Digitalizarea unui semnal echilibrat. Audio. Audio digital și analogic. Beijingul se prăbușește pe Wall Street

Să o facem mai întâi principii generale conversie analog-digitală. Principiul de bază al digitizării oricăror semnale este foarte simplu și este prezentat în Fig. 17.1, A. La unele momente în timp t 1, t 2, t 3 luăm valoarea instantanee semnal analogși, parcă, îi aplicăm o măsură, o riglă, gradată pe o scară binară. O riglă obișnuită ar conține diviziuni mari (metri), fiecare împărțită în zece părți (decimetri), fiecare, de asemenea, împărțită în zece părți (centimetri), etc. O riglă binară ar conține diviziuni împărțite în jumătate, apoi din nou în jumătate, etc. d . – câtă rezoluție este suficientă. Dacă întreaga lungime a unei astfel de rigle este, să zicem, 2,56 m, iar cea mai mică diviziune este de 1 cm (adică putem măsura lungimea sa cu o precizie de nu mai puțin de 1 cm, mai precis, chiar și jumătate din ea), atunci vor exista exact astfel de diviziuni 256 și pot fi reprezentate ca un număr binar de 1 octet sau 8 biți.

Orez. 17.1 . Digitalizarea semnalelor analogice:

A- principiul de bază;

b– explicarea teoremei Kotelnikov-Nyquist

Nimic nu se va schimba dacă măsurăm nu lungimea, ci tensiunea sau rezistența, doar sensul conceptului „riglă” va fi ușor diferit. Acesta este modul în care obținem mostre succesive ale mărimii semnalului x 1 , x 2 , x 3. Mai mult, rețineți că, cu rezoluția și numărul de cifre selectate, putem măsura o valoare nu mai mult de o anumită valoare care corespunde numărului maxim, în acest caz 255. În caz contrar, va trebui fie să creștem numărul de cifre (lungim rigla), sau schimba rezoluția spre agravare (întinde-o). Toate cele de mai sus reprezintă esența funcționării unui convertor analog-digital - ADC.

În fig. 17.1, A Graficul demonstrează acest proces pentru cazul în care măsurăm o cantitate care se modifică în timp. Dacă măsurătorile sunt efectuate în mod regulat la o frecvență cunoscută (numită frecvență de eșantionare sau frecvență de cuantizare), atunci pot fi înregistrate numai valorile semnalului. Dacă sarcina este de a restabili apoi semnalul inițial din valorile înregistrate, atunci, cunoscând frecvența de eșantionare și scara acceptată (adică, ce valoare a mărimii fizice corespunde numărului maxim din intervalul acceptat de numere binare), putem restabiliți întotdeauna semnalul original prin simpla reprezentare a punctelor pe grafic și conectându-le cu o linie netedă.

Dar ce pierdem? Uită-te la fig. 17.1, b, care ilustrează celebra teoremă Kotelnikov (ca de obicei, în străinătate poartă un alt nume - Nyquist, de fapt, amândoi au formulat-o independent unul de celălalt). Această figură arată o sinusoidă a frecvenței limită, pe care încă o putem reconstrui având o serie de puncte obținute la frecvența de eșantionare. f d. Deoarece în formula pentru oscilaţia sinusoidală A păcat(2π ft) există doi coeficienți independenți ( A– amplitudinea si f– frecvență), atunci pentru a restabili în mod unic aspectul graficului, aveți nevoie de cel puțin două puncte pentru fiecare perioadă, adică. Frecvența de eșantionare trebuie să fie de cel puțin două ori cea mai mare frecvență din spectrul semnalului analogic original. Aceasta este una dintre formulările comune ale teoremei Kotelnikov-Nyquist.

Numai componentele armonice cu frecvențe sub limită sunt restaurate fără ambiguitate. Adică, procesul de digitizare este echivalent cu acțiunea unui filtru trece-jos cu o tăietură dreptunghiulară a caracteristicii la o frecvență egală cu exact jumătate din frecvența de eșantionare.

Acum despre transformarea inversă. În esență, nu are loc conversie digital-analogic în DAC-urile pe care le vom lua în considerare aici; pur și simplu exprimăm numărul binar sub forma unei valori proporționale a tensiunii, adică, din punct de vedere teoretic, suntem angajați doar într-un conversie la scară. Întreaga scară analogică este împărțită în cuante - gradații corespunzătoare rezoluției „riglei” noastre binar. Dacă valoarea maximă a semnalului este, de exemplu, 2,56 V, atunci cu un cod de opt biți vom obține un cuantum de 10 mV și nu știm și nu putem afla ce se întâmplă cu semnalul dintre aceste valori, deoarece precum şi în intervalele de timp dintre probe . Dacă luăm o serie de mostre consecutive ale unui anumit semnal, de exemplu, cele prezentate în Fig. 17.1, A, apoi vom ajunge cu un model pas cu pas prezentat în Fig. 17.2.

Orez. 17.2 . Restabilirea semnalului digitizat din Fig. 17.1, a

Dacă comparați graficele din fig. 17.1, A iar în fig. 17.2, veți vedea că al doilea grafic îl reprezintă pe primul, ca să spunem ușor, foarte aproximativ. Pentru a crește gradul de fiabilitate al curbei rezultate, ar trebui, în primul rând, să luați probe mai des și, în al doilea rând, să creșteți adâncimea de biți. Apoi, pașii vor deveni din ce în ce mai mici și se speră că la o rezoluție suficient de mare, atât în timp, cât și în cuantizare, curba va deveni în cele din urmă imposibil de distins de o linie analogică continuă.

Note în margine

Evident, în caz semnale sonore O netezire suplimentară, de exemplu, folosind un filtru trece-jos, pur și simplu nu este necesară aici, deoarece nu va face decât să înrăutățească imaginea, eliminând și mai mult frecvențele înalte. În plus, tot felul de amplificatoare analogice vor netezi semnalul, iar simțurile umane vor funcționa și ca un filtru. Deci prezența pașilor în sine nu este importantă dacă sunt suficient de mici, dar o scădere bruscă a răspunsului în frecvență peste o anumită frecvență are un efect fatal asupra calității sunetului. Mulți oameni cu o ureche bună pentru muzică susțin că pot distinge cu precizie audio digital Calitate CD (care este eșantionată la o frecvență de 44,1 kHz, adică cu o tăietură la o frecvență evident mai mare decât nivelul de percepție a auzului uman și cu un număr de gradații de cel puțin 65 de mii pe întreaga gamă) de la prezentul sunet analogic, de exemplu, dintr-un disc de vinil sau o bandă. Din acest motiv, sunetul digital de înaltă calitate este înregistrat cu mult mai mult frecvente inalte eșantionare decât este necesar în mod formal, de exemplu, 192 sau chiar 256 kHz, și apoi devine cu adevărat indistinctă de cea originală. Adevărat, sunetul digitizat direct este înregistrat doar pe discuri în format CD audio și pentru aproape toate celelalte formate este utilizată compresia - compresie folosind algoritmi speciali. Dacă nu ar fi compresie, nici capacitatea media modernă, nici viteza nu ar fi suficiente pentru înregistrare retele de calculatoare: doar un minut de sunet stereo cu parametri de calitate CD ocupă aproximativ 10 MB de spațiu de stocare, îl puteți verifica singur.

Nu ne vom aprofunda în specificul eșantionării semnalelor periodice analogice, deoarece acesta este un domeniu foarte larg în inginerie modernă, asociat în principal cu digitizarea, stocarea, replicarea și redarea sunetului și a video-ului, iar aceasta ar trebui, cel puțin, să fie separată. carte.. Pentru scopurile noastre, informațiile prezentate sunt suficiente, iar acum vom trece direct la sarcina de a digitiza și converti invers o singură valoare a semnalului.

Vom începe de la sfârșit, adică cu convertoare digital-analogic - veți vedea de ce mai jos. Vom presupune că la intrare avem numere în formă binară– nu contează dacă este rezultatul digitizării unui semnal real sau al unui cod sintetizat. Trebuie să-l convertim la un nivel de tensiune analogic în conformitate cu scara selectată.

Cel mai simplu DAC este un decodor-distribuitor zecimal sau hexazecimal, cum ar fi 561ID1. Dacă îi aplicăm un cod pe patru biți, atunci la ieșire vom obține unul logic pentru fiecare valoare de cod pe un pin separat. Prin conectarea unei linii de LED-uri la ieșirile unui astfel de decodor, obținem un indicator de bandă (scală), care, cu o rezoluție de 10 sau 16 trepte pe întreaga gamă, va arăta nivelul unei anumite valori. Mai mult decât atât, de foarte multe ori pentru practică un astfel de indicator relativ brut, înlocuirea instrumentelor indicator, este destul de suficient. Sunt produse microcircuite speciale pentru a controla astfel de indicatori discreti de scară, care permit ca valoarea să fie afișată nu sub forma unui punct sau a unei benzi separate, ci sub forma unei coloane luminoase. Există, de asemenea, microcircuite care pot controla indicatoare de vid nu discrete, ci liniare. Există chiar și un microcircuit K1003PP1 (analogic UAA180), care convertește o valoare analogică (tensiune) direct într-un semnal de control pentru un indicator de bară. Un design destul de impresionant poate fi obținut dacă în circuitul termometrului conform Fig. 13.3 sau 13.4, înlocuiți capul indicator cu un astfel de microcircuit și un indicator de scară - ca o imitație cu drepturi depline a unui termometru tradițional!

Un astfel de DAC primitiv are două dezavantaje: în primul rând, creșterea rezoluției sale peste 16-20 de gradații este nerealistă, deoarece atunci vor fi prea multe ieșiri. Dar, cel mai important, este destinat sarcinii restrânse de a vizualiza o valoare digitală și este neajutorat în afara acestei zone. Un convertor care îndeplinește funcția conform fig. 1 ar fi folosit mult mai pe scară largă. 17.2, adică ieșirea unei tensiuni analogice proporționale cu codul la intrare.

O metodă „prost” de obținere a unei astfel de tensiuni ar consta în următoarea modificare a metodei cu un decodor-distribuitor de tip 561ID1. Pentru a face acest lucru, trebuie să construiți un divizor dintr-un lanț de rezistențe identice, să îl conectați la o sursă de tensiune de referință și să comutați robinetele acestui divizor cu chei controlate de la decodor-distribuitor. Pentru un cod cu două sau trei cifre, le puteți folosi pe cele descrise în capitolul 15 multiplexoare tip 561KP1 și 561KP2. Dar pentru un număr mai mare de biți, un astfel de DAC cu conversie directă se transformă într-un design complet monstruos. Un cod de opt biți ar necesita 256 de rezistențe (exact identice!), același număr de chei și un decodor cu același număr de ieșiri, dar un cod de opt biți este o „riglă” destul de grosieră, rezoluția sa nu depășește o un sfert de procent. Prin urmare, în practică, această metodă este folosită pentru a construi un ADC, și nu un DAC (deoarece, în ciuda complexității sale, are o proprietate unică, vezi mai jos), și aici nici măcar nu vom desena un astfel de circuit.

Să luăm în considerare una dintre cele mai comune metode, care permite conversia codului-tensiune fără a folosi astfel de structuri monstruoase. În fig. 17.3, A arată o opțiune de implementare pentru un DAC bazat pe un amplificator operațional cu rezistențe comutate în circuit părere. Ca taste de comutare, puteți utiliza, de exemplu, relee electronice de dimensiuni mici din seria 293, adică același tip pe care l-am folosit în proiectarea termostatului din fig. 12.9, sau chei specializate din seria 590. Cu toate acestea, pentru a implementa un contact de comutare ar fi necesar să instalați două astfel de chei pentru fiecare cifră, prin urmare seria 561 oferă un cip special 561KTZ (CD4066), care conține patru chei identice care funcționează exact așa cum se arată în diagrama dată.

Orez. 17.3. Scheme utilizate în construcții DAC :

A– DAC pe doi biți cu ieșire negativă;

b– lanț R–2R de lungime arbitrară;

V– DAC cu ieșire pozitivă

Aceste taste sunt bidirecționale, dar ieșirile lor funcționează diferit. Ieșirea, care este desemnată OUT/IN (în versiunea domestică, de obicei pur și simplu „Ieșire”), într-o stare este comutată cu o altă intrare/ieșire, în alta este pur și simplu dezactivată, ca de obicei. Și ieșirea, desemnată IN/OUT (în versiunea internă pur și simplu „Intrare”), într-o stare este conectată la prima intrare, dar când cheia este spartă, nu „atârnă în aer” ca prima, ci este împământat. Astfel, dacă aplicați un semnal logic la intrarea de control al tastei a 561KTZ, atunci pinul IN/OUT al tastei conectate corespunzător este comutat la intrarea OUT/IN, iar dacă semnalul de control este zero logic, atunci IN/OUT. Pinul OUT este scurtcircuitat la masă. , așa cum avem nevoie.

Note în margine

Rețineți că există și un microcircuit 176KT1 (CD4016A, nu există un analog cu acesta în seria 561, dar există o versiune importată CD4016B cu alimentare de până la 20 V), cu care 561KTZ este adesea confundat - are cel mai mult taste comune cu două fețe, fără împământare. Și, în ciuda faptului că aceste microcircuite sunt descrise exhaustiv în cartea de referință clasică, informații eronate sunt adesea furnizate în cărțile de referință pentru amatori online despre 561 KTZ. Desigur, este puțin probabil că va trebui să construiți singur astfel de DAC-uri, dar pentru orice eventualitate, ar trebui să țineți cont de faptul că rezistența comutatorului 561KTZ, precum și modificările mai moderne (1561 KTZ sau CD4066B), este destul de mare. , de ordinul a sute de ohmi, ceea ce poate afecta precizia. Deși în scopuri practice într-un număr de circuite (dar nu în cel luat în considerare!), ceea ce este mai important nu este valoarea absolută a rezistenței, ci diferența acestui parametru între chei, care, conform cărților de referință, nu nu depășește 5 ohmi.

Să ne gândim în sfârșit cum funcționează această schemă. Pentru a înțelege mai bine principiile, am desenat doar o versiune cu două cifre. Două cifre sunt patru gradații, adică tensiunea de ieșire a amplificatorului operațional trebuie să ia 4 valori cu intervale egale, în acest caz aceste tensiuni sunt egale cu 0, precum și 1/4, 1/2 și 3/4 din tensiunea de referinta U op. Cum se întâmplă asta?

Să luăm în considerare mai întâi circuitul în stare originala, când codul de la intrările de control al tastelor este „00”. Deoarece ambele sunt mai jos în circuitul rezistenței 2Rîn starea inițială sunt conectate la „pământ”, adică conectate în paralel, apoi rezistența lor totală este egală cu R .

Apoi, rezistența de sus din circuit R iar aceste două rezistențe formează un divizor, tensiunea peste care este egală cu exact jumătate din U op. Rezistorul paralel cu divizorul 2R nu participă la diviziunea tensiunii. Tastele sunt deschise, lanțul de rezistență este deconectat de la intrarea op-amp; iar ieșirea sa va avea o tensiune egală cu 0.

Lăsați codul să ia acum valoarea „01”. În acest caz, un rezistor cu o valoare nominală 2R cifra cea mai puțin semnificativă (cea mai joasă din circuit) este comutată la intrarea amplificatorului. Pentru lanțul de rezistență în sine R ‑2R nu contează dacă acest rezistor este conectat la masă sau la intrare, deoarece potențialul de intrare a amplificatorului operațional este egal cu același potențial de masă. Astfel, la intrarea amplificatorului operațional printr-o rezistență cu o valoare nominală 2R va curge un curent, a cărui mărime va fi egală cu tensiunea de la intrare ( U op/2, după cum am aflat), împărțit la valoarea acestui rezistor ( 2R). Valoarea curentă totală va fi U op /4R, iar acest curent se va crea pe rezistorul de feedback al amplificatorului operațional, a cărui rezistență este egală cu R, căderea de tensiune egală cu U op/4. Puteți gândi diferit - luați în considerare un amplificator inversor cu un câștig de 0,5, care este determinat de raportul de rezistență R /2R, și tensiunea de intrare U op/2. În total, ieșirea întregului circuit va fi tensiune U op/4 (dar cu semnul opus, deoarece amplificatorul se inversează).

Lăsați codul să ia acum valoarea „10”. Apoi totul este și mai simplu - tensiunea este conectată la intrarea amplificatorului operațional U op prin rezistorul superior 2R. Câștigul este același (0,5), deci ieșirea va fi tensiune U op/2. Cel mai dificil caz este atunci când codul ia valoarea „11” și ambele rezistențe sunt conectate. În acest caz, amplificatorul operațional ar trebui să fie considerat un adunator analogic (vezi. capitolul 12, orez. 12.5, A). Tensiunea de ieșire va fi determinată de suma curenților prin rezistențe 2R, înmulțit cu valoarea rezistenței de feedback R, adică va fi egal cu ( U op / 2 R + U op /4R)R, sau doar 3 U op /4.

M-am uitat la acest exemplu atât de detaliat pentru a demonstra în mod clar proprietățile lanțului R-2R. Metoda construcției sale cu orice număr de legături este prezentată în Fig. 17.3, b. Rezistori extreme 2R conectate in paralel si in total dau rezistenta R, prin urmare următorul link se dovedește a fi format din aceleași denominații în 2R si in total va da si R etc. Indiferent de cât de lung este realizat lanțul, acesta va împărți tensiunea de intrare într-un raport binar: la capătul din dreapta lanțului, conform diagramei, va exista tensiune. U op, pe ramura următoare U op/2, în continuare U op/4 etc.

Prin urmare, folosind doar două tipuri de rezistențe, care diferă de exact două ori, este posibil să construiți un DAC de practic orice capacitate. Deci, un DAC pe opt biți va conține 16 rezistențe și 8 comutatoare (dacă este comutat, ca în 561KTZ), fără a număra rezistența de feedback, care pentru claritate am avut și ea egală cu R, dar poate fi de orice denominație convenabilă. În DAC-urile integrate, acest rezistor nu este adesea instalat deloc în avans, dar pinii corespunzători sunt plasați în exterior, astfel încât să puteți obține cu ușurință orice scară de tensiune de ieșire. De exemplu, dacă în circuitul nostru facem acest rezistor egal cu 1,33 R, apoi la ieșire obținem tensiuni egale cu U op , 2U op /3, U op/3 și 0.

Adevărat, inconvenientul unui astfel de cea mai simplă schemă Problema este că tensiunile de ieșire vor avea semnul opus, dar această problemă este ușor de rezolvat. În fig. 17.3, V arată cea mai simplă versiune a unui DAC cu o ieșire pozitivă „normală”. Las la latitudinea cititorului să analizeze singur funcționarea acestui circuit - este, de fapt, chiar mai simplu decât versiunea inversabilă. Dezavantajul acestei opțiuni față de cea inversabilă este că câștigul nu este reglabil, iar scara va fi determinată doar de valoarea U op. Dar acest dezavantaj poate fi corectat cu ușurință complicând ușor circuitul. Astfel de DAC-uri sunt, de asemenea, numite inmultindu-se .

Note în margine

Nu voi lua în considerare circuitele integrate DAC comerciale (de exemplu, 572PA1) bazate pe acest principiu, deoarece, în general, funcționează la fel, iar DAC-urile singure, fără a fi utilizate ca parte a unui ADC, sunt rareori necesare. Cu toate acestea, să spunem câteva cuvinte despre problemele asociate cu metrologia. Este clar că nu este ușor să obțineți valori exacte ale rezistenței atunci când fabricați un cip al unui astfel de DAC, deci, în practică, valorile absolute R poate avea o răspândire destul de largă. Denumirile lor sunt atent coordonate între ele folosind reglarea laser. Rezistenta proprie a comutatoarelor poate avea o mare influenta si asupra functionarii circuitului, mai ales la bitii superiori, unde curentii sunt mai mari decat in cei inferiori. În versiunea integrată, chiar fac aceste chei diferite - în cifrele mai mari le pun pe altele mai puternice, cu mai puțină rezistență. Și dacă încercați să faceți un DAC de casă bazat pe 516KTZ menționat anterior, atunci valoarea lui R ar trebui să fie de zeci de kilo-ohmi, nu mai puțin, altfel comutatoarele vor începe să introducă prea multe erori.

Un alt punct este legat de obținerea unei tensiuni de referință stabile, deoarece aceasta afectează direct acuratețea conversiei și pentru absolut toate ADC-urile și DAC-urile, așa cum vom vedea mai târziu. În prezent, succesul electronicii a făcut posibil să uităm aproape de această problemă - totul marii producatori produce surse de tensiune de referință care permit obținerea unei stabilități de aproximativ 16 biți (adică 65.536 gradații de semnal). În plus, puteți oricând să construiți o diagramă, astfel încât măsurătorile să devină relative.

Viteza DAC-ului de tipul considerat este determinată în principal de viteza comutatoarelor și de tipul de logică utilizată, iar în cazul comutatoarelor CMOS nu este prea mare - aproximativ aceeași cu cea a elementelor CMOS convenționale.

Majoritatea DAC-urilor integrate sunt construite folosind principiul descris de însumare a curenților sau tensiunilor ponderate. O altă clasă de convertoare digital-analogic sunt integrarea DAC-uri care servesc la convertirea cantităților care variază în timp. Aceste DAC-uri vă permit în mod ideal să obțineți imediat un semnal cu adevărat analogic, continuu, fără semne de aliasing.

Gama de convertoare analog-digitale este semnificativ mai mare decât cea a DAC-urilor. Totuși, toată varietatea tipurilor lor poate fi redusă la trei soiuri: acestea sunt ADC-uri paralele, ADC-uri de aproximare succesivă și ADC-uri integratoare. Să le privim în ordine.

Probabil, toți cei care au ascultat vreodată un receptor sau un transceiver SDR nu au putut rămâne indiferenți față de recepția acestuia și mai ales față de comoditatea care se manifestă prin faptul că stațiile de pe rază nu pot fi doar auzite, ci și văzute. O privire de ansamblu asupra gamei în panorama transceiver-ului SDR vă permite să găsiți rapid și vizual stații în banda de recepție, ceea ce accelerează semnificativ căutarea corespondenților în timpul concursurilor și în timpul lucrului de zi cu zi în aer. Folosind „cascada”, istoricul semnalelor de pe bandă este urmărit vizual și puteți trece cu ușurință la un corespondent interesant. În plus, panorama în sine ne arată răspunsul în frecvență al posturilor recepționate, banda lor și lățimea de radiație, ceea ce ne permite să găsim rapid o zonă liberă pe raza de acțiune pentru a apela alți radioamatori.
Asta doar dacă vorbim despre partea vizuală a SDR, dar nu ar trebui să uităm nici de procesarea semnalului, atât pentru recepție, cât și pentru transmisie. Control total asupra lățimii și a tot ceea ce se află în banda de recepție. La făcând alegerea corectă parametrii necesari în elementele meniului de setări, semnalul de transmisie sună grozav.
Dar există o circumstanță: pentru a face SDR să funcționeze, aveți nevoie de dispozitive suplimentare: computerul însuși de înaltă calitate placa de sunet, unde are loc principala procesare a semnalului și monitor bun cu rezoluție mare a ecranului. Desigur, un potrivit software la acesta și la transceiver-ul SDR, care nu este ieftin. Toate acestea presupun deja anumite cerințe specifice pentru cunoștințele informatice ale radioamatorului. Ceea ce nu este întotdeauna, și nu toată lumea, din păcate.
Mai este un dezavantaj. Dacă acest lucru nu este vizibil în timpul recepției, atunci în timpul transmisiei, datorită procesării specifice a semnalului sonor în computer, există o întârziere semnificativă a semnalului de peste 150 ms, ceea ce elimină complet funcționarea normală a automonitorizării în toate tipurile. de radiatii. Singurul lucru care te poate salva este un receptor de control suplimentar sau un prieten care are și un transceiver SDR care va înregistra semnalul primit.
În zilele noastre, odată cu apariția generației de microprocesoare accesibile de la STM, este posibil să se dezvolte dispozitive care pot înlocui parțial unele dintre funcțiile de bază ale computerelor mari. Și anume, procesarea audio DSP și controlul transceiver-ului, precum și afișarea grafică a informațiilor pe afișajul transceiver-ului.
Ca urmare, componentele principale ale unui astfel de transceiver sunt elimină necesitatea unui computer extern . Dar, în același timp, ca și pe un computer extern, un serviciu convenabil pentru controlul transceiver-ului, diferite moduri de înregistrare a semnalelor, atât pentru recepție, cât și pentru transmisie, cu redarea ulterioară a înregistrărilor prin căști sau în aer în timpul transmisiei, economisind informatie necesara pe un card SD extern, care este afișat pe propriul ecran mare, cu o zonă largă de vizualizare, precum și procesare DSP și generare de semnal cu toate tipurile majore de radiații. Astfel de transceiver-uri oferă receptie de calitate semnal, filtre cu panta mare cu limite netede reglabile, filtru Notch automat. Folosesc egalizatoare grafice cu mai multe benzi, compresoare, reverbere pentru transmisie și, cel mai important, obțin un timp de întârziere minim. Cu un sintetizator extern, controlerele transceiver funcționează cu ușurință cu SDR-uri analogice. Aceste transceiver moderne folosesc pe scară largă căi radio HiQSDR și HiQSDR-mini 2.0, care sunt controlate de o magistrală SPI separată sau printr-o placă DSP prin magistrala SPI principală cu un minim de fire de conectare.
În urmă cu câțiva ani, a început producția de transceiver SDR, care funcționează pe principiul conversiei directe a unui semnal de radiofrecvență într-un IF audio, în care se află o placă de canal radio simplificată (comparativ cu circuitul clasic) și un computer specializat. o singură locuință. Accentul principal aici este pus pe software. Costul principal al produsului finit este determinat și de costul software-ului. Echipamentele Flex și Sun SDR sunt construite exact pe acest principiu.
În prezent, principiul procesării semnalului bazat pe metode DSP a trecut la următoarea etapă a evoluției sale. A apărut o nouă metodă pentru digitizarea directă a unui semnal de la o antenă, urmată de generarea directă a unui semnal dintr-un semnal digital, care vă permite să scăpați de aproape toate tipurile de probleme inerente atât tehnologiilor clasice, cât și SDR cu hardware de procesare a semnalului. .
Receptoarele radio și transceiverele cu digitizare directă a semnalului au abrevierea DDC (pentru Digital Down-Converter). Conversia inversă de la digital la analog este abreviată DUC (pentru Digital Up-Converter). Vorbim despre conversia semnalului digital folosind o metodă software. Trebuie remarcat imediat că abrevierea SDR (Software Define Radio) - software definit radio - este doar o definiție generală a unei clase de tehnologii de procesare a semnalului, care include arhitectura DDC ca una dintre metode.

Deja astăzi, odată cu apariția unei generații de microprocesoare la prețuri accesibile, a devenit posibil să se dezvolte dispozitive care pot înlocui parțial unele dintre funcțiile de bază ale computerelor mari. Și anume, procesarea audio DSP și controlul transceiver-ului, precum și afișarea grafică a informațiilor pe afișajul transceiver-ului. În arhitectura DDC, întregul spectru de semnale de la 0 Hz la frecvențele pe care cipul ADC le poate procesa este digitizat instantaneu. Cele mai moderne cipuri ADC de astăzi pot funcționa într-o bandă de până la 1 GHz, dar costul lor este încă foarte mare astăzi. În același timp, cele mai populare și relativ ieftine cipuri ADC digitizează spectrul cu o bandă de la 0 Hz la 60...100 MHz, ceea ce este destul de potrivit pentru sarcinile radio amatorilor. După digitizarea spectrului de semnal în banda 0 Hz - 30...60 MHz, la ieșirea cipului ADC se obține un flux de date digitale foarte mare, care este procesat în continuare de cipuri FPGA de mare viteză. În ele în mod programatic este implementat algoritmul DDC/DUC, i.e. convertor digital în jos sau în sus.
Un downconverter digital prelevează spectrul benzii necesare și îl transferă pe un computer pentru procesare - de exemplu. este creat un flux digital cu lățime de bandă și viteză semnificativ mai mici. Calculatorul efectuează procesarea software a fluxului folosind metode DSP și demodularea finală a semnalului.
În practică, foarte rar este necesar să se lucreze cu întregul spectru de semnale în banda 0 Hz - 30...60 MHz. Benzile maxime de care avem nevoie pentru procesare sunt 10...50 kHz pentru demodularea semnalelor AM, FM și 3...5 kHz pentru semnalele SSB.
Această metodă cea mai avansată de procesare a semnalului a fost implementată în transceiver-urile radio amator TULIP-DSP și analogul domestic - Tulip-DDC/DUC.

Un principiu similar de formare a semnalului este utilizat în transceiver-ele unei companii binecunoscute, care a început să producă noi modele încă din 2015. Un fragment din schema bloc a unui astfel de transceiver este prezentat mai jos.

Dacă mai devreme, cu câțiva ani în urmă, chiar și în astfel de transceiver-uri avansate precum ICOM IC-756Pro3 și IC-7600, a fost folosită metoda de scanare secvențială a spectrului și procesul de actualizare a imaginii a fost remarcat - adică. scanare rapidă, atunci acum observarea și procesarea semnalului au loc într-un complex, în paralel, deoarece acordarea frecvenței are loc instantaneu folosind o metodă software. Datorită faptului că o secțiune mare de frecvență de 30...60 MHz este digitalizată deodată, fără a pierde acordul la postul de radio actual, devine posibil să vedem ce se întâmplă în secțiunea vecină a spectrului. Mai mult, apelând al doilea receptor virtual, puteți auzi simultan ce se spune pe una și pe a doua bandă. Dar doi receptori nu sunt limita. Este posibil să apelați trei, cinci, zece... câte receptori doriți. Mixându-le sunetul într-un anumit fel, ești conștient de ceea ce se întâmplă pe trupe. Iar grafica „în nor” vă va permite să selectați rapid postul dorit.
Același lucru este valabil și pentru afișarea spectrului. În practică, este rar ca întreaga secțiune de 30...60 MHz să fie necesară simultan. Dacă este necesar, puteți selecta relativ ușor al doilea, al treilea, al patrulea și, în general, atâtea fluxuri mici cât este necesar din fluxul digital general și să le transferați pe computer, creând astfel mai multe canale de recepție simultan. Această metodă implementează două, trei sau atâtea „receptoare virtuale” cât este necesar pe întreaga bandă de digitalizare. De exemplu, creăm o panoramă separată pentru raza de 40 de metri, una separată pentru raza de 20 de metri și pentru alte distanțe..., le plasăm pe un monitor separat și acum avem posibilitatea de a observa în timp real condiţiile de trecere în zonele pe care le-am ales.

Pe de o parte, prezența dungilor de oglindă este un dezavantaj. Deoarece conceptul de DD se referă la întregul spectru de digitizare, este posibil să se descarce semnificativ intrarea ADC, acordând atenție circuitelor de intrare ale receptorului, care sunt cel mai bine făcute de înaltă calitate și reglabile. O opțiune alternativă este utilizarea filtrelor trece-jos cu o frecvență de tăiere de jumătate din frecvența de ceas sau filtre trece-bandă în circuitele de intrare. Ele pot atenua și mai mult semnalele puternice din afara benzii care sunt departe de banda de funcționare. În acest caz, se pierde posibilitatea de a revizui întreaga gamă de digitizare. Astfel de metode de preselecție sunt justificate dacă intenționați să utilizați receptorul DDC împreună cu antene mari sau în zone cu condiții dificile de interferență.
Pe de altă parte, acest dezavantaj oferă o oportunitate tehnologică prin mijloace simple implementați nu numai recepția pe banda HF, ci și pe VHF și chiar pe benzile DCV. Este necesar doar să faceți filtre trece-bandă înlocuibile cu LNA, benzi egale cu jumătate frecvența ceasului.
De exemplu, unele receptoare DDC au un filtru comutabil pentru gama MW-LW, iar unul dintre receptoarele WiNRADiO DDC și receptorul Perseus DDC au filtre de bandă îngustă configurabile în mod flexibil.
Cu doar 20 de ani în urmă nici nu puteam visa la așa ceva, când atașamentul panoramic la transceiver era de 2 ori mai mare decât transceiver-ul în sine și costa de 5-10 ori mai mult. Nu este nevoie să vorbim despre servicii și calitate. Tehnologia SDR, care a apărut la începutul anilor 2000, a făcut posibil să privim și să auzim emisiunea într-un mod complet diferit. Am văzut o emisiune reală în direct! Nu o imagine statică „înghețată” după o scanare lentă, ci o transmisie live în timp real.
Dacă, pentru a vedea o panoramă trunchiată a altor benzi în primele transceiver SDR cu conversie hardware a semnalului, este necesar să existe o cale de recepție separată pentru fiecare interval, atunci în calea de recepție, realizată conform tehnologie moderna DDC este disponibil atât în orice parte a gamei, cât și în întreaga gamă și, în același timp, în paralel cu secțiuni individuale ale secțiunilor sale. Implementarea tuturor acestor posibilități este posibilă numai datorită metodelor de DSP și digitalizare directă a semnalului.
În ceea ce privește subiectele radio amatorilor, una dintre cele mai populare funcții în prezent și în viitorul apropiat este selecția semnalului spațial și metodele de suprimare a zgomotului de fază. Astăzi există o metodă de fază pentru selecția semnalului și suprimarea zgomotului, implementată în hardware. În plus, folosind algoritmi matematici, orice funcții pentru scăderea interferenței și adăugarea de semnale utile, formate dintr-o pereche, patru sau o cantitate mare ADC.
Odată cu utilizarea acestor dezvoltări moderne, a devenit posibil telecomandă transceiver și munca la distanta in aer. Metodele moderne de transmitere a informațiilor sunt capabile să transmită fluxuri de date destul de mari, practic fără pierderi. Fluxul general de informații de la/la transceiver este destul de mic. Folosind stiva IP, devine posibilă utilizarea transceiver-ului ca segment de rețea chiar și fără a utiliza un computer. Instalând transceiver-ul în afara unui oraș mare, într-o zonă destul de liniștită, poți avea acces la emisiunile radio fără a părăsi apartamentul tău. Prin organizarea accesului oaspeților la transceiver, le oferiți prietenilor tăi posibilitatea de a lucra în emisie. Încă una functie utila, folosit de serviciile speciale, este capacitatea de a înregistra întreaga transmisie radio sau anumite fragmente de transmisie radio pe un hard disk al computerului cu procesare întârziată. Această caracteristică vă permite să faceți rapid prelucrare statistică semnale, căutați și monitorizați semnalele țintă și, de asemenea, efectuați multe operațiuni despre care trebuie să știți la utilizatorul mediu nepermis.

Puteți selecta radiourile care vă interesează

Citiți articolul până la sfârșit, deoarece exprimă o părere diferită de cea tradițională cu privire la schimbarea studioului de înregistrare.

Interferență electromagnetică.

Toate firele pot capta interferențe electromagnetice. Acest lucru poate provoca zgomot sau zumzet. Această interferență poate proveni de la orice alt echipament muzical sau casnic.

Pentru a reduce influența unei astfel de interferențe, a fost inventată o conexiune echilibrată.

Conexiune echilibrată.

Se numește echilibrat deoarece semnalul audio călătorește prin două fire diferite în plus față de masă. Aceste două fire poartă același semnal, cu excepția faptului că semnalul de pe unul dintre fire este inversat. Scopul principal al inversării semnalului este de a elimina zgomotul la capătul de recepție. Aceste acțiuni ajută sistemul echilibrat să reziste mai bine la zgomotul exterior.

Așa arată un fir echilibrat.

Nu este o conexiune echilibrată.

Spre deosebire de transmisia de semnal echilibrat, dezechilibrat necesită un singur fir (central în cablu) și o masă (GND). Deoarece un singur fir transmite semnalul, această conexiune se numește dezechilibrat. Această metodă este susceptibilă la interferențe care vor fi transmise împreună cu semnalul original. Pe măsură ce lungimea cablului crește, și intensitatea zgomotului va crește. Acesta este motivul pentru care majoritatea inginerilor de studio sau tehnicienilor de performanță live folosesc conexiuni echilibrate pentru cabluri foarte lungi.

Așa arată un fir neechilibrat.

Ce trebuie să rețineți și să știți despre conexiunile echilibrate și dezechilibrate?

Majoritatea dispozitivelor și instrumentelor analogice sau digitale mai vechi fabricate înainte de anii 90 aveau ieșiri audio dezechilibrate. Conectarea unui astfel de dispozitiv sau instrument cu un fir echilibrat la intrarea echilibrată a unui mixer este inacceptabilă! Când conectați o ieșire audio dezechilibrată cu un fir echilibrat, apare antifază; dacă aveți sunet stereo (se folosesc două ieșiri) sau dacă aveți sunet mono (este folosită o ieșire), va apărea un sunet slab și liniștit.

De exemplu, Roland TR 808 sau Roland MC 505 au ieșiri audio dezechilibrate.

Și invers, dacă conectați un dispozitiv sau sintetizator cu o ieșire audio echilibrată cu un fir neechilibrat. Sunetul nu își va pierde adâncimea și nu va apărea antifază.

Opinie tradițională.

O conexiune echilibrată este considerată a fi mai profesională, deoarece elimină zgomotul. Se recomandă utilizarea comutării echilibrate în studiourile de înregistrare. Pentru instrumente sau instrumente dezechilibrate, sunt disponibile diverse convertoare dezechilibrate la echilibrate. In orice caz...

Opinie neconvențională, ingineri de sunet cu experiență.

Mulți ingineri de sunet de studio nu recunosc conexiunea echilibrată, crezând că creează probleme în mixul general tocmai pentru că semnalul audio este inversat. Inversarea este atunci când un fir poartă un semnal fierbinte, pozitiv (plus), iar celălalt poartă exact același semnal, dar un semnal rece, negativ (minus). Prin suprapunerea, cele două semnale scad zgomotul, iar noi nu auzim zgomotul. Dar... nu numai zgomotul poate fi scăzut. Odată cu zgomotul, pot dispărea culoarea sunetului important, căldura și bogăția. Și există întotdeauna pericole care sunet stereo vor începe să apară antifaze. Apoi, în mixul general, este posibilă eșecul și sărăcirea unor părți muzicale întregi.

Conexiunea echilibrată nu a fost de fapt inventată pentru înregistrarea în studio. Este ideal pentru concerte live unde sunt implicate cabluri lungi.

Studiourile de înregistrare profesionale sunt de obicei bine protejate în jurul perimetrului de zgomotul extern. Pentru a combate zgomotul, sunt instalate redresoare de tensiune. Dispozitivele din rafturi sunt amplasate astfel încât să nu se creeze interferențe electromagnetice. Cablurile audio sunt situate la o distanță relativă de diverse surse de alimentare. Cu plasarea corectă a echipamentelor de studio, utilizarea cablurilor echilibrate devine inutilă. Singurele excepții sunt microfoanele de studio cu un fir lung și o ieșire echilibrată (XLR).

O concluzie cu care nu trebuie să fiți de acord.

Conectați toate dispozitivele din studioul dvs. numai cu fire dezechilibrate. În primul rând, cu siguranță nu vă veți înșela cu privire la dispozitivul pe care îl aveți are o ieșire echilibrată și care nu este echilibrat. În al doilea rând, vei obține un sunet gras, de școală veche în amestec.

Combateți zgomotul abordând interferențele electromagnetice în alte moduri. Eliminați singur interferențele „manual” (ecran, mișcare, sol) și nu aveți încredere în conexiunea echilibrată pentru a face acest lucru.

Notă: am scris despre unele metode de a face față zgomotului

Să ne ocupăm mai întâi de principiile generale ale conversiei analog-digitale. Principiul de bază al digitizării oricăror semnale este foarte simplu și este prezentat în Fig. 17.1, a. La unele momente de timp t\, ti, h, luăm valoarea instantanee a semnalului analogic și, parcă, îi aplicăm o măsură, o riglă, gradată pe o scară binară. O riglă obișnuită ar conține diviziuni mari (metri), fiecare împărțită în zece părți (decimetri), fiecare dintre acestea fiind, de asemenea, împărțită în zece părți (centimetri), etc. O riglă binară ar conține diviziuni împărțite în jumătate, apoi din nou în jumătate , etc d. - câtă rezoluție este suficientă. Dacă întreaga lungime a unei astfel de rigle este, să zicem, 2,56 m, iar cea mai mică diviziune este de 1 cm (adică putem măsura lungimea sa cu o precizie de nu mai puțin de 1 cm, mai precis, chiar și jumătate din ea), atunci vor fi exact 256 de astfel de diviziuni și pot fi reprezentate ca un număr binar de 1 octet sau 8 biți.

Nimic nu se va schimba dacă măsurăm nu lungimea, ci tensiunea sau rezistența, doar sensul conceptului „riglă” va fi ușor diferit. Astfel obținem citiri succesive ale mărimii semnalului xi, xr, xs. Mai mult, rețineți că, cu rezoluția și numărul de cifre selectate, putem măsura o valoare nu mai mult de o anumită valoare care corespunde numărului maxim, în acest caz 255. În caz contrar, va trebui fie să creștem numărul de cifre (lungim rigla) sau modificați rezoluția în direcția agravării (întindeți-o). Toate cele de mai sus reprezintă esența funcționării unui convertor analog-digital - ADC.

În fig. 17.1, iar graficul demonstrează acest proces pentru cazul în care măsurăm o cantitate care se modifică în timp. Dacă măsurătorile sunt efectuate în mod regulat la o frecvență cunoscută (numită frecvență de eșantionare sau frecvență de cuantizare), atunci pot fi înregistrate numai valorile semnalului. Dacă sarcina este să restabilim apoi semnalul inițial din valorile înregistrate, atunci, cunoscând frecvența de eșantionare și scara acceptată (adică ce valoare a mărimii fizice corespunde numărului maxim din intervalul acceptat de numere binare), vom poate întotdeauna să restabilească semnalul inițial prin simpla trasare a punctelor pe grafic și conectând linia lor netedă.

Dar ce pierdem? Uită-te la fig. 17.1,6, care ilustrează celebra teoremă Kotelnikov (ca de obicei, în străinătate poartă un alt nume - Nyquist, de fapt, amândoi au venit cu ea independent unul de celălalt). Această figură prezintă o sinusoidă a frecvenței limită, pe care încă o putem reconstrui având o serie de puncte obținute cu o frecvență de eșantionare /d. Deoarece în formula pentru o oscilație sinusoidală As\n(2nft) există doi coeficienți independenți (A - amplitudine și / - frecvență), pentru a restabili aspectul unic al graficului, aveți nevoie de cel puțin două puncte pe fiecare perioadă. , adică frecvența de digitizare ar trebui să fie de cel puțin două ori cea mai mare frecvență din spectrul semnalului analogic original. Aceasta este una dintre formulările comune, teorema Kotelnikov-Nyquist.

Încercați să desenați singur un alt sinusoid fără o schimbare de fază, trecând prin punctele indicate pe grafic și veți vedea că acest lucru este imposibil. În același timp, puteți desena orice număr de sinusoide diferite care trec prin aceste puncte, atâta timp cât frecvența lor este de un număr întreg de ori mai mare decât rata de eșantionare/d. În total, aceste sinusoide sau armonice (adică termenii expansiunii semnalului din seria Fourier, vezi capitolul 5) vor da un semnal de orice formă complexă, dar nu pot fi restaurate și dacă astfel de armonici sunt prezente în semnal original, vor dispărea pentru totdeauna. Numai componentele armonice cu frecvențe sub limită sunt restaurate fără ambiguitate. Adică, procesul de digitizare este echivalent cu acțiunea unui filtru trece-jos cu o tăietură dreptunghiulară a caracteristicii la o frecvență egală cu exact jumătate din frecvența de eșantionare.

Acum despre transformarea inversă. În esență, nu are loc conversie digital-analogic în DAC-urile pe care le vom lua în considerare aici; pur și simplu exprimăm numărul binar ca valoare proporțională a tensiunii, adică din punct de vedere teoretic, facem doar o conversie la scară. Întreaga scară analogică este împărțită în cuante - adică gradații corespunzătoare rezoluției „riglei” noastre binar. Dacă valoarea maximă a semnalului este, de exemplu, 2,56 V, atunci cu un cod de opt biți vom obține un cuantum de 10 mV și nu știm și nu putem afla ce se întâmplă cu semnalul dintre aceste valori, deoarece precum şi în intervalele de timp dintre probe . Dacă luăm o serie de mostre consecutive ale unui anumit semnal, de exemplu, cele prezentate în Fig. 17.1, a, apoi, ca rezultat, obținem imaginea în trepte prezentată în Fig. 17.2.

Orez. 17.2. Restabilirea semnalului digitizat din Fig. 17.1, a

Dacă comparați graficele din fig. 17.1, a și în fig. 17.2, veți vedea că al doilea grafic îl reprezintă pe primul, ca să spunem ușor, foarte aproximativ. Pentru a crește gradul de fiabilitate al curbei rezultate, ar trebui, în primul rând, să luați probe mai des și, în al doilea rând, să creșteți adâncimea de biți. Apoi pașii vor deveni din ce în ce mai mici și se speră că la o rezoluție suficient de mare, atât în timp, cât și în cuantizare, curba va deveni în cele din urmă indistinguită de o linie analogică continuă.

Note în margine

Evident, în cazul semnalelor audio, netezirea suplimentară, de exemplu, folosind un filtru trece-jos, pur și simplu nu este necesară aici, deoarece nu va face decât să înrăutățească imaginea, tăind și mai mult frecvențele înalte. În plus, tot felul de amplificatoare analogice vor netezi semnalul, iar simțurile umane vor funcționa și ca un filtru. Deci prezența pașilor în sine nu este importantă dacă sunt suficient de mici, dar o scădere bruscă a răspunsului în frecvență peste o anumită frecvență are un efect fatal asupra calității sunetului. Mulți oameni cu o ureche bună pentru muzică susțin că pot distinge cu acuratețe sunetul digital de calitate CD (eșantionat la o frecvență de 44,1 kHz, adică cu o frecvență de tăiere la o frecvență evident mai mare decât nivelul de percepție al auzului uman și cu un număr de gradații de cel puțin 65 de mii pentru întreaga gamă) din sunetul analog real, de exemplu, dintr-o înregistrare de vinil sau o bandă. Din acest motiv, sunetul digital de înaltă calitate este înregistrat la rate de eșantionare mult mai mari decât cele cerute în mod oficial, de exemplu, 192 și chiar 256 kHz, iar apoi devine cu adevărat imposibil de distins de original. Adevărat, sunetul digitizat direct este înregistrat numai pe discuri în format CD audio (cu caracteristicile specificate), iar pentru aproape toate celelalte formate folosesc compresie - compresie folosind algoritmi speciali. Dacă nu ar fi compresie, nici capacitatea media modernă, nici viteza rețelelor de calculatoare nu ar fi suficiente pentru înregistrare: doar un minut de sunet stereo cu parametri de calitate CD ocupă aproximativ 10 MB pe suport, îl poți verifica singur. .

Nu vom aprofunda în specificul eșantionării semnalelor periodice analogice, deoarece acesta este un domeniu foarte larg în inginerie modernă, asociat în primul rând cu digitizarea, stocarea, replicarea și redarea sunetului și video și, cel puțin, ar trebui să fie o carte separată. scris despre asta. Pentru scopurile noastre, informațiile prezentate sunt suficiente, iar acum vom trece direct la sarcina de a digitiza și converti invers o singură valoare a semnalului.