Методы и технологии обработки сигналов
Сигналы могут быть обработаны с использованием аналоговых методов (аналоговой обработки
сигналов, или ASP), цифровых методов (цифровой обработки сигналов, или DSP) или комбинации аналоговых
и цифровых методов (комбинированной обработки сигналов, или MSP). В некоторых случаях выбор методов
ясен, в других случаях нет ясности в выборе и принятие окончательного решения основывается на
определенных соображениях.
Что касается DSP, то главное отличие его от традиционного компьютерного анализа данных
заключается в высокой скорости и эффективности выполнения сложных функций цифровой обработки,
таких как фильтрация, анализ с использованием быстрого
преобразования Фурье (БПФ) и сжатие данных в реальном масштабе времени.
Термин «комбинированная обработка сигналов» подразумевает, что системой выполняется и
аналоговая, и цифровая обработка. Такая система может быть реализована в виде печатной платы,
гибридной интегральной схемы (ИС) или отдельного кристалла с интегрированными элементами. АЦП и
ЦАП рассматриваются как устройства комбинированной обработки сигналов, так как в каждом из них
реализованы и аналоговые, и цифровые функции.
Недавние успехи технологии создания микросхем с очень высокой степенью интеграции (VLSI)
позволяют осуществлять комплексную (цифровую и аналоговую) обработку на одном кристалле. Сама
природа ЦОС подразумевает, что эти функции могут быть выполнены в режиме реального масштаба
времени.
Что такое аналоговый сигнал
Аналоговый сигнал – это любой непрерывный сигнал, для которого изменяющаяся во времени характеристика (переменная) является представлением некоторой другой изменяющейся во времени величины. Иначе говоря, это информация, которая непрерывно изменяется во времени.
В аналоговом звуковом сигнале мгновенное напряжение непрерывно поменяется в зависимости от давления звуковых волн. Он имеет отличия от цифрового сигнала, где перманентная величина представляет собой последовательность дискретных значений. Такая величина может принимать только одно из конечного числа значений.
Примером аналогового сигнала может служить восприятие человеческим мозгом проезжающего автомобиля. В случае, если бы его положение менялось каждые 5 секунд, аварии было бы не избежать.
Аналоговый тип сигнала непосредственно подвергается воздействию электронных шумов и искажений. Они привносятся каналами связи и операциями обработки сигналов. Они запросто могут ухудшать отношение сигнал/шум (ОСШ). Напротив, цифровые сигналы обладают конечным разрешением. Преобразование аналогового сигнала в цифровую форму вносит в сигнал низкоуровневый шум квантования. В цифровой форме сигнал может быть обработан или передан без внесения значительного дополнительного шума или искажений. В аналоговых системах трудно обнаружить, когда случается такое ухудшение. Тем не менее в цифровых системах отклонения и ухудшения могут не только обнаружиться, но и исправляться.
Самым серьёзным минусом аналоговых сигналов по сравнению с цифровой передачей является то, что аналоговый тип сигнала всегда содержит шум. По мере того, как сигнал передается, обрабатывается или копируется, неизбежно наличие шума, который проникает в путь прохождения сигнала. Будет происходить накопление шума как потери при генерации сигнала, постепенно и необратимо ухудшая отношение сигнал/шум. Это будет до тех пор, пока в крайних случаях сигнал не будет перегружен. Шум может проявляться как «шипение» и интермодуляционные искажения в аудиосигналах или «снег» в видеосигналах. Потери при генерации сигнала необратимы, поскольку нет надежного способа отличить шум от сигнала, отчасти потому, что усиление сигнала для восстановления ослабленных частей сигнала также усиливает шум.
Шумы аналоговых сигналов можно минимизировать благодаря экранированию, надежному подключению и использованию кабелей определенных типов, как коаксиальная или витая пара.
Любой тип информации может передаваться аналоговым сигналом. Нередко такой сигнал является измеренным откликом на изменения физических явлений, таких как звук, свет, температура, давление или положение. Физическая переменная преобразуется в аналоговый сигнал через преобразователь. К примеру, звук, который падает на диафрагму микрофона, вызывает соответствующие колебания тока. Ток генерируется катушкой в электромагнитном микрофоне. Это также может быть напряжение, которое создаётся конденсаторным микрофоном. Напряжение или ток называются «аналогом» звука.
Виды сигналов
Сигнал это изменение физической величины во времени и пространстве. По сути это коды для обмена данными в информационной и управленческой средах. Графически любой сигнал можно представить в виде функции. По линии на графике можно определить тип и характеристики сигнала. Аналоговый будет выглядеть как непрерывная кривая, цифровой как ломаная прямоугольная линия, скачущая от ноля до единицы. Все, что мы видим глазами и слышим ушами поступает в виде аналогового сигнала.
Аналоговый сигнал
Зрение, слух, вкус, запах и тактильные ощущения поступают нам в виде аналогового сигнала. Мозг командует органами и получает от них информацию в аналоговом виде. В природе вся информация передаётся только так.
В электронике аналоговый сигнал основан на передаче электричества. Определённым величинам напряжения соответствуют частота и амплитуда звука, цвет и яркость света изображения и так далее. То есть цвет, звук или информация являются аналогом электрического напряжения.
При этом неважно идёт сигнал по проводам или радио. Передатчик непрерывно отправляет, а приёмник обрабатывает аналоговый вид информации
Принимая непрерывный электрический сигнал по проводам или радиосигнал через эфир приёмник преобразует напряжение в соответствующий звук или цвет
Изображение появляется на экране или звук транслируется через динамик
Принимая непрерывный электрический сигнал по проводам или радиосигнал через эфир приёмник преобразует напряжение в соответствующий звук или цвет. Изображение появляется на экране или звук транслируется через динамик.
Дискретный сигнал
Вся суть кроется в названии. Дискретный от латинского discretus, что означает прерывистый (разделённый). Можно сказать, что дискретный повторяет амплитуду аналогового, но плавная кривая превращается в ступенчатую. Изменяясь либо во времени, оставаясь непрерывной по величине, или по уровню, не прерываясь по времени.
Так, в определенный период времени (например миллисекунду или секунду) дискретный сигнал будет какой-то установленной величины. По окончании этого времени он резко изменится в большую или меньшую сторону и останется таким ещё миллисекунду или секунду. И так беспрерывно. Поэтому дискретный это преобразованный аналоговый. То есть полпути до цифрового.
Цифровой сигнал
После дискретного следующим шагом преобразования аналогового стал цифровой сигнал. Главная особенность – либо он есть, или его нет. Вся информация преобразуется в сигналы ограниченные по времени и по величине. Сигналы цифровой технологии передачи данных кодируются нолем и единицей в разных вариантах. А основой является бит, принимающий одно из этих значений. Бит от английского binarydigit или двоичный разряд.
Но один бит имеет ограниченную возможность для передачи информации, поэтому их объединили в блоки. Чем больше битов в одном блоке, тем больше информации он несёт. В цифровых технологиях используют биты объединенные в блоки кратные 8. Восьмибитовый блок назвали байтом. Один байт небольшая величина, но уже может хранить зашифрованную информацию о всех буквах алфавита. Однако при добавлении всего одного бита число комбинаций ноля и единицы удваивается. И если 8 битов делает возможным 256 вариантов кодировки, то 16 уже 65536. А килобайт или 1024 байт и вовсе немаленькая величина.
В большом количестве объединённых байтов хранится много информации, чем больше комбинаций 1 и 0 тем больше закодировано. Поэтому в 5 – 10 МБ (5000 – 10000 кБ) имеем данные музыкального трека хорошего качества. Идём дальше, и в 1000 МБ закодирован уже фильм.
Но так как вся окружающая людей информация аналоговая, то для её приведения в цифровой вид нужны усилия и какое-либо устройство. Для этих целей был создан DSP (digital signal processor) или ЦПОС (цифровой процессор обработки сигналов). Такой процессор есть в каждом цифровом устройстве. Первые появились еще в 70-е годы прошлого века. Методы и алгоритмы меняются и совершенствуются, но принцип остаётся постоянным – преобразование аналоговых данных в цифровые.
Обработка и передача цифрового сигнала зависит от характеристик процессора — разрядности и скорости. Чем они выше, тем качественней получится сигнал. Скорость указывается в миллионах инструкций в секунду (MIPS), и у хороших процессоров достигает нескольких десятков MIPS. Скорость определяет сколько единиц и нолей сможет устройство «запихнуть» в одну секунду и качественно передать непрерывную кривую аналогового сигнала. От этого зависит реалистичность картинки в телевизоре и звука из динамиков.
Ключевые отличия
Рассматриваемые виды технологий характеризуются рядом особенностей и отличий. В этом требуется разбираться многим современным людям.
По способу передачи данных
Один сигнал отличается от другого по особенностям передачи информации. К примеру, звук и изображение представляют собой аналоговые сигналы. Камера и микрофон воспринимают окружающую действительность, трансформируя ее в электромагнитные колебания. На частоту колебаний на выходе влияет частота звука и света. На амплитуде передачи отражаются яркость и громкость.
Распространение электромагнитных колебаний может нарушаться из-за грозы, рельефа, облаков. Также к возможным помехам относят ветер и рельеф местности. Частота и амплитуда часто подвергаются искажениям. Как следствие, сигнал от передатчика к приемнику поступает с изменениями.
Изображение и голос аналогового сигнала воспроизводятся с искажениями, которые связаны с помехами. При этом фоном могут быть хрипы, искажение цветов, шипение. Чем ниже качество приема, тем более четкими получаются посторонние эффекты. Если информация дошла, то ее хотя бы как-то удается увидеть и услышать.
При цифровой передаче звук и изображение перед выходом в эфир оцифровываются. Потому к приемнику они поступают без искажений. При этом воздействие внешних факторов является минимальным. Цвет и звук имеют высокое качество или их вообще нет.
Сигнал обязательно передается на определенное расстояние. Однако для передачи на внушительную дистанцию требуется целый ряд ретранслирующих устройств. Потому для распространения сотового сигнала антенны располагают максимально близко друг к другу.
По применению
Разница между рассматриваемыми типами сигналов затрагивает и сферу их применения. Прежде всего, их используют при создании вычислительной техники. Впервые аналоговые устройства для вычислений придумали еще в тридцатые годы прошлого века. Они представляли собой весьма примитивные приборы, которые предназначались для реализации специализированных задач. Аналоговые компьютеры были придуманы в сороковых годах, а получили широкое распространение – в шестидесятых.
Иногда аналоговые компьютеры применяют и сегодня. Они могут использоваться для решения задач, в которых точность обмена результатами вычислений не особенно важна. При этом в начале двадцать первого века на смену аналоговым пришли цифровые технологии. При создании вычислительной техники смешанные аналоговые и цифровые сигналы используют только для обработки информации на основе ряда микросхем.
Еще одним примером рассматриваемых технологий являются микшеры и синтезаторы звука. При этом сегодня для изготовления таких устройств преимущественно применяют цифровые технологии. Использование аналоговых сигналов обычно связано с предрассудками и привычками. Бытует мнение, что цифровая запись пока не сумела добиться требуемого эффекта полноценной передачи музыки. Он характерен только для аналоговых технологий.
Чем отличается непрерывный сигнал от дискретного
На первый взгляд отличия в сигналах можно не различить. Оба передаются в виде электрических импульсов по проводам или электромагнитными волнами в эфире. Преобразовываются в звук и изображение, выводятся на динамики и экран. Но разница существенна. Отличие аналогового сигнала от цифрового обусловлено особенностями обработки и передачи данных.
Аналоговые данные не кодируются и не шифруются, просто отображаются в электрические или электромагнитные импульсы. Приёмник преобразовывает импульсы в полном соответствии с полученным сигналом. Передаваемый и принимаемый импульс многогранен и характеризуются постоянным плавным изменением с течением времени. Величина и частота определяют параметры информации. Примером может быть соответствие определённого цвета экрана заданному напряжению. С течением времени цвета плавно меняются следуя изменению напряжения.
Казалось бы, природное происхождение, простота генерации, передачи и приёма благоприятствуют использованию аналогового сигнала. Но в дело вмешиваются электрические и электромагнитные помехи. Это могут быть электромагнитные наводки от электрических сетей, работающих механизмов, рельеф местности, грозы, бури на солнце, шумы создаваемые работой передающего и принимающего оборудования, прочие. Они изменяют плавную кривую. На приёмник информация поступает с изменениями. Шипение, хрипы и искаженное изображение обычная история для аналоговой связи.
Цифровая технология использует совсем иной принцип передачи. Аналоговые данные сначала кодируются и только потом передаются. Кодировка заключается в описании непрерывной кривой аналоговой информации. В каждый конкретный момент времени, передаваемый импульс имеет значение единицы или нуля, и определенная последовательность битов отображает всю полноту оригинальной картинки или звука.
Дискретный сигнал как азбука Морзе, только вместо точек и тире — чёткие биты. Ничего более, шумы и помехи им не мешают. Цифровой информации главное дойти до цели. Цифры без примесей передадут данные и без изменений перевоплотятся в звук и цвет. Но слабый сигнал может не донести полную картину. Как пример — пропадание слов или изображения полностью. Поэтому сотовые передатчики, устанавливают как можно ближе друг от друга, также используют повторители.
Примером непрерывных и дискретных сигналов могут служить старая проводная и новая сотовая связь. Через старые АТС иногда невозможно было разговаривать с соседним домом. Шумы и плохое усиление сигнала мешали слышать друг друга. Что бы вести полноценную беседу, приходилось громко кричать самому и прислушиваться к собеседнику. Другое дело сотовая связь основанная на цифровой технологии. Звук закодирован и хорошо передаётся на далёкие расстояния. Отчетливо слышно собеседника даже с другого континента.
Оба вида связи не лишены недостатков, а ключевыми отличиями являются:
- Аналоговый подвержен помехам и поступает с искажениями. В то время как цифровой доходит полностью без искажений или отсутствует вовсе.
- Принять или перехватить аналоговое вещание может любой приёмник такого принципа. Дискретная передача адресована конкретному адресату, кодируется и мало доступна к перехвату.
- Объём передаваемых данных у аналоговой связи конечен, поэтому она практически исчерпала себя в передаче теле сигнала. Напротив с развитием технологии преобразования аналоговой информации в цифровой код растут объемы и качество трансляции. Например, главным отличием цифрового от аналогового телевидения является превосходное качество изображения.
Цифровая технология выигрывает по всем показателям. Споры идут только среди любителей музыки. Многие меломаны и звукорежиссеры утверждают, что могут различить аналоговый оригинал и цифровую копию. Однако большинство слушателей этого сделать не в состоянии. Да и с развитием цифровых систем аналоговые данные кодируются точнее. Оригинальное звучание и цифровая копия делаются практически неразличимым.
Способы обработки цифрового звука
Цифровой звук обрабатывают с помощью математических операций, которые применяют к отдельным отсчетам звука или к их группам разной длины. Математические операции могут имитировать традиционные аналоговые средства обработки (микширование, сложение, усиление или ослабление, модуляцию и т.д.) или альтернативные способы – спектральное разложение сигнала, коррекция частотных составляющих с обратной «сборкой» сигналов.
Обработка цифрового сигнала может быть линейной (проводится в реальном времени над «живым» звуком) и нелинейной (проводится с ранее записанным звуком). Обрабатываются звуки универсальными процессорами общего назначения (Intel 8035, 8051, 80×86, Motorola 68xxx, SPARC) или специализированными цифровыми сигнальными устройствами Analog Devices ADSP-xxxx, Texas Instruments TMS xxx, Motorola 56xxx и пр.
Способы обработки цифрового сигнала следующие:
- линейная фильтрация;
- анализ спектров;
- временной и частотный анализ;
- адаптивная фильтрация;
- обработка нелинейного типа;
- обработка многоскоростная;
- свертка;
- секционная свертка.
Как видим, даже простой аналоговый звук может быть качественным. Для этого нужно совсем немного – просто уметь его отформатировать и преобразовать. А чтобы научиться этому искусству, можно пройти специальный обучающий курс.
← Уроки игры на барабанах от Филиппа СохиДомашняя студия звукозаписи →
comments powered by HyperComments
Что такое цифровая технология?
Цифровая технология совсем другая. Вместо того, чтобы хранить слова, картинки и звуки в виде изображений на пластиковых пленках или магнитных лентах, мы сначала преобразуем информацию в числа (цифры) и вместо этого отображаем или сохраняем числа.
Цифровые измерения
Фото: небольшой ЖК-дисплей на карманном калькуляторе. Большинство цифровых устройств сейчас используют подобные ЖК-дисплеи, которые дешевы в изготовлении и легко читаются.
Многие научные инструменты теперь измеряют вещи в цифровом виде (автоматически отображая показания на ЖК-дисплеях) вместо использования аналоговых указателей и циферблатов. Термометры, измерители артериального давления, мультиметры (для измерения электрического тока и напряжения) и весы – это лишь некоторые из распространенных измерительных приборов, которые теперь могут дать вам мгновенное цифровое считывание. Цифровые дисплеи, как правило, быстрее и легче для чтения, чем аналоговые; точнее ли они, зависит от того, как на самом деле производится и отображается измерение.
Цифровая информация
Фото: электронные книги обязаны своими преимуществами цифровой технологии: они могут хранить эквивалент тысячи бумажных книг в тонком электронном устройстве, которое умещается в вашей книге. Мало того, они могут загружать цифровые книги из Интернета.
Все виды повседневных технологий также работают с использованием цифровых, а не аналоговых технологий. Например, мобильные телефоны передают и принимают вызовы, преобразовывая звуки голоса человека в числа, а затем отправляя номера из одного места в другое в форме радиоволн. При таком способе цифровая технология имеет много преимуществ. Хранить информацию в цифровом виде проще, и обычно она занимает меньше места. Вам понадобится несколько полок для хранения 400 виниловых аналоговых пластинок, но с MP3-плеером вы можете положить столько же музыки в свой карман! Электронные книги могут хранить пару тысяч книг – около 50 полок – в пространстве, меньшем, чем одна книга в мягкой обложке! Цифровая информация, как правило, более безопасна: разговоры по мобильному телефону перед передачей шифруются – что легко сделать, когда информация находится в числовой форме. Вы также можете легко редактировать и воспроизводить цифровую информацию. Немногие из нас достаточно талантливы, чтобы перерисовать картину Рембрандта или Леонардо в несколько ином стиле. Но любой может отредактировать фотографию (в цифровом виде) в программе для компьютерной графики, которая работает, манипулируя числами, которые представляют изображение, а не само изображение.
Различия в использовании оборудования
Многие устройства поставляются со встроенными средствами перевода из аналогового в цифровой. Микрофоны и динамик – прекрасные примеры аналоговых устройств. Аналоговая технология дешевле, но есть ограничение на размер данных, которые могут быть переданы в данный момент.
Цифровая технология произвела революцию в способах работы большей части оборудования. Данные преобразуются в двоичный код, а затем снова собираются в исходную форму в точке приема. Поскольку ими можно легко манипулировать, он предлагает более широкий спектр возможностей. Цифровое оборудование дороже аналогового.
Громкость в цифровом звуке
Громкость цифровых сигналов не должна превышать 0db. Если не учитывать этот нюанс, на входе или выходе мы получаем перегрузку цифрового сигнала. Это значение является самой высокой точкой, то есть пиковым значением. Она позволяет записывать качественный звук и воспринимать его надлежащим образом. Если превысить это значение, сигнал искажается, а оборудование от перенагрузки может испортиться.
Кроме пиковой точки, понятие громкости включает в себя еще и такой элемент, как значение RMS. Этим понятием определяют уровень актуальной громкости, который отражает плотность записи и выдает информацию о громкости, которую способен воспринять наш слух. RMS обозначают в децибелах, но с минусовым значением: звук тем громче, чем больше числовое значение RMS (максимально громко — -6db, максимально тихо — -20db). Оптимальные значения цифровой громкости — -12db — -10db.
Как понять, что вы смотрите – цифру или аналог
Старые телевизоры не способны самостоятельно принимать DTV. Для подключения «цифры» им требуется внешняя приставка. Современные устройства оснащаются специальным встроенным DVB-T2 тюнером.
Чтобы определить тип сигнала, нужно заглянуть в меню телевизора. Если в разделе «Источник» установлено ATV, идет просмотр аналогового видеоконтента.
Другие способы определения текущего типа вещания:
- телеканалы, вещающие ATV, обозначены литерой А. Если ее нет, то канал показывает новое ТВ;
- антенный штекер вытаскивают из гнезда и отводят на 0,5 см. Если изображение стало неразборчивым, но полностью не пропало, показывает аналоговое телевидение, если картинка полностью исчезла – DTV; Влияние ослабления сигнала на картинку
- цифровое телевидение не показывает телеканалы «домашнего» региона (в МСК уже во всю вещает).
Свойства цифровых и аналоговых сигналов
Цифровая информация имеет определенные свойства, которые отличают ее от аналоговых методов связи. Это включает
- Синхронизация – цифровая связь использует определенные последовательности синхронизации для определения синхронизации.
- Язык – цифровая связь требует языка, которым должны владеть как отправитель, так и получателя, и должен определять значение последовательностей символов.
- Ошибки – нарушения в аналоговой связи вызывают ошибки в реальной предполагаемой связи, но нарушения в цифровой связи не вызывают ошибок, обеспечивая безошибочную связь. Ошибки должны иметь возможность заменять, вставлять или удалять символы для выражения.
- Копирование – копии для аналоговой связи по качеству уступают по качеству оригиналам, в то время как из-за безошибочной цифровой связи копии можно делать бесконечно.
- Гранулярность – для непрерывно изменяемого аналогового значения, которое должно быть представлено в цифровой форме, возникает ошибка квантования, которая представляет собой разницу между фактическим аналоговым значением и цифровым представлением, и это свойство цифровой связи известно как гранулярность.
Общий вывод
Аналоговый звук – это то, что мы слышим и воспринимаем, как окружающий мир глазами. Цифровой звук, это набор координат, описывающих звуковую волну, и который мы напрямую услышать не можем без преобразования в аналоговый сигнал. Аналоговый сигнал, записанный напрямую на аудиокассету или винил нельзя без потери качества перезаписать, в то время как волну в цифровом представлении можно копировать бит в бит.
Цифровые форматы записи являются постоянным компромиссом между количеством точностью координат против объема файла и любой цифровой сигнал является лишь приближением к исходному аналоговому сигналу. Однако при этом разный уровень технологий записи и воспроизведения цифрового сигнала и хранения на носителях для аналогового сигнала дают больше преимуществ цифровому представлению сигнала, аналогично цифровой фотокамере против пленочного фотоаппарата.
Аналоговый сигнал — сигнал данных, у которого каждый из представляющих параметров описывается функцией времени и непрерывным множеством возможных значений.
Различают два пространства сигналов — пространство L (непрерывные сигналы), и пространство l (L малое) — пространство последовательностей. Пространство l (L малое) есть пространство коэффициентов Фурье (счетного набора чисел, определяющих непрерывную функцию на конечном интервале области определения), пространство L — есть пространство непрерывных по области определения (аналоговых) сигналов. При некоторых условиях, пространство L однозначно отображается в пространство l (например, первые две теоремы дискретизации Котельникова).
Аналоговые сигналы описываются непрерывными функциями времени, поэтому аналоговый сигнал иногда называют непрерывным сигналом. Аналоговым сигналам противопоставляются дискретные (квантованные, цифровые). Примеры непрерывных пространств и соответствующих физических величин:
- прямая: электрическое напряжение
окружность: положение ротора, колеса, шестерни, стрелки аналоговых часов, или фаза несущего сигнала
отрезок: положение поршня, рычага управления, жидкостного термометра или электрический сигнал, ограниченный по амплитуде различные многомерные пространства: цвет, квадратурно-модулированный сигнал.
Свойства аналоговых сигналов в значительной мере являются противоположностью свойств квантованных или цифровых сигналов.
Отсутствие чётко отличимых друг от друга дискретных уровней сигнала приводит к невозможности применить для его описания понятие информации в том виде, как она понимается в цифровых технологиях. Содержащееся в одном отсчёте «количество информации» будет ограничено лишь динамическим диапазоном средства измерения.
Отсутствие избыточности. Из непрерывности пространства значений следует, что любая помеха, внесенная в сигнал, неотличима от самого сигнала и, следовательно, исходная амплитуда не может быть восстановлена. В действительности фильтрация возможна, например, частотными методами, если известна какая-либо дополнительная информация о свойствах этого сигнала (в частности, полоса частот).
Применение:
Аналоговые сигналы часто используют для представления непрерывно изменяющихся физических величин. Например, аналоговый электрический сигнал, снимаемый с термопары, несет информацию об изменении температуры, сигнал с микрофона — о быстрых изменениях давления в звуковой волне, и т.п.
