеством точностью координат против объема файла и любой цифровой сигнал является лишь приближением к исходному аналоговому сигналу. Однако при этом разный уровень технологий записи и воспроизведения цифрового сигнала и хранения на носителях для аналогового сигнала дают больше преимуществ цифровому представлению сигнала, аналогично цифровой фотокамере против пленочного фотоаппарата.

Автор Кузнецов Роман romanrex

Только зарегистрированные пользователи могут участвовать в опросе. Войдите, пожалуйста.

Мои источники звука

Портативный цифровой плеер

Проголосовали 582 пользователя.

Воздержались 54 пользователя.