Оцифрування балансового сигналу. Аудіо. Цифрове та аналогове аудіо. Пекін обвалив Уолл-стріт

Займемося спочатку загальними принципамианалого-цифрового перетворення. Основний принцип оцифровування будь-яких сигналів дуже простий і показаний на рис. 17.1, а. У деякі моменти часу t 1 , t 2 , t 3ми беремо миттєве значення аналогового сигналуі хіба що прикладаємо щодо нього певну міру, лінійку, проградуйовану в двійковому масштабі. Звичайна лінійка містить великі поділки (метри), поділені кожне на десять частин (дециметри), кожна з яких також поділена на десять частин (сантиметри), і т. д. д. – скільки вистачить роздільної здатності. Якщо вся довжина такої лінійки становить, припустимо, 2,56 м, а найдрібніший поділ – 1 см (тобто ми можемо поміряти їй довжину з точністю не гірше 1 см, точніше навіть половини його), то таких поділок буде рівно 256, і їх можна уявити двійковим числом розміром 1 байт або 8 двійкових розрядів.

Рис. 17.1 . Оцифрування аналогових сигналів:

а- Основний принцип;

б- Пояснення до теореми Котельникова – Найквіста

Нічого не зміниться, якщо ми міряємо не довжину, а напругу чи опір, лише сенс поняття «лінійка» буде дещо інший. Так ми отримуємо послідовні відліки величини сигналу x 1 , x 2 , x 3. Причому зауважте, що при обраній роздільній здатності і кількості розрядів ми можемо поміряти величину не більше деякого значення, яке відповідає максимальному числу, в даному випадку 255. Інакше доведеться або збільшувати число розрядів (подовжувати лінійку), або змінювати роздільну здатність у бік погіршення (розтягувати її). Все викладене є сутність роботи аналого-цифрового перетворювача – АЦП.

На рис. 17.1, аграфік демонструє цей процес для випадку, якщо ми міряємо якусь величину, що змінюється в часі. Якщо вимірювання проводити регулярно з відомою частотою (її називають частотою дискретизації чи частотою квантування), записувати можна лише значення сигналу. Якщо стоїть завдання потім відновити початковий сигнал за записаними значеннями, то, знаючи частоту дискретизації та прийнятий масштаб (тобто якому значенню фізичної величини відповідає максимальна кількість у прийнятому діапазоні двійкових чисел), ми завжди можемо відновити вихідний сигнал, просто відклавши крапки на графіку та з'єднавши їх плавною лінією.

Але що ми при цьому втрачаємо? Подивіться на рис. 17.1, б, який ілюструє знамениту теорему Котельникова (як водиться, там вона носить інше ім'я – Найквіста, насправді вони обидва сформулювали її незалежно друг від друга). На цьому малюнку показана синусоїда граничної частоти, яку ми ще можемо відновити, маючи масив точок, отриманих з частотою дискретизації f д. Так як у формулі для синусоїдального коливання A· Sin (2π ft) є два незалежні коефіцієнти ( А– амплітуда та f– частота), то щоб вид графіка відновити однозначно, потрібно як мінімум дві точки за кожен період, тобто. частота оцифрування має бути як мінімум вдвічі більшою, ніж найвища частота в спектрі вихідного аналогового сигналу. Це і є одне з поширених формулювань теореми Котельникова - Найквіста.

Спробуйте самі намалювати іншу синусоїду без зсуву по фазі, що проходить через вказані на графіку точки, і ви переконаєтесь, що це неможливо. У той же час можна намалювати скільки завгодно різних синусоїд, що проходять через ці точки, якщо їх частота в ціле число разів вища за частоту дискретизації. f д. У сумі ці синусоїди, або гармоніки (тобто члени розкладання сигналу до ряду Фур'є – див. розділ 5), дадуть сигнал будь-якої складної форми, але відновити їх не можна, і якщо такі гармонікиприсутні у вихідному сигналі, вони пропадуть назавжди.

Тільки гармонійні складові з частотами нижче від граничної відновлюються однозначно. Тобто процес оцифрування рівносильний дії ФНЧ з прямокутним зрізом характеристики на частоті, що дорівнює половині частоти дискретизації.

Тепер про зворотне перетворення. По суті, ніякого перетворення цифра аналог в ЦАП, які ми тут розглядатимемо, не відбувається, просто ми висловлюємо двійкове число у вигляді пропорційної величини напруги, тобто займаємося, з точки зору теорії, лише перетворенням масштабів. Вся аналогова шкала поділена на кванти – градації, що відповідають роздільній здатності нашої двійкової «лінійки». Якщо максимальне значення сигналу дорівнює, наприклад, 2,56, то при восьмирозрядному коді ми отримаємо квант в 10 мВ, і що відбувається з сигналом між цими значеннями, а також і в проміжки часу між відліками, ми не знаємо і дізнатися не можемо . Якщо взяти ряд послідовних відліків якогось сигналу, наприклад, показаних на рис. 17.1, а, то в результаті отримаємо ступінчасту картину, показану на рис. 17.2.

Рис. 17.2 . Відновлення оцифрованого сигналу з рис. 17.1, а

Якщо ви порівняєте графіки на рис. 17.1, ата на рис. 17.2, то побачите, що другий графік представляє перший, м'яко кажучи, дуже приблизно. Щоб підвищити ступінь достовірності отриманої кривою, слід, по-перше, брати відліки частіше, і по-друге, збільшувати розрядність. Тоді сходинки будуть все менше і менше, і є надія, що при деякому досить високому дозволі, як за часом, так і за квантуванням, крива стане, врешті-решт, невідмінною від безперервної аналогової лінії.

Нотатки на полях

Очевидно, що у випадку звукових сигналівдодаткове згладжування, наприклад, за допомогою ФНЧ, тут просто не потрібне, бо воно лише погіршить картину, відрізаючи високі частоти ще більше. До того ж всякі аналогові підсилювачі самі згладять сигнал, і органи чуття людини теж попрацюють як фільтр. Отже наявність сходинок саме собою несуттєво, якщо вони досить дрібні, тоді як різкий спад частотної характеристики вище деякої частоти позначається якості звуку фатальним чином. Багато людей з хорошим музичним слухом стверджують, що вони безпомилково відрізняють цифровий звук CD-якості (дискретизація якого проводиться з частотою 44,1 кГц, тобто зі зрізом на частоті явно вищою, ніж рівень сприйняття людського слуху, і з кількістю градацій не менше 65 тисяч на весь діапазон) від сьогодення аналогового звукунаприклад, з вінілової пластинки або з магнітофонної стрічки. Тому якісний цифровий звук записується з набагато більше високими частотамидискретизації, ніж формально необхідно, наприклад, 192 і навіть 256 кГц, і він стає дійсно невідмінним від вихідного. Щоправда, безпосередньо оцифрований звук записують хіба що на диски у форматі Audio CD, а майже для всіх інших форматів використовують компресію – стиск за спеціальними алгоритмами. Якби не компресія, для запису не вистачило б ні ємності сучасних носіїв, ні швидкодії комп'ютерних мереж: всього одна хвилина стереозвуку з параметрами CD-якості займає на носії близько 10 Мбайт, можете перевірити самостійно.

Поглиблюватись особливо дискретизації аналогових періодичних сигналів ми не будемо, тому що це дуже велика область в сучасній інженерії, пов'язана в першу чергу з оцифровкою, зберіганням, тиражуванням та відтворенням звуку та відео, і про це потрібно, як мінімум, писати окрему книгу . Для наших цілей достатньо викладених відомостей, а тепер ми перейдемо безпосередньо до завдання оцифрування і зворотного перетворення окремого значення сигналу.

Почнемо ми з кінця, тобто з цифроаналогових перетворювачів – чому ви побачите далі. Вважатимемо, що на вході ми маємо числа в двійковій формі- не має значення, результат оцифрування якогось реального сигналу або синтезований код. Нам його потрібно перетворити на аналоговий рівень напруги відповідно до обраного масштабу.

Найпростіший ЦАП - десятковий або шістнадцятковий дешифратор-розподільник, подібний 561ІД1. Якщо на нього подати чотирирозрядний код, то на виході отримаємо логічну одиницю для кожного значення коду на окремому висновку. Приєднавши до виходів такого дешифратора лінійку світлодіодів, отримуємо смужковий (шкільний) індикатор, який з роздільною здатністю в 10 або 16 ступенів на весь діапазон показуватиме рівень певної величини. Причому дуже часто для практики такого щодо грубого індикатора, що замінює стрілочні прилади, цілком достатньо. Випускаються спеціальні мікросхеми для управління такими дискретними шкальними індикаторами, які дозволяють показувати значення не у вигляді окремої точки або смужки, а у вигляді стовпчика, що світиться. Існують і мікросхеми, які можуть керувати не дискретними, а лінійними вакуумними індикаторами. Є навіть мікросхема К1003ПП1 (аналог UAA180), яка перетворює аналогову величину (напруга) відразу в сигнал керування для шкального індикатора. Досить ефектна конструкція може вийти, якщо у схемі термометра за рис. 13.3 або 13.4 замінити голівку, що показує, на таку мікросхему і шкальний індикатор - як би повноцінна імітація термометра традиційного!

Такий примітивний ЦАП має дві недоліки: по-перше, підвищити його дозвіл понад 16–20 градацій нереально, тому що виходів тоді вийде надто багато. Але головне, він призначений для вузької задачі візуалізації цифрової величини і за межами цієї галузі безпорадний. Куди ширше застосування мав би перетворювач, який здійснює функцію рис. 17.2, тобто видає на виході аналогове напруження, пропорційне коду на вході.

"Тупий" метод отримання такої напруги полягав би в наступній модифікації методу з дешифратором-розподільником типу 561ІД1. Для цього треба вибудувати дільник з ланцюжка однакових резисторів, підключити його до джерела опорної напруги та комутувати відводи цього дільника ключами, керованими від дешифратора-розподільника. Для двох-трьохрозрядного коду можна використовувати описані в главі 15мультиплексори типу 561КП1 та 561КП2. Але для більшої кількості розрядів такий ЦАП з безпосереднім перетворенням перетворюється на абсолютно жахливу конструкцію. Для восьмирозрядного коду знадобилося б 256 резисторів (суворо однакових!), стільки ж ключів і дешифратор з такою ж кількістю виходів, а восьмирозрядний код – досить груба «лінійка», її роздільна здатність не перевищує чверті відсотка. Тому на практиці такий метод використовують для побудови АЦП, а не ЦАП (бо, незважаючи на складність, він має одну унікальну властивість, див. далі), і тут ми навіть не малюватимемо таку схему.

Розглянемо один із найпоширеніших методів, який дозволяє здійснювати перетворення код-напруга без використання подібних монструозних конструкцій. На рис. 17.3, апоказаний варіант реалізації ЦАП на основі ОУ з комутованими резисторами в ланцюзі зворотнього зв'язку. Як комутуючі ключі можна застосувати, наприклад, малогабаритні електронні реле серії 293, тобто того ж типу, що ми застосовували в конструкції термостата по рис. 12.9, або спеціалізовані ключі із серії 590. Однак для здійснення перемикаючого контакту потрібно було ставити по два такі ключі на кожен розряд, тому в серії 561 передбачена спеціальна мікросхема 561КТЗ (CD4066), яка містить чотири однакові ключі, що працюють саме так, як показано на наведеною схемою.

Рис. 17.3. Схеми, які застосовуються при побудові ЦАП :

a- Дворозрядний ЦАП з негативним виходом;

б- ланцюжок R-2R довільної довжини;

в– ЦАП із позитивним виходом

Ключі ці двонаправлені, але їхні висновки працюють по-різному. Той висновок, який позначається OUT/IN (у вітчизняному варіанті зазвичай просто "Вихід"), в одному стані комутується з іншим входом/виходом, в іншому просто відключений, як завжди. А висновок, що позначається IN/OUT (у вітчизняному варіанті просто «Вхід»), в одному стані підключається до першого входу, а при розриві ключа не «повисає в повітрі», як перший, а заземлюється. Таким чином, якщо подати на вхід керування ключем у складі 561КТЗ сигнал логічної одиниці, то виведення IN/OUT відповідним чином підключеного ключа комутується на вхід OUT/IN, а якщо сигнал керування дорівнює логічному нулю, висновок IN/OUT замикається на «землю» як нам і потрібно.

Нотатки на полях

Зазначимо, що є ще мікросхема 176КТ1 (CD4016A, у 561-й серії їй аналога немає, але є імпортна версія CD4016B з харчуванням до 20 В), з якою 561КТЗ часто плутають – у неї ключі звичайніші двосторонні, без заземлення. І, незважаючи на те, що в класичному довіднику ці мікросхеми описані вичерпним чином, у мережевих самодіяльних довідниках з приводу 561 КТЗ нерідко наводяться хибні відомості. Самим будувати такі ЦАП, звичайно, навряд чи доведеться, але про всяк випадок слід врахувати, що опір ключа 561КТЗ, як і більш сучасних модифікацій (1561 КТЗ або CD4066B), досить велике, близько сотні, що може позначатися на точності. Хоча для практичних цілей у ряді схем (але не в аналізованій!) важливіше не абсолютне значення опору, а різниця в цьому параметрі між ключами, яка, якщо вірити довідникам, не перевищує 5 Ом.

Розглянемо, нарешті, як працює така схема. Для кращого з'ясування принципів я намалював лише дворозрядний варіант. Два розряди – це чотири градації, тобто вихідна напруга ОУ повинна приймати 4 значення з рівними проміжками, в даному випадку ці напруги дорівнюють 0, а також 1/4, 1/2 та 3/4 від опорної напруги U оп. Як це відбувається?

Розглянемо спочатку схему в вихідний стан, коли на входах керування ключами код має значення "00". Так як обидва нижні за схемою резистора 2Rу вихідному стані приєднані до «землі», тобто включені паралельно, то їх сумарний опір дорівнює R .

Тоді верхній за схемою резистор Rі ці два резистори утворюють дільник, напруга на якому дорівнює рівно половині від U оп. Паралельний дільнику резистор 2Rу розподілі напруги не бере участі. Ключі розімкнуті, ланцюжок резисторів від'єднаний від входу ОУ; і на його виході буде напруга, що дорівнює 0.

Нехай тепер код набуде значення «01». У цьому випадку резистор із номіналом 2Rмолодшого розряду (нижнього за схемою) перемикається до входу підсилювача. Для самого ланцюжка резисторів R ‑2Rбайдуже, до «землі» приєднаний цей резистор чи до входу, оскільки потенціал входу ОУ дорівнює тому ж потенціалу «землі». Таким чином, до входу ОУ через опір із номіналом 2Rпотече струм, величина якого дорівнюватиме величині напруги на його вході ( U оп/2, як ми з'ясували), поділеної на величину цього резистора ( 2R). Разом значення струму буде U оп /4R, і цей струм створить на резисторі зворотного зв'язку ОУ, опір якого дорівнює R, падіння напруги, рівне U оп/4. Можна вважати і по-іншому - розглядати підсилювач, що інвертує, з коефіцієнтом посилення 0,5, що визначається ставленням опорів R /2R, та напругою на вході U оп/2. Разом на виході всієї схеми буде напруга U оп/4 (але зі зворотним знаком, тому що підсилювач інвертує).

Нехай код приймає значення «10». Тоді ще простіше – до входу ОУ підключається напруга U опчерез верхній резистор 2R. Коефіцієнт посилення той самий (0,5), так що на виході буде напруга U оп/2. Найскладніший випадок – коли код набуває значення «11», і підключаються обидва резистори. В цьому випадку ОУ слід розглядати як аналоговий суматор (див. розділ 12, Рис. 12.5, а). Напруга на виході визначатиметься сумою струмів через резистори 2R, помноженої на величину опору зворотного зв'язку R, тобто буде одно ( U оп / 2 R + U оп /4R)R, або просто 3 U оп /4.

Я так докладно розглянув цей приклад, щоб наочно продемонструвати властивості ланцюжка R‑2R. Спосіб її побудови з будь-якою кількістю ланок показано на рис. 17.3, б. Крайні резистори 2Rвключені паралельно та в сумі дають опір R, тому наступна ланка виявляється що складається з тих же номіналів по 2Rі в сумі також дасть Rі т. д. Який би довжини ланцюжок не зробити, він ділитиме вхідну напругу в двійковому співвідношенні: на самому правому за схемою кінці ланцюжка буде напруга U оп, на наступному відведенні U оп/2, наступного U оп/4 і т.д.

Тому за допомогою всього двох типономіналів резисторів, що відрізняються рівно вдвічі, можна будувати ЦАП у принципі будь-якої розрядності. Так, восьмирозрядний ЦАП міститиме 16 резисторів та 8 ключів (якщо з перемиканням, як у 561КТЗ), крім резистора зворотного зв'язку, який у нас для наочності дорівнював також Rале може бути будь-якого зручного номіналу. В інтегральних ЦАП часто цей резистор взагалі не встановлюють заздалегідь, а виносять відповідні висновки назовні, тому можна легко отримувати будь-який масштаб напруги по виходу. Наприклад, якщо у нашій схемі зробити цей резистор рівним 1,33 R, то на виході ми отримаємо напруги, рівні U оп , 2U оп /3, U оп/3 та 0.

Щоправда, незручність у такій найпростішою схемоюполягає в тому, що вихідна напруга буде зі зворотним знаком, але ця проблема легко вирішується. На рис. 17.3, впоказаний найпростіший варіант ЦАП із «нормальним» позитивним виходом. Проаналізувати роботу цієї схеми я надаю читачеві самостійно – вона навіть простіше, ніж інвертуючий варіант. Недоліком цього варіанта в порівнянні з інвертуючим буде те, що коефіцієнт посилення не регулюється, і масштаб визначатиметься лише завбільшки U оп. Але цей недолік легко виправити невеликим ускладненням схеми. Такі ЦАП називають ще перемножуючими .

Нотатки на полях

Я не розглядатиму серійні інтегральні схеми ЦАП (наприклад, 572ПА1), засновані на цьому принципі, тому що в цілому вони працюють так само, а ЦАП власними силами, без використання у складі АЦП, потрібні нечасто. Проте, скажімо кілька слів про проблеми, пов'язані з метрологією. Зрозуміло, що отримати точні значення резисторів під час виготовлення мікросхеми подібного ЦАП непросто, тому практично абсолютні величини Rможуть мати досить великий розкид. Між собою номінали їх ретельно узгоджують за допомогою лазерного припасування. Власний опір ключів також може впливати на роботу схеми, особливо в старших розрядах, де струми більше, ніж у молодших. В інтегральному виконанні навіть роблять ці ключі різними – у старших розрядах ставлять потужніші з меншим опором. А якщо спробувати зробити саморобний ЦАП на основі згаданих раніше 516КТЗ, то величина R повинна становити десятки кілоом, не менш, інакше ключі почнуть вносити надто велику похибку.

Ще один момент пов'язаний з отриманням стабільної опорної напруги, оскільки це безпосередньо позначається на точності перетворення, причому абсолютно для всіх АЦП та ЦАП, як ми побачимо далі. В даний час успіхи електроніки дозволили майже забути про цю проблему – усі великі виробникивипускають джерела опорної напруги, що дозволяють досягати стабільності порядку 16 розрядів (тобто 65536 градацій сигналу). До того ж завжди можна вимудритися побудувати схему так, щоб виміри стали відносними.

Швидкодія ЦАП розглянутого типу в основному визначається швидкодією ключів і типом логіки, що застосовується, і в разі КМОП-ключів не дуже висока - приблизно така ж, як у звичайних КМОП-елементів.

Більшість інтегральних ЦАП побудовано з використанням описаного принципу підсумовування завислих струмів або напруг. Інший клас цифроаналогових перетворювачів становлять інтегруючіЦАП, які служать для перетворення величин, що змінюються у часі. Ці ЦАП в ідеалі дозволяють відразу отримати дійсно аналоговий безперервний сигнал без ознак сходинок.

Номенклатура аналого-цифрових перетворювачів значно більша, ніж ЦАП. Проте вся різноманітність їх типів можна звести до трьох різновидів: це АЦП паралельної дії, АЦП послідовного наближення та інтегруючі АЦП. Розглянемо їх у порядку.

Напевно, кожен, хто хоч раз слухав SDR приймач чи трансівер, не зміг залишитися байдужим до його прийому, а особливо до зручності, яка проявляється в тому, що станції на діапазоні можна не лише чути, а й бачити. Огляд діапазону на панорамі SDR трансівера дозволяє швидко та візуально знаходити станції у смузі прийому, що значно прискорює пошук кореспондентів під час контестів та й при повсякденній роботі в ефірі. За допомогою водоспаду візуально відстежується історія сигналів на діапазоні і можна легко здійснити перехід на цікавого кореспондента. До того ж сама панорама показує нам АЧХ станцій, що приймаються, їх смугу і ширину випромінювання, що дозволяє оперативно знаходити вільну ділянку на діапазоні для виклику інших радіоаматорів.
Це тільки якщо говорити про візуальну частину SDR, але також не варто забувати і про обробку сигналів як на прийом, так і на передачу. Повний контроль ширини та всього, що знаходиться у смузі прийому. При правильному виборінеобхідні параметри в пунктах меню налаштувань, сигнал на передачу теж звучить чудово.
Але є одна обставина, щоб змусити працювати SDR, потрібні додаткові пристрої: власне комп'ютер із якісною звуковою картою, на якій відбувається основна обробка сигналу та хороший моніторз високою роздільною здатністю екрану. Природно, необхідне відповідне програмне забезпеченнядо нього і до SDR трансівера, яке коштує недешево. Все це вже спричиняє певні специфічні вимоги до знань комп'ютера у радіоаматора. Що не завжди, і не у всіх, на жаль є.
Є ще один недолік. Якщо прийом цього не помітно, то передачу, у зв'язку з специфічної обробкою звукового сигналу в комп'ютері, виникає значна затримка сигналу понад 150 мс, що виключає нормальну роботу самоконтролю переважають у всіх видах випромінювання. Рятує тільки додатковий контрольний приймач або товариш, у якого також є SDR трансівер, який зробить запис сигналу, що приймається.
В даний час з появою покоління доступних мікропроцесорів від STM з'явилася можливість розробки пристроїв, здатних частково замінити деякі основні функції великих комп'ютерів. А саме, обробка DSP звуку та керування трансівером, а також графічне відображення інформації на дисплеї трансівера.
Як підсумок, основні вузли такого трансівера, дозволяють відмовитись від зовнішнього комп'ютера . Але при цьому, як на зовнішньому комп'ютері, зберігається зручний сервіс з управління трансівером, різні режими запису сигналів, як на прийом, так і на передачу, з подальшим відтворенням записів через навушники або ефір під час передачі, збереження необхідної інформаціїна зовнішній SD-карті, яка виводиться на власний великий дисплей з широкою смугою огляду, а також обробка DSP та формування сигналу з усіма основними видами випромінювання. Такі трансівери забезпечують якісний прийомсигналу, високу крутизну фільтрів з плавними межами, що настроюються, автоматичний Notch фільтр. У них на передачу застосовується багатосмуговий графічний еквалайзер, компресори, ревербератори, а найголовніше, виходить мінімальний час затримки. За наявності зовнішнього синтезатора, контролери трансіверів легко працюють із аналоговими SDR. У цих сучасних трансіверах широко застосовуються радіотракти HiQSDR і HiQSDR-mini 2.0, які керуються окремою шиною SPI, або через плату DSP по основній шині SPI при мінімумі дротів.
Ще кілька років тому почався випуск SDR-трансіверів, що працюють за принципом безпосереднього перетворення радіочастотного сигналу на звукову ПЧ, в яких в одному корпусі розташовується спрощена (порівняно з класичною схемою) плата радіоканалу та спеціалізований комп'ютер. Основний акцент тут робиться на програмне забезпечення. Основна вартість готового виробу також визначається вартістю софту. Устаткування Flex та Sun SDR побудовано саме за таким принципом.
В даний час принцип обробки сигналів на основі методів ЦГЗ (DSP) перейшов до наступного етапу своєї еволюції. З'явився новий метод прямого оцифрування сигналу з антени з подальшим безпосереднім формуванням сигналу з цифри, що дозволяє позбавитися практично всіх видів проблем властивих як класиці, так і SDR-технологіям з аппратанной обробкою сигналу.
Радіоприймачі та трансівери з прямим оцифруванням сигналу мають абревіатуру DDC (від Digital Down-Converter). Зворотне перетворення з цифри аналог мають абревіатуру DUC (від Digital Up-Converter). Йдеться про цифрове перетворення сигналу програмним способом. Відразу слід зазначити, що абревіатура SDR (Software Define Radio) - програмно визначуване радіо - це загальне визначення класу технологій обробки сигналів, куди входить і DDC - архітектура, як із методів.

Вже сьогодні з появою покоління доступних мікропроцесорів з'явилася можливість розробки пристроїв, здатних частково замінити деякі основні функції великих комп'ютерів. А саме, обробка DSP звуку та керування трансівером, а також графічне відображення інформації на дисплеї трансівера. В архітектурі DDC миттєво оцифровується весь спектр сигналів від 0 Гц до частот, здатних обробити мікросхема АЦП. Найсучасніші мікросхеми АЦП на сьогодні можуть працювати в смузі до 1ГГц, але їхня вартість сьогодні поки що дуже висока. У той же час, найбільш ходові та відносно дешеві мікросхеми АЦП оцифровують спектр смугою від 0 Гц до 60...100 МГц, що для радіоаматорських завдань цілком підходить. Після оцифровки спектра сигналів у смузі 0 Гц - 30...60 МГц на виході мікросхеми АЦП виходить дуже великий цифровий потік даних, який обробляється високошвидкісними мікросхемами ПЛІС. У них програмним способомреалізовано алгоритм DDC/DUC, тобто. цифровий знижувальний або конвертер, що підвищує.
Цифровий знижувальний конвертер здійснює вибірку діапазону необхідної лінії і передачу їх у комп'ютер для обробки - тобто. створюється цифровий потік істотно меншої смуги та швидкості. У комп'ютері відбувається програмна обробка потоку методами ЦОС та кінцева демодуляція сигналу.
У практичній діяльності дуже рідко виникає потреба працювати з усім спектром сигналів у смузі 0 Гц - 30...60 МГц. Максимальні смуги, які нам потрібні для обробки – це 10...50 кГц для демодуляції АМ, ЧС сигналів та 3...5 кГц для SSB сигналів.
Цей передовий метод обробки сигналів був реалізований в радіоаматорських трансіверах TULIP-DSP і вітчизняному аналогу - Тюльпан-DDС/DUC.

Подібний принцип формування сигналу застосовується і в трансіверах однієї відомої фірми, який розпочав випуск нових моделей ще 2015 року. Фрагмент структурної схеми такого трансівера представлений нижче.

Якщо раніше, ще кілька років тому, навіть у таких передових трансіверах типу ICOM IC-756Pro3 та IC-7600 застосовується метод послідовної розгортки спектру та був помітний процес оновлення картинки – тобто. швидке сканування, Тепер спостереження і обробка сигналу відбувається у комплексі, паралельно, оскільки перебудова частоти відбувається миттєво програмним методом. За рахунок того, що оцифровується одночасно велика частотна ділянка 30...60 МГц, не втрачаючи налаштування на поточну радіостанцію, з'являється можливість побачити, що відбуватиметься на сусідній ділянці спектра. Мало того, викликавши другий віртуальний приймач, ви одночасно можете чути, про що говорять на одному і другому діапазоні. Але й два приймачі це не межа. Є можливість викликати три, п'ять, десять... скільки завгодно приймачів. Мікшуючи їх звук певним чином, ви в курсі подій, що відбуваються на діапазонах. А графіка «хмарою» дозволить швидко вибрати потрібну станцію.
Те саме стосується і відображення спектра. На практиці, рідко коли потрібна відразу вся ділянка 30...60 МГц. При необхідності можна порівняно легко виділити із загального цифрового потоку другий, третій, четвертий і взагалі, скільки необхідно малих потоків і передати їх в комп'ютер, створивши тим самим одночасно кілька каналів прийому. Таким методом реалізуються два, три або скільки потрібно «віртуальних приймачів» у всій смузі оцифрування. Наприклад, створюємо окрему панораму на діапазон 40 метрів, окрему на 20-ти метровий діапазон і на інші діапазони..., розміщуємо їх на окремому моніторі і ми отримали можливість спостерігати в реальному форматі часу за умовами проходження на обраних нами ділянках.

З одного боку, наявність дзеркальних смуг – це недолік. Так як поняття ДД відноситься до всього спектру оцифрування, то значно розвантажити вхід АЦП можна, приділивши увагу вхідним ланцюгам приймача, які краще робити високодобротними і перебудовується. Як альтернативний варіант - застосування у вхідних ланцюгах ФНЧ із частотою зрізу половини частоти тактування або діапазонних смугових фільтрів. Вони можуть додатково послаблювати сильні позасмугові сигнали, що віддаляються від робочої смуги досить далеко. При цьому втрачається можливість огляду всього діапазону оцифрування. Такі методи попередньої селекції виправдані, якщо планується використовувати DDC-приймач спільно з великими антенами або в місцевості зі складною перешкодою.
З іншого боку - цей недолік надає технологічну можливість простими засобамиреалізувати як прийом на КВ діапазоні, а й у УКХ і навіть ДЦВ діапазонах. Необхідно лише робити змінні діапазонні смугові фільтри з МШУ, смугами рівними половині тактової частоти.
Наприклад, деякі DDC приймачі ставлять відключається фільтр на СВ-ДВ діапазон, а одному з DDC-приймачів компанії WiNRADiO і DDC-приймачі Perseus, є гнучко конфигурируемые вузькосмугові фільтри.
Ще якихось 20 років тому ні про що подібне ми не могли навіть і мріяти, коли панорамна приставка до трансівера була розміром у 2 рази більша за самого трансівера і коштувала в 5-10 разів дорожче. Про сервіс з якістю й казати не доводиться. Технологія SDR, що з'явилася на початку 2000-х років, дозволила поглянути на ефір і почути його зовсім інакше. Ми побачили справжній живий ефір! Чи не статичну «заморожену» картинку після повільного сканування, а саме, живий ефір у реальному часі.
Якщо, щоб побачити урізану панораму інших діапазонів в перших SDR трансіверах з апаратним перетворенням сигналів, необхідно мати окремий приймальний тракт для кожного діапазону, то в приймальному тракті, виконаним по сучасної технології DDC доступний як будь-який з ділянок діапазону, так і весь діапазон і при цьому паралельно з окремими ділянками його ділянками. Реалізація всіх цих можливостей можлива лише завдяки методам ЦГЗ та прямого оцифрування сигналу.
Щодо радіоаматорської тематики, однією з найбільш затребуваних функцій в даний час і в найближчому майбутньому – це просторова селекція сигналів та методи фазового придушення шумів. На сьогодні існує фазовий метод селекції сигналів та придушення шумів, що реалізується апаратно. Крім того, використовуючи математичні алгоритми, легко реалізуються будь-які функції з віднімання заважають і додавання корисних сигналів, утворені парою, четвіркою або великою кількістюАЦП.
Із застосуванням цих сучасних розробок з'явилася можливість дистанційного керуваннятрансівером та віддалена роботав ефірі. Сучасні методи передачі можуть пропускати досить великі потоки даних і майже без втрат. Загальний потік інформації із трансіверу зовсім виходить невеликий. Використовуючи IP-стек, можна використовувати трансівер як сегмент мережі навіть без використання комп'ютера. Встановивши трансівер за межами великого міста в досить тихій місцевості, ви можете мати доступ до радіоефіру не виходячи зі своєї квартири. Організувавши гостьовий доступ до трансівера, ви надаєте можливість друзям попрацювати в ефірі. Ще однією корисною функцією, що застосовується спеціальними службами, є можливість записувати весь радіоефір, або задані шматки радіоефіру, на вінчестер комп'ютера з відстроченою обробкою. Ця функція дозволяє швидко проводити статистичну обробкусигналів, вести пошук та спостереження за цільовими сигналами, а також здійснювати безліч операцій, про які знати звичайному користувачевіне дозволяється.

Ви можете вибрати цікаві для Вас рації в

Дочитайте статтю до кінця, тому що в ній висловлюється відмінна від традиційної думки з приводу комутації студії звукозапису.

Електромагнітні завади.

Будь-які дроти можуть вловлювати електромагнітні перешкоди. Це може спричинити шум або гудіння. Ці перешкоди можуть походити від будь-якого іншого музичного або побутового обладнання.

Для зменшення впливу таких перешкод було винайдено балансне з'єднання.

Балансне з'єднання.

Балансним воно називається з огляду на те, що звуковий сигнал проходить по двох різних дротах на додаток до землі. Ці два дроти передають один і той же сигнал, за винятком того, що сигнал на одному з дротів інвертовано. Головна мета інверсії сигналу полягає у виключенні шуму на кінці приймального пристрою. Ці дії допомагають балансовій системі краще протистояти шумам ззовні.

Такий вигляд має балансовий провід.

Чи не балансне з'єднання.

На відміну від балансної, для небалансової передачі сигналу потрібен лише один провід (центральний в кабелі) і одна земля (GND). Оскільки один провід передає сигнал, таке підключення називається не балансним. Цей спосіб сприйнятливий до наведень, які будуть передаватися разом із початковим сигналом. Зі збільшенням довжини кабелю, сила шуму також збільшуватиметься. Тому більшість інженерів у студії чи техніки, що обслуговують живий виступ, використовують балансне підключення для дуже довгих кабелів.

Так виглядає небалансовий провід.

Що потрібно пам'ятати та знати про балансне та не балансне з'єднання?

Більшість старих аналогових чи цифрових приладів та інструментів, випущених до 90-х років, мали не балансні аудіо-виходи. Підключити такий прилад чи інструмент балансним дротом до балансного входу на мікшері – неприпустимо! При підключенні не балансного аудіо виходу балансним дротом - виникає протифаза, якщо у вас стерео-звук (використовується два виходи), або якщо у вас моно звук (використовується один вихід) - виникне тихий звук, що бідно звучить.

Наприклад, Roland TR 808 або Roland MC 505 мають не балансні аудіо виходи.

Традиційна думка.

Вважається, що балансне з'єднання професійніше, оскільки воно виключає шуми. Рекомендується використовувати у студіях звукозапису саме балансову комутацію. Для небалансових приладів або інструментів пропонуються різні перетворювачі небалансового з'єднання в балансне. Однак...

Нетрадиційна думка, досвідчених звукорежисерів.

Багато студійних звукорежисерів не визнають балансне з'єднання, вважаючи, що воно створює проблеми в загальному міксі саме через те, що аудіо сигнал йде з інверсією. Інверсія - це коли по одному дроту йде гарячий позитивний сигнал (плюс), а по іншому такий самий сигнал, але холодний, негативний (мінус). Накладаючись один на одного два сигнали віднімають шуми, і шум ми не чуємо. Але... не тільки шум може відніматися. Разом із шумом може зникнути важливе забарвлення звуку, теплота, насиченість. І завжди є небезпеки, що при стерео звукпочнуть виникати протифази. Тоді в загальному міксі можливий провал та збіднення цілих музичних партій.

Балансне з'єднання було вигадано насправді не для студійного запису. Воно ідеально підходить для живих концертів, де використовуються довгі дроти.

Професійні звукозаписні студії зазвичай добре екрануються по периметру від зовнішніх наведень. Для боротьби з шумом встановлюються випрямлячі напруги. Прилади в річках розташовуються в такий спосіб, ніж створювалося електромагнітних наведень. Аудіо кабеля розташовуються у віддаленому віддаленні різних блоків живлення. При правильному розміщенні студійного обладнання користуватись балансними проводами стає не потрібним. Винятком можуть бути лише студійні мікрофони з довгим проводом, що мають (XLR) балансний вихід.

Висновок із яким не обов'язково погоджуватися.

З'єднуйте всі прилади в студії тільки не балансними проводами. По-перше, ви точно не помилитеся з тим, який прилад у вас має балансний вихід а який не балансний. По-друге ви отримаєте жирне олдскульне звучання міксу.

Боріться з шумами розбираючись з електромагнітними наведеннями іншими способами. Усувайте самі наведення "вручну" (екрануйте, переміщуйте, заземлюйте) і не довіряйте робити це балансовому з'єднанню.

Примітка: про деякі методи боротьби з шумом я писав

Займемося насамперед загальними принципами аналого-цифрового перетворення. Основний принцип оцифровування будь-яких сигналів дуже простий і показаний на рис. 17.1 а. У деякі моменти часу t, ti, h ми беремо миттєве значення аналогового сигналу і як би прикладаємо до нього деяку міру, лінійку, проградуйовану в двійковому масштабі. Звичайна лінійка містить великі поділки (метри), поділені кожне на десять частин (дециметри), кожна з яких також поділена на десять частин (сантиметри), і т. д. д. - скільки вистачить роздільної здатності. Якщо вся довжина такої лінійки становить, припустимо, 2,56 м, а найдрібніший поділ - 1 см (тобто ми можемо поміряти їй довжину з точністю не гірше 1 см, точніше навіть половини його), то таких поділок буде рівно 256, і їх можна уявити двійковим числом розміром 1 байт або 8 двійкових розрядів.

Нічого не зміниться, якщо ми міряємо не довжину, а напругу чи опір, лише сенс поняття «лінійка» буде дещо інший. Так ми отримуємо послідовні відліки величини сигналу xi, хг, хз. Причому зауважте, що при вибраній роздільній здатності і кількості розрядів ми можемо поміряти величину не більше деякого значення, яке відповідає максимальному числу, в даному випадку 255. Інакше доведеться або збільшувати число розрядів (подовжувати лінійку) або змінювати роздільну здатність у бік погіршення (розтягувати її) ). Все викладене і є сутністю аналого-цифрового перетворювача - АЦП.

На рис. 17.1, а графік демонструє цей процес для випадку, якщо ми міряємо якусь величину, що змінюється в часі. Якщо вимірювання проводити регулярно з відомою частотою (її називають частотою дискретизації чи частотою квантування), записувати можна лише значення сигналу. Якщо стоїть завдання потім відновити початковий сигнал за записаними значеннями, то, знаючи частоту дискретизації та прийнятий масштаб (тобто якому значенню фізичної величини відповідає максимальна кількість у прийнятому діапазоні двійкових чисел), ми завжди можемо відновити вихідний сигнал, просто відклавши крапки на графіку та з'єднавши їхньою плавною лінією.

Але що ми при цьому втрачаємо? Подивіться на рис. 17.1,6, який ілюструє знамениту теорему Котельникова (як водиться, там вона носить інше ім'я - Найквіста, насправді вони обидва придумали її незалежно друг від друга). На цьому малюнку показана синусоїда граничної частоти, яку ми ще можемо відновити, маючи масив точок, отриманих з частотою дискретизації /д. Так як у формулі для синусоїдального коливання As\n(2nft) є два незалежні коефіцієнти (А - амплітуда, і / - частота), то для того щоб вид графіка відновити однозначно, потрібно як мінімум дві точки на кожен період тобто частота оцифрування повинна бути щонайменше вдвічі більше, ніж найвища частота в спектрі вихідного аналогового сигналу. Це і є одне із розхожих формулювань, теореми Котельникова-Найквіста.

Спробуйте самі намалювати іншу синусоїду без зсуву по фазі, що проходить через вказані на графіку точки, і ви переконаєтесь, що це неможливо. У той же час можна намалювати скільки завгодно різних синусоїд, що проходять через ці точки, якщо їх частота в ціле число разів вище за частоту дискретизації/д. У сумі ці синусоїди, або гармоніки (тобто члени розкладання сигналу до ряду Фур'є, див. розділ 5) дадуть сигнал будь-якої складної форми, але відновити їх не можна, і якщо такі гармоніки присутні у вихідному сигналі, то вони пропадуть назавжди. Тільки гармонійні складові з частотами нижче від граничної відновлюються однозначно. Тобто процес оцифрування рівносильний дії ФНЧ з прямокутним зрізом характеристики на частоті, що дорівнює половині частоти дискретизації.

Тепер про зворотне перетворення. По суті, ніякого перетворення цифра-аналог в ЦАП, які ми тут розглядатимемо, не відбувається, просто ми висловлюємо двійкове число у вигляді пропорційної величини напруги, тобто займаємося, з точки зору теорії, лише перетворенням масштабів. Вся аналогова шкала поділена на кванти – тобто градації, що відповідають роздільній здатності нашої двійкової «лінійки». Якщо максимальне значення сигналу дорівнює, наприклад, 2,56, то при восьмирозрядному коді ми отримаємо квант в 10 мВ, і що відбувається з сигналом між цими значеннями, а також і в проміжки часу між відліками, ми не знаємо і дізнатися не можемо . Якщо взяти ряд послідовних відліків якогось сигналу, наприклад, показаних на рис. 17.1 а, то ми в результаті отримаємо ступінчасту картину, показану на рис. 17.2.

Рис. 17.2. Відновлення оцифрованого сигналу з рис. 17.1, а

Якщо ви порівняєте графіки на рис. 17.1, а й на рис. 17.2, то побачите, що другий графік представляє перший, м'яко кажучи, дуже приблизно. Щоб підвищити ступінь достовірності отриманої кривої, слід, по-перше, брати відліки частіше, і по-друге, збільшувати розрядність. Тоді сходи буд)т все менше і менше, і є надія, що при деякому досить високому дозволі, як за часом, так і за квантуванням, крива стане, врешті-решт, невідмінною від безперервної аналогової лінії.

Нотатки на полях

Очевидно, що у разі звукових сигналів додаткове згладжування, наприклад, за допомогою ФНЧ тут просто не потрібне, бо воно лише погіршить картину, відрізаючи високі частоти ще більше. До того ж всякі аналогові підсилювачі самі згладять сигнал, і органи чуття людини теж попрацюють як фільтр. Отже наявність сходинок саме собою несуттєво, якщо вони досить дрібні, тоді як різкий спад частотної характеристики вище деякої частоти позначається якості звуку фатальним чином. Багато людей з хорошим музичним слухом стверджують, що вони безпомилково відрізняють цифровий звук CD-якості (дискретизація якого проводиться з частотою 44,1 кГц, тобто зі зрізом на частоті явно вищою, ніж рівень сприйняття людського слуху, і з числом градацій не менше 65 тисяч на весь діапазон) від справжнього аналогового звуку, наприклад, з вінілової пластинки або магнітофонної стрічки. Тому якісний цифровий звук записується з набагато вищими частотами дискретизації, ніж формально необхідно, наприклад, 192 і навіть 256 кГц, і тоді він стає дійсно невідмінним від вихідного. Щоправда, безпосередньо оцифрований звук записують хіба що на диски у форматі Audio CD (із зазначеними характеристиками), а майже для всіх інших форматів використовують компресію – стиск за спеціальними алгоритмами. Якби не компресія, для запису не вистачило б ні ємності сучасних носіїв, ні швидкодії комп'ютерних мереж: лише одна хвилина стереозвуку з параметрами CD-якості займає на носії близько 10 Мбайт, можете перевірити самостійно.

Поглиблюватись особливо дискретизації аналогових періодичних сигналів ми не будемо, оскільки це дуже велика область в сучасній інженерії, пов'язана в першу чергу з оцифровкою, зберіганням, тиражуванням та відтворенням звуку та відео, і про це потрібно, як мінімум, писати окрему книгу. Для наших цілей достатньо викладених відомостей, а тепер ми перейдемо безпосередньо до завдання оцифрування і зворотного перетворення окремого значення сигналу.