Digitalizacija uravnoteženog signala. Audio. Digitalni i analogni audio. Peking srušio Wall Street

Učinimo to prvi generalni principi analogno-digitalna pretvorba. Osnovni princip digitalizacije bilo kojeg signala je vrlo jednostavan i prikazan je na sl. 17.1, A. U nekim trenucima vremena t 1, t 2, t 3 uzimamo trenutnu vrijednost analogni signal i, takoreći, na njega primjenjujemo neku mjeru, ravnalo, stupnjevano na binarnoj ljestvici. Redovno ravnalo sadržavalo bi velike podjele (metre), od kojih bi svaki bio podijeljen na deset dijelova (decimetara), od kojih bi svaki također bio podijeljen na deset dijelova (centimetra), itd. Binarno ravnalo bi sadržavao podjele podijeljene na pola, pa opet na pola , itd. d. – kolika je razlučivost dovoljna. Ako je cijela duljina takvog ravnala recimo 2,56 m, a najmanja podjela 1 cm (odnosno njegovu duljinu možemo izmjeriti s točnošću ne gorom od 1 cm, točnije čak polovice), tada će biti upravo takvih podjela 256 i može se prikazati kao binarni broj od 1 bajta ili 8 bita.

Riža. 17.1 . Digitalizacija analognih signala:

A- osnovno načelo;

b– objašnjenje teoreme Kotelnikov–Nyquist

Ništa se neće promijeniti ako ne mjerimo duljinu, već napon ili otpor, samo će značenje pojma "ravnalo" biti malo drugačije. Tako dobivamo uzastopne uzorke veličine signala x 1, x 2, x 3. Štoviše, imajte na umu da uz odabranu razlučivost i broj znamenki, možemo izmjeriti vrijednost ne veću od određene vrijednosti koja odgovara maksimalnom broju, u ovom slučaju 255. U suprotnom, morat ćemo ili povećati broj znamenki (produžiti ravnalo), ili promijeniti razlučivost prema pogoršanju (razvući je). Sve navedeno čini bit rada analogno-digitalnog pretvarača – ADC.

Na sl. 17.1, A Grafikon prikazuje ovaj proces za slučaj ako mjerimo neku količinu koja se mijenja tijekom vremena. Ako se mjerenja provode redovito na poznatoj frekvenciji (koja se naziva frekvencija uzorkovanja ili frekvencija kvantizacije), tada se mogu zabilježiti samo vrijednosti signala. Ako je zadatak vratiti izvorni signal iz snimljenih vrijednosti, tada, znajući frekvenciju uzorkovanja i prihvaćenu ljestvicu (tj. koja vrijednost fizičke veličine odgovara maksimalnom broju u prihvaćenom rasponu binarnih brojeva), možemo uvijek vratite izvorni signal jednostavnim iscrtavanjem točaka na grafikonu i njihovim povezivanjem glatkom linijom.

Ali što gubimo? Pogledajte sl. 17.1, b, koji ilustrira poznati Kotelnikovljev teorem (kao i obično, u inozemstvu se nosi drugim imenom - Nyquist, dapače, obojica su ga formulirali neovisno jedan o drugom). Ova slika prikazuje sinusoidu granične frekvencije, koju još uvijek možemo rekonstruirati imajući niz točaka dobivenih na frekvenciji uzorkovanja F D. Budući da u formuli za sinusoidno titranje A sin(2π ft) postoje dva nezavisna koeficijenta ( A– amplituda i f– učestalost), tada su vam za jedinstveno vraćanje izgleda grafa potrebne najmanje dvije točke za svako razdoblje, tj. Frekvencija uzorkovanja mora biti najmanje dvostruko veća od najviše frekvencije u spektru originalnog analognog signala. Ovo je jedna od uobičajenih formulacija Kotelnikov–Nyquistovog teorema.

Pokušajte sami nacrtati drugu sinusoidu bez faznog pomaka, prolazeći kroz točke naznačene na grafikonu, i vidjet ćete da je to nemoguće. U isto vrijeme, možete nacrtati bilo koji broj različitih sinusoida koje prolaze kroz te točke ako je njihova frekvencija cijeli broj puta veća od frekvencije uzorkovanja F D. Ukupno, ove sinusoide ili harmonici (tj. uvjeti širenja signala u Fourierov niz - vidi poglavlje 5), dat će signal bilo kojeg složenog oblika, ali se ne mogu obnoviti, i ako je tako harmonici prisutni u izvornom signalu, zauvijek će nestati.

Nedvosmisleno se vraćaju samo harmonijske komponente s frekvencijama ispod granice. To jest, proces digitalizacije je ekvivalentan djelovanju niskopropusnog filtra s pravokutnim rezom karakteristike na frekvenciji jednakoj točno polovici frekvencije uzorkovanja.

Sada o obrnutoj transformaciji. U biti, nema digitalno-analogne pretvorbe u DAC-ovima koje ćemo ovdje razmotriti; mi jednostavno izražavamo binarni broj u obliku proporcionalne vrijednosti napona, tj., s teorijske točke gledišta, bavimo se samo pretvorba mjerila. Cijela analogna ljestvica podijeljena je na kvantove - gradacije koje odgovaraju rezoluciji našeg binarnog "ravnala". Ako je maksimalna vrijednost signala npr. 2,56 V, tada ćemo s osmobitnim kodom dobiti kvant od 10 mV, a ne znamo i ne možemo saznati što se događa sa signalom između tih vrijednosti, tj. kao i u vremenskim intervalima između uzoraka. Ako uzmemo niz uzastopnih uzoraka određenog signala, na primjer, onih prikazanih na Sl. 17.1, A, tada ćemo završiti s uzorkom korak po korak prikazanim na sl. 17.2.

Riža. 17.2 . Vraćanje digitaliziranog signala sa sl. 17.1, a

Ako usporedite grafikone na Sl. 17.1, A a na sl. 17.2, vidjet ćete da drugi grafikon predstavlja prvi, najblaže rečeno, vrlo približno. Kako biste povećali stupanj pouzdanosti dobivene krivulje, trebali biste, prvo, češće uzimati uzorke, a drugo, povećati dubinu bita. Zatim će koraci postajati sve manji i manji, a nadamo se da će se pri nekoj dovoljno visokoj rezoluciji, kako u vremenu tako iu kvantizaciji, krivulja na kraju postati nerazlučiva od kontinuirane analogne linije.

Bilješke na marginama

Očito, za svaki slučaj zvučni signali Dodatno izglađivanje, na primjer, korištenjem niskopropusnog filtra, ovdje jednostavno nije potrebno, jer će samo pogoršati sliku, još više odsijecajući visoke frekvencije. Osim toga, sve vrste analognih pojačala same će izgladiti signal, a ljudska osjetila će također raditi kao filter. Dakle, prisutnost koraka sama po sebi nije važna ako su dovoljno mali, ali nagli pad frekvencijskog odziva iznad određene frekvencije ima fatalan učinak na kvalitetu zvuka. Mnogi ljudi s dobrim sluhom za glazbu tvrde da mogu točno razlikovati digitalni audio CD-kvaliteta (koja je uzorkovana na frekvenciji od 44,1 kHz, tj. s prekidom na frekvenciji koja je očito viša od razine percepcije ljudskog sluha, te s brojem gradacija od najmanje 65 tisuća u cijelom rasponu) od sadašnjost analogni zvuk, na primjer, s vinilne ploče ili vrpce. Iz tog razloga, digitalni zvuk visoke kvalitete snima se s mnogo više visoke frekvencije uzorkovanja nego što je formalno potrebno, npr. 192 ili čak 256 kHz, i tada postaje uistinu nerazlučivo od izvornog. Istina, izravno digitalizirani zvuk snima se samo na diskove u Audio CD formatu, a za gotovo sve ostale formate koristi se kompresija - kompresija pomoću posebnih algoritama. Da nema kompresije, ni kapacitet modernih medija ni brzina ne bi bili dovoljni za snimanje računalne mreže: samo jedna minuta stereo zvuka s parametrima kvalitete CD-a zauzima oko 10 MB prostora za pohranu, možete provjeriti sami.

Nećemo ulaziti u specifičnosti uzorkovanja analognih periodičkih signala, budući da je to vrlo široko područje u modernom inženjerstvu, primarno povezano s digitalizacijom, pohranjivanjem, replikacijom i reprodukcijom zvuka i videa, i to bi trebalo biti barem zasebno knjiga.. Za naše potrebe, prezentirane informacije su dovoljne, a sada ćemo prijeći izravno na zadatak digitalizacije i inverzne pretvorbe jedne vrijednosti signala.

Krenut ćemo od kraja, odnosno s digitalno-analognim pretvaračima - u nastavku ćete vidjeti zašto. Pretpostavit ćemo da na ulazu imamo brojeve binarni oblik– svejedno radi li se o rezultatu digitalizacije nekog stvarnog signala ili sintetiziranog koda. Moramo ga pretvoriti u analognu naponsku razinu u skladu s odabranom skalom.

Najjednostavniji DAC je decimalni ili heksadecimalni dekoder-distributer, poput 561ID1. Ako na njega primijenimo četverobitni kod, tada ćemo na izlazu dobiti logičku za svaku vrijednost koda na zasebnom pinu. Spajanjem linije LED dioda na izlaze takvog dekodera dobivamo trakasti (skalni) indikator, koji će uz rezoluciju od 10 ili 16 koraka u cijelom rasponu pokazati razinu određene vrijednosti. Štoviše, vrlo često je za praksu takav relativno grubi indikator, koji zamjenjuje pokazivačke instrumente, sasvim dovoljan. Za upravljanje takvim diskretnim indikatorima ljestvice proizvode se posebni mikro krugovi, koji omogućuju da se vrijednost ne prikazuje kao zasebna točka ili traka, već kao svjetleći stupac. Postoje i mikro krugovi koji mogu kontrolirati ne diskretne, već linearne indikatore vakuuma. Postoji čak i mikro krug K1003PP1 (analog UAA180), koji pretvara analognu vrijednost (napon) izravno u upravljački signal za bar indikator. Prilično impresivan dizajn može se dobiti ako se u krugu termometra prema Sl. 13.3 ili 13.4, zamijenite pokaznu glavu takvim mikro krugom i indikatorom ljestvice - poput punopravne imitacije tradicionalnog termometra!

Takav primitivni DAC ima dva nedostatka: prvo, povećanje njegove rezolucije iznad 16-20 stupnjeva je nerealno, jer će tada biti previše izlaza. Ali što je najvažnije, namijenjen je uskom zadatku vizualizacije digitalne vrijednosti i bespomoćan je izvan ovog područja. Pretvarač koji obavlja funkciju prema slici 1 bio bi mnogo širu primjenu. 17.2, tj. izlaz analognog napona proporcionalnog kodu na ulazu.

"Glupa" metoda dobivanja takvog napona sastojala bi se od sljedeće modifikacije metode s dekoderom-distributerom tipa 561ID1. Da biste to učinili, morate izgraditi razdjelnik od lanca identičnih otpornika, spojiti ga na izvor referentnog napona i prebaciti odvojke ovog razdjelnika pomoću tipki koje kontrolira dekoder-razdjelnik. Za dvo- ili troznamenkasti kod možete koristiti one opisane u 15. poglavlje multiplekseri tipa 561KP1 i 561KP2. Ali za veći broj bitova, takav DAC za izravnu konverziju pretvara se u potpuno monstruozan dizajn. Osmobitni kod bi zahtijevao 256 otpornika (točno identičnih!), isti broj ključeva i dekoder s istim brojem izlaza, ali osmobitni kod je prilično grubo "ravnalo", njegova rezolucija ne prelazi četvrtina postotka. Stoga se u praksi ova metoda koristi za izgradnju ADC-a, a ne DAC-a (jer, unatoč svojoj složenosti, ima jedno jedinstveno svojstvo, vidi dolje), a ovdje nećemo ni crtati takav krug.

Razmotrimo jednu od najčešćih metoda, koja omogućuje pretvorbu kodnog napona bez korištenja takvih monstruoznih struktura. Na sl. 17.3, A prikazuje mogućnost implementacije za DAC koji se temelji na operacijskom pojačalu s promijenjenim otpornicima u krugu Povratne informacije. Kao ključeve za prebacivanje možete koristiti, na primjer, male elektroničke releje serije 293, tj. Isti tip koji smo koristili u dizajnu termostata na Sl. 12.9 ili specijalizirani ključevi iz serije 590. Međutim, za implementaciju sklopnog kontakta bilo bi potrebno instalirati dva takva ključa za svaku znamenku, stoga serija 561 nudi poseban čip 561KTZ (CD4066), koji sadrži četiri identična ključa koji rade točno onako kako je prikazano na danom dijagramu.

Riža. 17.3. Sheme koje se koriste u izgradnji DAC :

a– dvobitni DAC s negativnim izlazom;

b– R–2R lanac proizvoljne duljine;

V– DAC s pozitivnim izlazom

Ovi ključevi su dvosmjerni, ali njihovi izlazi rade drugačije. Izlaz, koji je označen OUT/IN (u domaćoj verziji obično jednostavno "Output"), u jednom stanju je zamijenjen s drugim ulazom/izlazom, u drugom je jednostavno onemogućen, kao i obično. A izlaz, označen IN/OUT (u domaćoj verziji jednostavno "Ulaz"), u jednom je stanju spojen na prvi ulaz, ali kada se ključ pokvari, ne "visi u zraku" kao prvi, već je uzemljen. Stoga, ako primijenite signal logičke jedinice na upravljački ulaz ključa 561KTZ, tada se IN/OUT pin odgovarajuće spojenog ključa prebacuje na OUT/IN ulaz, a ako je kontrolni signal logička nula, tada IN/ OUT pin je kratko spojen na masu. , kao što nam je potrebno.

Bilješke na marginama

Imajte na umu da postoji i mikro krug 176KT1 (CD4016A, nema analognog u seriji 561, ali postoji uvezena verzija CD4016B s napajanjem do 20 V), s kojim se 561KTZ često brka - ima najviše uobičajeni dvostrani ključevi, bez uzemljenja. I, unatoč činjenici da su ti mikrosklopovi iscrpno opisani u klasičnoj referentnoj knjizi, u online amaterskim referentnim knjigama o 561 KTZ često se navode pogrešne informacije. Naravno, malo je vjerojatno da ćete morati sami graditi takve DAC-ove, ali za svaki slučaj treba uzeti u obzir da je otpor prekidača 561KTZ, kao i modernijih modifikacija (1561 KTZ ili CD4066B), prilično visok. , reda veličine stotina ohma, što može utjecati na točnost. Iako za praktične svrhe u nizu krugova (ali ne u ovom koji se razmatra!) Ono što je važnije nije apsolutna vrijednost otpora, već razlika u ovom parametru između tipki, koja, prema referentnim knjigama, ne prelazi 5 Ohma.

Razmotrimo konačno kako ova shema funkcionira. Kako bih bolje razumio principe, nacrtao sam samo dvoznamenkastu verziju. Dvije znamenke su četiri gradacije, tj. izlazni napon op-amp mora imati 4 vrijednosti s jednakim intervalima, u ovom slučaju ti su naponi jednaki 0, kao i 1/4, 1/2 i 3/4 od referentni napon U op. Kako se to događa?

Razmotrimo prvo krug u izvorno stanje, kada je kod na ulazima za upravljanje tipkama "00". Budući da su oba niža u krugu otpornika 2R u početnom stanju spojeni na "masu", tj. spojeni paralelno, tada je njihov ukupni otpor jednak R .

Zatim gornji otpornik u krugu R i ova dva otpornika tvore razdjelnik, čiji je napon jednak točno polovici U op. Otpornik paralelan s razdjelnikom 2R ne sudjeluje u podjeli napona. Ključevi su otvoreni, lanac otpornika je odspojen od ulaza op-amp; a njegov izlaz će imati napon jednak 0.

Neka kod sada ima vrijednost “01”. U ovom slučaju, otpornik s nominalnom vrijednošću 2R najmanje značajna znamenka (najniža u krugu) prebacuje se na ulaz pojačala. Za sam lanac otpornika R ‑2R nije bitno je li ovaj otpornik spojen na masu ili na ulaz, jer je ulazni potencijal op-amp-a jednak istom potencijalu mase. Dakle, na ulaz op-amp kroz otpor s nominalnom vrijednošću 2R teći će struja čija će veličina biti jednaka naponu na njegovom ulazu ( U op/2, kako smo saznali), podijeljeno s vrijednošću ovog otpornika ( 2R). Ukupna trenutna vrijednost bit će U op /4R, a ova će struja stvoriti na povratnom otporniku op-amp, čiji je otpor jednak R, pad napona jednak U op/4. Možete misliti drugačije - razmislite o invertirajućem pojačalu s pojačanjem od 0,5, koje je određeno omjerom otpora R /2R, i ulazni napon U op/2. Ukupno će izlaz cijelog kruga biti napon U op/4 (ali sa suprotnim predznakom, jer je pojačalo invertirajuće).

Neka kod sada ima vrijednost "10". Tada je sve još jednostavnije - napon je spojen na ulaz op-amp-a U op preko gornjeg otpornika 2R. Dobitak je isti (0,5), tako da će izlaz biti napon U op/2. Najteži slučaj je kada kod ima vrijednost "11", a oba otpornika su spojena. U ovom slučaju, op-amp treba smatrati analognim zbrajačem (vidi. poglavlje 12, riža. 12.5, A). Izlazni napon će biti određen zbrojem struja kroz otpornike 2R, pomnoženo s vrijednošću povratnog otpora R, tj. bit će jednak ( U op / 2 R + U op /4R)R, ili samo 3 U op /4.

Pogledao sam ovaj primjer tako detaljno da jasno pokažem svojstva lanca R-2R. Metoda njegove konstrukcije s bilo kojim brojem veza prikazana je na sl. 17.3, b. Ekstremni otpornici 2R spojeni paralelno i ukupno daju otpor R, stoga se ispostavlja da se sljedeća veza sastoji od istih apoena u 2R a ukupno će također dati R itd. Koliko god dug lanac bio, on će ulazni napon podijeliti u binarnom omjeru: na samom desnom kraju lanca prema dijagramu bit će napon U op, na susjednoj grani U op/2, sljedeći U op/4, itd.

Stoga, koristeći samo dvije vrste otpornika, koji se razlikuju točno dva puta, moguće je izgraditi DAC gotovo bilo kojeg kapaciteta. Dakle, osmo-bitni DAC će sadržavati 16 otpornika i 8 prekidača (ako su uključeni, kao u 561KTZ), ne računajući povratni otpornik, koji je radi jasnoće također imao jednak R, ali može biti bilo koje prikladne denominacije. U integriranim DAC-ovima ovaj otpornik često uopće nije ugrađen unaprijed, već su odgovarajući pinovi postavljeni izvana, tako da možete lako dobiti bilo koju skalu izlaznog napona. Na primjer, ako u našem krugu napravimo ovaj otpornik jednak 1,33 R, tada na izlazu dobivamo napone jednake U op , 2U op /3, U op/3 i 0.

Istina, neugodnost takvih najjednostavnija shema Problem je u tome što će izlazni naponi imati suprotan predznak, ali ovaj problem se lako rješava. Na sl. 17.3, V prikazuje najjednostavniju verziju DAC-a s "normalnim" pozitivnim izlazom. Ostavljam čitatelju da sam analizira rad ovog sklopa - on je, zapravo, još jednostavniji od invertirajuće verzije. Nedostatak ove opcije u usporedbi s invertirajućom je to što pojačanje nije podesivo, a skala će biti određena samo vrijednošću U op. Ali ovaj se nedostatak može lako ispraviti laganim kompliciranjem kruga. Takvi DAC-ovi se također nazivaju množenjem .

Bilješke na marginama

Neću razmatrati komercijalne DAC integrirane sklopove (na primjer, 572PA1) temeljene na ovom principu, jer općenito rade isto, a DAC sami po sebi, bez upotrebe kao dio ADC-a, rijetko su potrebni. Ipak, recimo nekoliko riječi o problemima povezanim s mjeriteljstvom. Jasno je da nije lako dobiti točne vrijednosti otpornika pri proizvodnji čipa takvog DAC-a, pa se u praksi apsolutne vrijednosti R može imati prilično široku rasprostranjenost. Njihovi nazivi pažljivo su međusobno usklađeni pomoću laserskog podešavanja. Vlastiti otpor sklopke također može imati veliki utjecaj na rad kruga, posebno u višim bitovima, gdje su struje veće nego u nižim. U integriranoj verziji te tipke čak i razlikuju - u višim znamenkama stavljaju jače s manjim otporom. A ako pokušate napraviti domaći DAC na temelju prethodno spomenutog 516KTZ, tada bi vrijednost R trebala biti desetke kilo-ohma, ništa manje, inače će prekidači početi unositi previše grešaka.

Još jedna točka je povezana s dobivanjem stabilnog referentnog napona, jer to izravno utječe na točnost pretvorbe, i za apsolutno sve ADC i DAC, kao što ćemo vidjeti kasnije. Trenutno je uspjeh elektronike omogućio da se ovaj problem gotovo zaboravi - sve velikih proizvođača proizvesti izvore referentnog napona koji omogućuju postizanje stabilnosti od oko 16 bita (tj. 65 536 gradacija signala). Osim toga, uvijek možete smisliti konstruirati dijagram tako da mjerenja postanu relativna.

Brzina DAC-a razmatranog tipa uglavnom je određena brzinom sklopki i vrstom korištene logike, a u slučaju CMOS sklopki nije previsoka - otprilike ista kao kod konvencionalnih CMOS elemenata.

Većina integriranih DAC-ova izgrađena je pomoću opisanog principa zbrajanja ponderiranih struja ili napona. Druga klasa digitalno-analognih pretvarača su integrirajući DAC koji služe za pretvorbu vremenski promjenjivih veličina. Ovi DAC-ovi idealno vam omogućuju da odmah dobijete istinski analogni, kontinuirani signal bez znakova aliasinga.

Raspon analogno-digitalnih pretvarača znatno je veći od DAC-a. Međutim, sva raznolikost njihovih vrsta može se svesti na tri vrste: to su paralelni ADC, sukcesivni aproksimacijski ADC i integrirajući ADC. Pogledajmo ih redom.

Vjerojatno svatko tko je ikada slušao SDR prijamnik ili primopredajnik nije mogao ostati ravnodušan na njegov prijem, a posebno na pogodnost koja se očituje u činjenici da se stanice na dometu mogu ne samo čuti, već i vidjeti. Pregled dometa u panorami SDR primopredajnika omogućuje vam brzo i vizualno pronalaženje stanica u prijemnom pojasu, što značajno ubrzava traženje dopisnika tijekom natjecanja i tijekom svakodnevnog rada u eteru. Pomoću "vodopada" vizualno se prati povijest signala na opsegu i lako se možete prebaciti na zanimljivog dopisnika. Osim toga, sama panorama nam pokazuje frekvencijski odziv primljenih postaja, njihov pojas i širinu zračenja, što nam omogućuje brzo pronalaženje slobodnog područja na dometu za pozivanje drugih radioamatera.
To je samo ako govorimo o vizualnom dijelu SDR-a, ali ne treba zaboraviti ni na obradu signala, kako za prijem tako i za prijenos. Potpuna kontrola širine i svega što se nalazi u prijemnom pojasu. Na napraviti pravi izbor potrebne parametre u stavkama izbornika postavki, signal prijenosa također zvuči odlično.
Ali postoji jedna okolnost: da bi SDR radio, potrebni su vam dodatni uređaji: samo računalo s visokokvalitetnim zvučna kartica, gdje se odvija glavna obrada signala i dobar monitor s visokom rezolucijom zaslona. Naravno, primjereno softver na njega i na SDR primopredajnik, koji nije jeftin. Sve to već povlači za sobom određene specifične zahtjeve za informatičko poznavanje radioamatera. Što nije uvijek, i nisu svi, nažalost.
Postoji još jedan nedostatak. Ako se to ne primjećuje tijekom prijema, tada tijekom prijenosa, zbog specifične obrade zvučnog signala u računalu, dolazi do značajnog kašnjenja signala većeg od 150 ms, što u potpunosti onemogućuje normalan rad samokontrole kod svih vrsta zračenja. Jedino što vas može spasiti je dodatni kontrolni prijemnik ili prijatelj koji također ima SDR primopredajnik koji će snimati primljeni signal.
U današnje vrijeme, s dolaskom generacije pristupačnih mikroprocesora iz STM-a, moguće je razviti uređaje koji mogu djelomično zamijeniti neke od osnovnih funkcija velikih računala. Naime, DSP audio obrada i upravljanje primopredajnikom, kao i grafički prikaz informacija na zaslonu primopredajnika.
Kao rezultat toga, glavne komponente takvog primopredajnika su eliminirati potrebu za vanjskim računalom . Ali u isto vrijeme, kao na vanjskom računalu, praktična usluga za upravljanje primopredajnikom, različiti načini snimanja signala, kako za prijem tako i za prijenos, s naknadnom reprodukcijom snimaka putem slušalica ili u zraku tijekom prijenosa, uštedu potrebne informacije na vanjskoj SD kartici, koja se prikazuje na vlastitom velikom zaslonu sa širokim područjem gledanja, kao i DSP obrada i generiranje signala sa svim glavnim vrstama zračenja. Takvi primopredajnici pružaju kvalitetan prijem signal, filtri visokog nagiba s glatkim podesivim granicama, automatski Notch filtar. Za prijenos koriste višepojasne grafičke ekvilajzere, kompresore, reverberacije i što je najvažnije, dobivaju minimalno vrijeme kašnjenja. S vanjskim sintesajzerom, kontroleri primopredajnika lako rade s analognim SDR-ovima. Ovi moderni primopredajnici naširoko koriste HiQSDR i HiQSDR-mini 2.0 radio staze, koje kontrolira zasebna SPI sabirnica ili preko DSP ploče preko glavne SPI sabirnice s minimalnim brojem spojnih žica.
Prije nekoliko godina započela je proizvodnja SDR primopredajnika koji rade na principu izravne pretvorbe radiofrekventnog signala u audio IF, u kojem se nalazi pojednostavljena (u odnosu na klasični sklop) ploča radio kanala i specijalizirano računalo. jedno kućište. Ovdje je glavni naglasak na softveru. Glavni trošak gotovog proizvoda također je određen cijenom softvera. Flex i Sun SDR oprema izgrađena je upravo na ovom principu.
Trenutno je načelo obrade signala temeljeno na DSP metodama prešlo u sljedeću fazu svoje evolucije. Pojavila se nova metoda za izravnu digitalizaciju signala s antene, praćenu izravnim generiranjem signala iz digitalnog signala, što vam omogućuje da se riješite gotovo svih vrsta problema svojstvenih klasičnim i SDR tehnologijama s hardverom za obradu signala .
Radio prijamnici i primopredajnici s izravnom digitalizacijom signala imaju kraticu DDC (Digital Down-Converter). Obrnuta pretvorba iz digitalnog u analogni je skraćenica DUC (Digital Up-Converter). Riječ je o pretvorbi digitalnog signala softverskom metodom. Treba odmah napomenuti da je kratica SDR (Software Define Radio) - softverski definiran radio - samo opća definicija klase tehnologija obrade signala, koja uključuje DDC arhitekturu kao jednu od metoda.

Već danas, pojavom generacije pristupačnih mikroprocesora, postalo je moguće razviti uređaje koji mogu djelomično zamijeniti neke od osnovnih funkcija velikih računala. Naime, DSP audio obrada i upravljanje primopredajnikom, kao i grafički prikaz informacija na zaslonu primopredajnika. U DDC arhitekturi, cijeli spektar signala od 0 Hz do frekvencija koje ADC čip može obraditi trenutno se digitalizira. Najmoderniji ADC čipovi danas mogu raditi u pojasu do 1 GHz, ali njihova je cijena danas još uvijek vrlo visoka. Istodobno, najpopularniji i relativno jeftini ADC čipovi digitaliziraju spektar s pojasom od 0 Hz do 60 ... 100 MHz, što je sasvim prikladno za amaterske radio zadatke. Nakon digitalizacije spektra signala u pojasu 0 Hz - 30...60 MHz, na izlazu ADC čipa dobiva se vrlo veliki tok digitalnih podataka koji se dalje obrađuju brzim FPGA čipovima. U njima programski implementiran je DDC/DUC algoritam, tj. digitalni pretvarač prema dolje ili prema gore.
Digitalni pretvarač prema dolje uzorkuje spektar potrebnog pojasa i prenosi ga na računalo za obradu - tj. stvara se digitalni tok znatno niže propusnosti i brzine. Računalo provodi softversku obradu toka koristeći DSP metode i konačnu demodulaciju signala.
U praksi vrlo rijetko postoji potreba za radom sa cijelim spektrom signala u pojasu 0 Hz - 30...60 MHz. Maksimalni pojasevi koji su nam potrebni za obradu su 10...50 kHz za demodulaciju AM, FM signala i 3...5 kHz za SSB signale.
Ova najnaprednija metoda obrade signala implementirana je u amaterskim radio primopredajnicima TULIP-DSP i domaćem analognom - Tulip-DDC/DUC.

Sličan princip formiranja signala koristi se u primopredajnicima jedne poznate tvrtke, koja je počela proizvoditi nove modele još 2015. U nastavku je prikazan fragment blok dijagrama takvog primopredajnika.

Ako je ranije, prije nekoliko godina, čak iu tako naprednim primopredajnicima kao što su ICOM IC-756Pro3 i IC-7600 korištena metoda sekvencijalnog skeniranja spektra i bio je primjetan proces ažuriranja slike - tj. Brzo skeniranje, sada se promatranje i obrada signala odvijaju u kompleksu, paralelno, budući da se podešavanje frekvencije događa trenutačno pomoću softverske metode. Zbog činjenice da se veliki dio frekvencije od 30...60 MHz digitalizira odjednom, bez gubitka podešavanja na trenutnu radio stanicu, postaje moguće vidjeti što se događa u susjednom dijelu spektra. Štoviše, pozivanjem drugog virtualnog prijemnika možete istovremeno čuti što se govori na jednom i drugom pojasu. Ali dva prijemnika nisu granica. Moguće je zvati tri, pet, deset... slušalica koliko želite. Miksajući njihov zvuk na određeni način, svjesni ste što se događa na bendovima. A grafika u "oblaku" omogućit će vam brz odabir željene postaje.
Isto vrijedi i za prikaz spektra. U praksi je rijetko da je cijeli dio od 30...60 MHz potreban odjednom. Ako je potrebno, možete relativno lako odabrati drugi, treći, četvrti i općenito onoliko malih tokova koliko je potrebno iz općeg digitalnog toka i prenijeti ih na računalo, stvarajući tako nekoliko prijemnih kanala istovremeno. Ova metoda implementira dva, tri ili onoliko "virtualnih prijamnika" koliko je potrebno u cijelom opsegu digitalizacije. Na primjer, napravimo posebnu panoramu za domet od 40 metara, posebnu za domet od 20 metara i za ostale domete..., postavimo ih na poseban monitor i sada imamo priliku promatrati u realnom vremenu. uvjeti prolaza u područjima koja smo odabrali.

S jedne strane, prisutnost zrcalnih pruga je nedostatak. Budući da se koncept DD odnosi na cijeli spektar digitalizacije, moguće je značajno rasteretiti ADC ulaz obraćajući pažnju na ulazne sklopove prijemnika, koje je najbolje napraviti kvalitetnim i podesivim. Alternativna opcija je korištenje niskopropusnih filtara s graničnom frekvencijom od polovice frekvencije takta ili pojasnih filtara u ulaznim krugovima. Oni mogu dodatno prigušiti jake signale izvan pojasa koji su daleko od radnog pojasa. U tom slučaju izgubljena je mogućnost pregleda cijelog opsega digitalizacije. Takve metode prethodnog odabira su opravdane ako planirate koristiti DDC prijamnik u kombinaciji s velikim antenama ili u područjima s teškim uvjetima smetnji.
S druge strane, ovaj nedostatak pruža tehnološku priliku jednostavnim sredstvima implementirati ne samo prijem na HF pojasu, već i na VHF pa čak i na DCV opsegu. Potrebno je samo napraviti zamjenjive pojasne filtre s LNA, pojasevi jednaki polovici taktna frekvencija.
Na primjer, neki DDC prijamnici imaju promjenjivi filtar za MW-LW raspon, a jedan od WiNRADiO DDC prijamnika i Perseus DDC prijamnik imaju fleksibilno konfigurabilne uskopojasne filtre.
Prije samo 20 godina nismo mogli ni sanjati o nečemu ovakvom, kada je panoramski priključak na primopredajnik bio 2 puta veći od samog primopredajnika i koštao 5-10 puta više. O usluzi i kvaliteti ne treba govoriti. SDR tehnologija, koja se pojavila početkom 2000-ih, omogućila je gledanje i slušanje prijenosa na potpuno drugačiji način. Vidjeli smo pravi prijenos uživo! Ne statična "zamrznuta" slika nakon sporog skeniranja, već prijenos uživo u stvarnom vremenu.
Ako je za gledanje skraćene panorame ostalih pojaseva u prvim SDR primopredajnicima s hardverskom pretvorbom signala potrebno imati zaseban prijemni put za svaki raspon, tada je u prijemnom putu, napravljenom prema Moderna tehnologija DDC je dostupan kako u bilo kojem dijelu asortimana tako iu cijelom asortimanu, au isto vrijeme i paralelno s pojedinim dijelovima svojih odjeljaka. Implementacija svih ovih mogućnosti moguća je samo zahvaljujući metodama DSP-a i izravne digitalizacije signala.
Što se tiče radioamaterskih tema, jedna od najpopularnijih funkcija trenutno iu bliskoj budućnosti je izbor prostornog signala i metode suzbijanja faznog šuma. Danas postoji fazna metoda za odabir signala i potiskivanje šuma, implementirana u hardver. Osim toga, korištenjem matematičkih algoritama, sve funkcije za oduzimanje ometajućih i zbrajanje korisnih signala, formirane od para, četiri ili veliki iznos ADC.
Korištenjem ovih modernih dostignuća to je postalo moguće daljinski upravljač primopredajnik i rad na daljinu u eteru. Suvremene metode prijenosa informacija sposobne su prenijeti prilično velike tokove podataka bez ikakvih gubitaka. Ukupni protok informacija od/do primopredajnika je prilično mali. Korištenjem IP stacka, postaje moguće koristiti primopredajnik kao mrežni segment čak i bez korištenja računala. Instaliranjem primopredajnika izvan velikog grada u prilično mirnom području, možete imati pristup radijskim emisijama bez napuštanja stana. Organiziranjem pristupa za goste primopredajniku, svojim prijateljima dajete priliku da rade u eteru. Još jedan korisna funkcija, koju koriste specijalne službe, mogućnost je snimanja cijele radijske emisije ili određenih dijelova radijske emisije na tvrdi disk računala uz odgođenu obradu. Ova značajka omogućuje vam brzo statistička obrada signale, tražite i nadzirite ciljne signale, a također izvodite mnoge operacije o kojima trebate znati prosječnom korisniku nije dozvoljeno.

Možete odabrati radio koji vas zanima

Pročitajte članak do kraja, jer izražava drugačije mišljenje od tradicionalnog o promjeni studija za snimanje.

Elektromagnetske smetnje.

Sve žice mogu pokupiti elektromagnetske smetnje. To može uzrokovati buku ili zujanje. Ove smetnje mogu dolaziti od bilo koje druge glazbene ili kućanske opreme.

Kako bi se smanjio utjecaj takvih smetnji, izumljena je uravnotežena veza.

Uravnotežena veza.

Naziva se uravnoteženim jer audio signal putuje kroz dvije različite žice osim uzemljenja. Ove dvije žice nose isti signal, osim što je signal na jednoj od žica invertiran. Glavna svrha inverzije signala je uklanjanje šuma na prijemnom kraju. Ove radnje pomažu uravnoteženom sustavu da bolje podnese vanjsku buku.

Ovako izgleda uravnotežena žica.

Nije uravnotežena veza.

Za razliku od uravnoteženog, neuravnoteženi prijenos signala zahtijeva samo jednu žicu (središnju u kabelu) i jedno uzemljenje (GND). Budući da samo jedna žica prenosi signal, ova se veza naziva neuravnoteženom. Ova je metoda osjetljiva na smetnje koje će se prenositi zajedno s izvornim signalom. Kako se duljina kabela povećava, tako će se povećati i intenzitet buke. To je razlog zašto većina studijskih inženjera ili tehničara za live nastupe koriste uravnotežene veze za vrlo dugačke kabele.

Ovako izgleda neuravnotežena žica.

Što trebate zapamtiti i znati o uravnoteženim i neuravnoteženim vezama?

Većina starijih analognih ili digitalnih uređaja i instrumenata napravljenih prije 90-ih imala je neuravnotežene audio izlaze. Spajanje takvog uređaja ili instrumenta s balansiranom žicom na balansirani ulaz na mikseru je neprihvatljivo! Kada spojite neuravnoteženi audio izlaz s balansiranom žicom, javlja se protufaza; ako imate stereo zvuk (koriste se dva izlaza) ili ako imate mono zvuk (koristi se jedan izlaz), pojavit će se tihi zvuk lošeg zvuka.

Na primjer, Roland TR 808 ili Roland MC 505 imaju neuravnotežene audio izlaze.

Tradicionalno mišljenje.

Uravnotežena veza smatra se profesionalnijom jer eliminira šum. Preporuča se koristiti balansirano prebacivanje u studijima za snimanje. Za neuravnotežene instrumente ili instrumente dostupni su razni neuravnoteženi u balansirani pretvarači. Međutim...

Nekonvencionalno mišljenje, iskusni inženjeri zvuka.

Mnogi studijski inženjeri zvuka ne prepoznaju balansiranu vezu, smatrajući da ona stvara probleme u ukupnom miksu upravo zato što je audio signal invertiran. Inverzija je kada jedna žica nosi vrući, pozitivni signal (plus), a druga nosi točno isti signal, ali hladan, negativan signal (minus). Preklapajući jedan drugoga, dva signala oduzimaju šum i mi ga ne čujemo. Ali... ne može se oduzeti samo buka. Zajedno sa šumom, važna boja zvuka, toplina i bogatstvo mogu nestati. I uvijek postoje opasnosti koje stereo zvuk počet će se javljati antifaze. Tada je u ukupnom miksu moguć promašaj i osiromašenje cijelih glazbenih dijelova.

Balansirana veza zapravo nije izmišljena za studijsko snimanje. Idealan je za koncerte uživo gdje su uključeni dugi kablovi.

Profesionalni studiji za snimanje obično su dobro zaštićeni oko perimetra od vanjske buke. Za suzbijanje buke ugrađeni su ispravljači napona. Uređaji u policama postavljeni su tako da se ne stvaraju elektromagnetske smetnje. Audio kabeli nalaze se na relativnoj udaljenosti od raznih izvora napajanja. S pravilnim postavljanjem studijske opreme korištenje balansiranih žica postaje nepotrebno. Jedina iznimka su studijski mikrofoni s dugom žicom i balansiranim izlazom (XLR).

Zaključak s kojim se ne morate složiti.

Povežite sve uređaje u svom studiju samo s neuravnoteženim žicama. Prvo, sigurno nećete pogriješiti koji uređaj ima balansiran izlaz, a koji nije. Drugo, dobit ćete debeli, starinski zvuk u miksu.

Borite se protiv buke rješavanjem elektromagnetskih smetnji na druge načine. Uklonite smetnje sami "ručno" (zaslon, pomicanje, uzemljenje) i nemojte vjerovati balansiranoj vezi da to učini.

Napomena: Pisao sam o nekim metodama rješavanja buke

Najprije se pozabavimo općim principima analogno-digitalne pretvorbe. Osnovni princip digitalizacije bilo kojeg signala je vrlo jednostavan i prikazan je na sl. 17.1, a. U nekim trenucima vremena t\, ti, h, uzimamo trenutnu vrijednost analognog signala i, takoreći, na njega primjenjujemo neku mjeru, ravnalo, graduirano na binarnoj skali. Redovno ravnalo sadržavalo bi velike podjele (metre), od kojih bi svaki bio podijeljen na deset dijelova (decimetara), od kojih bi svaki također bio podijeljen na deset dijelova (centimetra), itd. Binarno ravnalo bi sadržavao podjele podijeljene na pola, pa opet na pola , itd. d. - kolika je razlučivost dovoljna. Ako je cijela duljina takvog ravnala recimo 2,56 m, a najmanja podjela 1 cm (odnosno njegovu duljinu možemo izmjeriti s točnošću ne gorom od 1 cm, točnije čak polovice), tada će takvih podjela biti točno 256, a mogu se prikazati kao binarni broj od 1 bajta ili 8 bita.

Ništa se neće promijeniti ako ne mjerimo duljinu, već napon ili otpor, samo će značenje pojma "ravnalo" biti malo drugačije. Na taj način dobivamo uzastopna očitanja veličine signala xi, xr, xs. Štoviše, imajte na umu da uz odabranu razlučivost i broj znamenki, možemo izmjeriti vrijednost ne veću od određene vrijednosti koja odgovara maksimalnom broju, u ovom slučaju 255. U suprotnom, morat ćemo ili povećati broj znamenki (produžiti ravnalo) ili promijeniti rezoluciju u smjeru pogoršanja (razvući ga). Sve navedeno čini bit rada analogno-digitalnog pretvarača – ADC.

Na sl. 17.1, a grafikon prikazuje ovaj proces za slučaj ako mjerimo neku količinu koja se mijenja tijekom vremena. Ako se mjerenja provode redovito na poznatoj frekvenciji (koja se naziva frekvencija uzorkovanja ili frekvencija kvantizacije), tada se mogu zabilježiti samo vrijednosti signala. Ako je zadatak zatim vratiti izvorni signal iz snimljenih vrijednosti, tada, znajući frekvenciju uzorkovanja i prihvaćenu ljestvicu (to jest, koja vrijednost fizičke veličine odgovara maksimalnom broju u prihvaćenom rasponu binarnih brojeva), mi uvijek može vratiti izvorni signal jednostavnim iscrtavanjem točaka na grafikonu i povezivanjem njihove glatke linije.

Ali što gubimo? Pogledajte sl. 17.1,6, koji ilustrira poznati Kotelnikovljev teorem (kao i obično, u inozemstvu se nosi drugim imenom - Nyquist, zapravo, obojica su ga smislili neovisno jedan o drugom). Ova slika prikazuje sinusoidu granične frekvencije, koju još uvijek možemo rekonstruirati pomoću niza točaka dobivenih s frekvencijom uzorkovanja /d. Budući da u formuli za sinusoidnu oscilaciju As\n(2nft) postoje dva neovisna koeficijenta (A - amplituda, i / - frekvencija), kako biste jedinstveno vratili izgled grafikona, potrebne su vam najmanje dvije točke na svakoj periodi , odnosno frekvencija digitalizacije trebala bi biti najmanje dvostruko veća od najviše frekvencije u spektru izvornog analognog signala. Ovo je jedna od uobičajenih formulacija, Kotelnikov-Nyquistov teorem.

Pokušajte sami nacrtati drugu sinusoidu bez faznog pomaka, prolazeći kroz točke naznačene na grafikonu, i vidjet ćete da je to nemoguće. U isto vrijeme, možete nacrtati bilo koji broj različitih sinusoida koje prolaze kroz te točke, sve dok je njihova frekvencija cijeli broj puta veća od brzine uzorkovanja/d. Ukupno će te sinusoide ili harmonici (to jest, uvjeti širenja signala u Fourierov red, vidi Poglavlje 5) dati signal bilo kakvog složenog oblika, ali se ne mogu obnoviti, a ako su takvi harmonici prisutni u izvorni signal, oni će zauvijek nestati. Nedvosmisleno se vraćaju samo harmonijske komponente s frekvencijama ispod granice. To jest, proces digitalizacije je ekvivalentan djelovanju niskopropusnog filtra s pravokutnim rezom karakteristike na frekvenciji jednakoj točno polovici frekvencije uzorkovanja.

Sada o obrnutoj transformaciji. U biti, u DAC-ovima koje ćemo ovdje razmotriti nema digitalno-analogne pretvorbe; mi jednostavno izražavamo binarni broj kao proporcionalnu vrijednost napona, to jest, s teorijske točke gledišta, mi samo radimo pretvorbu ljestvice. Cijela analogna ljestvica podijeljena je na kvante - to jest gradacije koje odgovaraju rezoluciji našeg binarnog "ravnala". Ako je maksimalna vrijednost signala npr. 2,56 V, tada ćemo s osmobitnim kodom dobiti kvant od 10 mV, a ne znamo i ne možemo saznati što se događa sa signalom između tih vrijednosti, tj. kao i u vremenskim intervalima između uzoraka. Ako uzmemo niz uzastopnih uzoraka određenog signala, na primjer, onih prikazanih na Sl. 17.1, a, tada kao rezultat dobivamo postupnu sliku prikazanu na sl. 17.2.

Riža. 17.2. Vraćanje digitaliziranog signala sa sl. 17.1, a

Ako usporedite grafikone na Sl. 17.1, a i na sl. 17.2, vidjet ćete da drugi grafikon predstavlja prvi, najblaže rečeno, vrlo približno. Kako biste povećali stupanj pouzdanosti dobivene krivulje, trebali biste, prvo, češće uzimati uzorke, a drugo, povećati dubinu bita. Tada će koraci postajati sve manji i manji, a nadamo se da će pri nekoj dovoljno visokoj rezoluciji, kako u vremenu tako iu kvantizaciji, krivulja na kraju postati nerazlučiva od kontinuirane analogne linije.

Bilješke na marginama

Očito, u slučaju audio signala, dodatno izglađivanje, na primjer, korištenjem niskopropusnog filtra, ovdje jednostavno nije potrebno, jer će samo pogoršati sliku, još više odsijecajući visoke frekvencije. Osim toga, sve vrste analognih pojačala same će izgladiti signal, a ljudska osjetila će također raditi kao filter. Dakle, prisutnost koraka sama po sebi nije važna ako su dovoljno mali, ali nagli pad frekvencijskog odziva iznad određene frekvencije ima fatalan učinak na kvalitetu zvuka. Mnogi ljudi s dobrim sluhom za glazbu tvrde da mogu točno razlikovati digitalni zvuk CD-kvalitete (uzorkovan na frekvenciji od 44,1 kHz, odnosno s prekidom na frekvenciji koja je očito viša od razine percepcije ljudskog sluha, i s broj gradacija od najmanje 65 tisuća za cijeli raspon) od pravog analognog zvuka, na primjer, s vinilne ploče ili vrpce. Zbog toga se visokokvalitetni digitalni zvuk snima na puno većim brzinama uzorkovanja od formalno potrebnih, primjerice 192 pa čak i 256 kHz, i tada se doista ne razlikuje od originala. Istina, izravno digitalizirani zvuk snima se samo na diskove u Audio CD formatu (s navedenim karakteristikama), a za gotovo sve ostale formate koriste kompresiju - kompresiju pomoću posebnih algoritama. Da nema kompresije, ni kapacitet modernih medija ni brzina računalnih mreža ne bi bili dovoljni za snimanje: samo jedna minuta stereo zvuka s parametrima kvalitete CD-a zauzima oko 10 MB na mediju, provjerite sami .

Nećemo ulaziti u specifičnosti uzorkovanja analognih periodičkih signala, budući da je to vrlo široko područje u suvremenom inženjerstvu, primarno povezano s digitalizacijom, pohranjivanjem, replikacijom i reprodukcijom zvuka i videa, te bi o tome trebala minimalno posebna knjiga. pisano o ovome. Za naše potrebe, prezentirane informacije su dovoljne, a sada ćemo prijeći izravno na zadatak digitalizacije i inverzne pretvorbe jedne vrijednosti signala.