Types de signaux. Signal analogique et numérique. Types de signaux et comment ils fonctionnent

Tout signal, analogique ou numérique, est vibrations électromagnétiques, qui se propagent avec une certaine fréquence, en fonction du signal transmis, l'appareil recevant ce signal le traduit en informations textuelles, graphiques ou audio faciles à percevoir par l'utilisateur ou l'appareil lui-même. Par exemple, un signal de télévision ou de radio, une tour ou une station de radio peuvent transmettre à la fois un signal analogique et, pour le moment, un signal numérique. L'appareil récepteur, recevant ce signal, le convertit en image ou en son, complétant informations textuelles(radios modernes).

Le son est transmis sous forme analogique et, via l'appareil de réception, est converti en vibrations électromagnétiques et, comme déjà mentionné, les vibrations se propagent à une certaine fréquence. Plus la fréquence du son est élevée, plus les vibrations seront élevées, ce qui signifie que le son émis sera plus fort. Parlant de façon générale, le signal analogique se propage en continu, le signal numérique se propage par intermittence (discrètement).

Étant donné que le signal analogique se propage constamment, les oscillations sont additionnées et une fréquence porteuse apparaît à la sortie, qui dans ce cas est la principale et le récepteur est réglé sur elle. Dans le récepteur lui-même, cette fréquence est séparée des autres vibrations, qui sont déjà converties en son. Les inconvénients évidents de la transmission à l'aide d'un signal analogique incluent - un grand nombre de interférences, faible sécurité du signal transmis, ainsi qu'une grande quantité d'informations transmises, dont certaines sont superflues.

Si nous parlons d'un signal numérique, où les données sont transmises de manière discrète, il convient de souligner ses avantages évidents :

haut niveau de protection des informations transmises grâce à leur cryptage ;
facilité de réception du signal numérique;
absence de « bruit » étranger ;
la radiodiffusion numérique peut offrir un très grand nombre de chaînes ;
haute qualité de transmission - le signal numérique assure le filtrage des données reçues ;

Pour convertir un signal analogique en signal numérique et vice versa, ils sont utilisés appareils spéciaux— convertisseur analogique-numérique (ADC) et convertisseur numérique-analogique (DAC). L'ADC est installé dans l'émetteur, le DAC est installé dans le récepteur et convertit signal discretà l'analogique.

Concernant la sécurité, pourquoi un signal numérique est-il plus sécurisé qu’un signal analogique ? Le signal numérique est transmis sous forme cryptée et l'appareil qui reçoit le signal doit disposer d'un code pour décrypter le signal. Il convient également de noter que l'ADC peut également transmettre l'adresse numérique du récepteur ; si le signal est intercepté, il sera impossible de le déchiffrer complètement car une partie du code manque - cette approche est largement utilisée dans communications mobiles.

Pour résumer, la principale différence entre un signal analogique et numérique réside dans la structure du signal transmis. Les signaux analogiques sont un flux continu d'oscillations d'amplitude et de fréquence variables. Un signal numérique est constitué d'oscillations discrètes dont les valeurs dépendent du support de transmission.

Signal d'information - processus physique avoir pour une personne ou dispositif technique informatif signification. Il peut être continu (analogique) ou discret

Le terme « signal » est très souvent identifié aux notions de « données » et d’« information ». En effet, ces concepts sont interdépendants et n’existent pas les uns sans les autres, mais appartiennent à des catégories différentes.

Signal est une fonction d'information qui transmet un message sur les propriétés physiques, l'état ou le comportement de tout système physique, objet ou environnement, et le but du traitement du signal peut être considéré comme l'extraction de certains informations informations, qui sont affichés dans ces signaux (brièvement - informations utiles ou cibles) et en convertissant ces informations sous une forme pratique pour la perception et une utilisation ultérieure.

Les informations sont transmises sous forme de signaux. Un signal est un processus physique qui transporte des informations. Le signal peut être sonore, lumineux, sous la forme envoi postal et etc

Un signal est un support matériel d'informations transmis d'une source à un consommateur. Il peut être discret et continu (analogique)

Signal analogique- un signal de données dans lequel chacun des paramètres représentatifs est décrit par une fonction du temps et un ensemble continu de valeurs possibles.

Les signaux analogiques sont décrits fonctions continues temps, c'est pourquoi un signal analogique est parfois appelé signal continu. Les signaux analogiques contrastent avec les signaux discrets (quantifiés, numériques).

Exemples d'espaces continus et de grandeurs physiques correspondantes : (ligne : tension électrique; cercle : position du rotor, roue, engrenages, flèches horloge analogique, ou phase du signal porteur ; segment : position d'un piston, d'un levier de commande, d'un thermomètre à liquide ou d'un signal électrique limité en amplitude dans divers espaces multidimensionnels : couleur, signal modulé en quadrature.)

Les propriétés des signaux analogiques sont en grande partie propriétés opposées du quantifié ou du numérique signaux.

Manque de distinction claire niveaux discrets signal conduit à l’impossibilité d’appliquer la notion d’information sous la forme telle qu’elle est comprise dans technologies numériques. La « quantité d'informations » contenue dans une lecture sera limitée uniquement par la plage dynamique de l'instrument de mesure.

Aucune redondance. De la continuité de l'espace des valeurs, il s'ensuit que tout bruit introduit dans le signal est impossible à distinguer du signal lui-même et, par conséquent, l'amplitude d'origine ne peut pas être restaurée. En réalité, le filtrage est possible, par ex. méthodes de fréquence, si des informations supplémentaires sont connues sur les propriétés de ce signal (notamment la bande de fréquence).

Application:

Les signaux analogiques sont souvent utilisés pour représenter des quantités physiques en constante évolution. Par exemple, un signal électrique analogique provenant d'un thermocouple transporte des informations sur les changements de température, un signal provenant d'un microphone - sur changements rapides pression dans une onde sonore, etc.

Signal discret se compose d'un ensemble dénombrable (c'est-à-dire un ensemble dont les éléments peuvent être comptés) d'éléments (on dit - des éléments d'information). Par exemple, le signal « brique » est discret. Il est constitué des deux éléments suivants (c'est la caractéristique syntaxique de ce signal) : un cercle rouge et un rectangle blanc à l'intérieur du cercle, situé horizontalement au centre. C'est sous la forme d'un signal discret que sont présentées les informations que le lecteur est en train de maîtriser. Vous pouvez distinguer les éléments suivants : sections (par exemple, « Informations »), sous-sections (par exemple, « Propriétés »), paragraphes, phrases, phrases individuelles, mots et caractères individuels (lettres, chiffres, signes de ponctuation, etc.). Cet exemple montre qu'en fonction de la pragmatique du signal, différents éléments d'information peuvent être distingués. En fait, pour une personne qui étudie l’informatique à partir d’un texte donné, des éléments d’information plus larges, tels que des sections, des sous-sections et des paragraphes individuels, sont importants. Ils lui permettent de s'y retrouver plus facilement dans la structure de la matière, de mieux l'assimiler et de se préparer à l'examen. Pour celui qui a préparé ce matériel méthodologique, en plus des éléments d'information indiqués, les plus petits sont également importants, par exemple des phrases individuelles, à l'aide desquelles telle ou telle idée est présentée et qui mettent en œuvre telle ou telle méthode d'accessibilité de le matériel. L'ensemble des plus petits éléments d'un signal discret est appelé alphabet, et le signal discret lui-même est également appelé message.

L'échantillonnage est la conversion d'un signal continu en un signal discret (numérique).

La différence entre la représentation discrète et continue de l'information est clairement visible dans l'exemple d'une horloge. DANS montre électronique Avec un cadran numérique, les informations sont présentées discrètement – sous forme de chiffres, chacun étant clairement différent les uns des autres. Dans une montre mécanique avec un cadran à aiguille, les informations sont présentées en continu - les positions de deux aiguilles et deux positions différentes de l'aiguille ne sont pas toujours clairement distinguables (surtout s'il n'y a pas de marqueurs de minutes sur le cadran).

Signal continu- reflété par certains quantité physique, changeant dans un intervalle de temps donné, par exemple le timbre ou l'intensité sonore. Ces informations sont présentées sous la forme d'un signal continu pour les étudiants - consommateurs qui assistent à des cours d'informatique et perçoivent le matériel à travers des ondes sonores (en d'autres termes, la voix du professeur), qui sont de nature continue.

Comme nous le verrons plus tard, un signal discret se prête mieux à la transformation et présente donc des avantages par rapport à un signal continu. En même temps, dans systèmes techniques et en processus réels le signal continu prédomine. Cela nous oblige à développer des moyens de convertir un signal continu en un signal discret.

Pour convertir un signal continu en un signal discret, une procédure appelée quantification.

Un signal numérique est un signal de données dans lequel chacun des paramètres représentatifs est décrit par une fonction temporelle discrète et un ensemble fini de valeurs possibles.

Un signal numérique discret est plus difficile à transmettre sur de longues distances qu'un signal analogique, il est donc prémodulé côté émetteur et démodulé côté récepteur d'informations. Utiliser dans systèmes numériques algorithmes de vérification et de récupération informations numériques vous permet d'augmenter considérablement la fiabilité de la transmission des informations.

Commentaire. Il convient de garder à l’esprit qu’un signal numérique réel est de nature physique analogique. En raison du bruit et des changements dans les paramètres de la ligne de transmission, il présente des fluctuations d'amplitude, de phase/fréquence (gigue) et de polarisation. Mais ce signal analogique (impulsionnel et discret) est doté des propriétés d'un nombre. De ce fait, il devient possible d’utiliser des méthodes numériques (traitement informatique) pour le traiter.

Signaux analogiques, discrets et numériques

INTRODUCTION AU TRAITEMENT DU SIGNAL NUMÉRIQUE

Le traitement du signal numérique (DSP ou traitement du signal numérique) est l'une des technologies les plus récentes et les plus puissantes activement mises en œuvre dans un large éventail de domaines scientifiques et technologiques, tels que les communications, la météorologie, les radars et sonars, l'imagerie médicale, l'audio numérique. et diffusion télévisée, exploration de gisements de pétrole et de gaz, etc. On peut dire qu'il existe une pénétration généralisée et profonde des technologies de traitement du signal numérique dans toutes les sphères de l'activité humaine. Aujourd'hui, la technologie DSP est l'une des notions de base, qui sont nécessaires aux scientifiques et ingénieurs de toutes les industries sans exception.

Signaux

Qu'est-ce qu'un signal ? Dans la formulation la plus générale, il s’agit de la dépendance d’une quantité par rapport à une autre. Autrement dit, d’un point de vue mathématique, le signal est une fonction. Les dépendances au temps sont le plus souvent prises en compte. La nature physique du signal peut être différente. Très souvent, il s’agit de tension électrique, moins souvent de courant.

Formulaires de présentation des signaux:

1. temporaire ;

2. spectral (dans le domaine fréquentiel).

Le coût du traitement des données numériques est inférieur à celui du traitement analogique et continue de diminuer, tandis que les performances des opérations informatiques ne cessent d'augmenter. Il est également important que les systèmes DSP soient très flexibles. Ils peuvent être complétés par de nouveaux programmes et reprogrammés pour effectuer différentes opérations sans changer d'équipement. Par conséquent, l’intérêt pour les questions scientifiques et appliquées du traitement du signal numérique augmente dans toutes les branches de la science et de la technologie.

PRÉFACE AU TRAITEMENT DU SIGNAL NUMÉRIQUE

Signaux discrets

L'essence du traitement numérique est que signal physique (tension, courant, etc.) est converti en une séquence Nombres, qui est ensuite soumis à des transformations mathématiques dans un ordinateur.

Signaux analogiques, discrets et numériques

Le signal physique original est une fonction continue du temps. De tels signaux, déterminés à tout instant t, sont appelés analogique.

Quel signal est appelé numérique ? Considérons un signal analogique (Fig. 1.1 a). Elle est précisée en continu sur tout l'intervalle de temps considéré. Un signal analogique est considéré comme absolument précis, à moins que les erreurs de mesure ne soient prises en compte.

Riz. 1.1 a) Signal analogique

Riz. 1.1 b) Signal échantillonné

Riz. 1.1 c) Signal quantifié

Afin de recevoir numérique signal, vous devez effectuer deux opérations - échantillonnage et quantification. Le processus de conversion d'un signal analogique en une séquence d'échantillons est appelé échantillonnage, et le résultat d'une telle transformation est signal discret.T. arr., échantillonnage consiste à compiler un échantillon à partir d'un signal analogique (Fig. 1.1 b), dont chaque élément est appelé compte à rebours, sera séparé dans le temps des échantillons voisins sur un certain intervalle T, appelé intervalle d'échantillonnage ou (puisque l'intervalle d'échantillonnage est souvent inchangé) – période d'échantillonnage. L'inverse de la période d'échantillonnage est appelé taux d'échantillonnage et est défini comme :

(1.1)

Lors du traitement d'un signal dans un appareil informatique, ses échantillons sont représentés sous forme de nombres binaires avec un nombre limité de bits. En conséquence, les échantillons ne peuvent prendre qu'un ensemble fini de valeurs et, par conséquent, lors de la présentation d'un signal, celui-ci s'arrondit inévitablement. Le processus de conversion d'échantillons de signaux en nombres est appelé quantification. Les erreurs d'arrondi qui en résultent sont appelées erreurs ou bruit de quantification. Ainsi, la quantification est la réduction des niveaux du signal échantillonné à une certaine grille (Fig. 1.1 c), le plus souvent par l'arrondi habituel. Un signal discret en temps et quantifié en niveau sera numérique.

Conditions dans lesquelles cela est possible récupération complète signal analogique de son équivalent numérique, préservant toutes les informations contenues à l'origine dans le signal, sont exprimés par les théorèmes de Nyquist, Kotelnikov, Shannon, dont l'essence est presque la même. Pour échantillonner un signal analogique avec préservation complète des informations dans son équivalent numérique, les fréquences maximales du signal analogique ne doivent pas être inférieures à la moitié de la fréquence d'échantillonnage, c'est-à-dire f max £ (1/2)f d, c'est-à-dire sur une période fréquence maximale il doit y avoir au moins deux chefs d'accusation. Si cette condition n'est pas respectée, l'effet de masquage (substitution) des fréquences réelles supérieures à basses fréquences. Dans ce cas, au lieu de la fréquence réelle, une fréquence « apparente » est enregistrée dans le signal numérique et, par conséquent, la restauration de la fréquence réelle dans le signal analogique devient impossible. Le signal reconstruit donnera l'impression que les fréquences supérieures à la moitié de la fréquence d'échantillonnage étaient réfléchies par la fréquence (1/2)f d dans partie inférieure spectre et se superposant aux fréquences déjà présentes dans cette partie du spectre. Cet effet est appelé alias ou alias(alias). Un exemple clair le crénelage peut être une illusion que l'on retrouve assez souvent dans les films - une roue de voiture commence à tourner à l'encontre de son mouvement si entre des images successives (analogue à la fréquence d'échantillonnage) la roue fait plus d'un demi-tour.

Conversion du signal sous forme numérique effectué par des convertisseurs analogique-numérique (ADC). Ils utilisent généralement système binaire notation avec un certain nombre de chiffres dans une échelle uniforme. L'augmentation du nombre de bits améliore la précision des mesures et élargit la plage dynamique des signaux mesurés. Les informations perdues en raison d'un manque de bits ADC sont irrécupérables, et il existe uniquement des estimations de l'erreur résultante dans « l'arrondi » des échantillons, par exemple, via la puissance de bruit générée par une erreur dans le dernier bit ADC. À cette fin, le concept de rapport signal sur bruit est utilisé - le rapport entre la puissance du signal et la puissance du bruit (en décibels). Les plus couramment utilisés sont les CAN 8, 10, 12, 16, 20 et 24 bits. Chaque chiffre supplémentaire améliore le rapport signal/bruit de 6 décibels. Cependant, augmenter le nombre de bits réduit le taux d'échantillonnage et augmente le coût de l'équipement. Un aspect important est également la plage dynamique, déterminée par le maximum et valeur minimum signal.

Traitement des signaux numériques soit rempli processeurs spéciaux, ou sur des ordinateurs centraux et programmes spéciaux. Le plus simple à considérer linéaire systèmes. Linéaire sont appelés systèmes pour lesquels le principe de superposition a lieu (la réponse à la somme des signaux d'entrée est égale à la somme des réponses à chaque signal séparément) et d'homogénéité (un changement dans l'amplitude du signal d'entrée provoque un changement proportionnel dans le signal de sortie).

Si signal d'entrée x(t-t 0) génère un signal de sortie sans ambiguïté y(t-t 0) pour tout décalage t 0, alors le système est appelé invariant dans le temps. Ses propriétés peuvent être étudiées à tout moment arbitraire. Pour descriptif système linéaire un signal d'entrée spécial est introduit - impulsion unique(fonction impulsionnelle).

Impulsion unique(un seul chef d'accusation) tu 0(n) (Fig. 1.2) :

Riz. 1.2. Impulsion unique

En raison des propriétés de superposition et d'homogénéité, tout signal d'entrée peut être représenté comme une somme de telles impulsions fournies à différents instants et multipliée par les coefficients correspondants. Le signal de sortie du système est dans ce cas la somme des réponses à ces impulsions. La réponse à une impulsion unitaire (impulsion d'amplitude unitaire) est appelée réponse impulsionnelle du systèmeh(n). La connaissance de la réponse impulsionnelle vous permet d'analyser le passage de n'importe quel signal à travers un système discret. En effet, un signal arbitraire (x(n)) peut être représenté comme une combinaison linéaire d'échantillons unitaires.

Un signal analogique est un signal de données dans lequel chacun des paramètres représentatifs est décrit par une fonction du temps et un ensemble continu de valeurs possibles.

Il existe deux espaces de signaux - l'espace L (signaux continus) et l'espace l (L petit) - l'espace des séquences. L'espace l (L petit) est l'espace des coefficients de Fourier (un ensemble dénombrable de nombres qui définissent une fonction continue sur un intervalle fini du domaine de définition), l'espace L est l'espace des signaux continus (analogiques) sur le domaine de définition. Sous certaines conditions, l'espace L est mappé de manière unique dans l'espace l (par exemple, les deux premiers théorèmes de discrétisation de Kotelnikov).

Les signaux analogiques sont décrits par des fonctions continues du temps, c'est pourquoi un signal analogique est parfois appelé signal continu. Les signaux analogiques contrastent avec les signaux discrets (quantifiés, numériques). Exemples d'espaces continus et de grandeurs physiques correspondantes :

direct : tension électrique

cercle : position d'un rotor, d'une roue, d'un engrenage, d'aiguilles d'horloge analogique ou phase d'un signal porteur

segment : position d'un piston, d'un levier de commande, d'un thermomètre à liquide ou d'un signal électrique limité en amplitude divers espaces multidimensionnels : couleur, signal modulé en quadrature.

Les propriétés des signaux analogiques sont largement opposées à celles des signaux quantifiés ou numériques.

L'absence de niveaux de signaux discrets clairement distincts rend impossible l'application du concept d'information sous la forme telle qu'elle est comprise dans les technologies numériques pour la décrire. La « quantité d'informations » contenue dans une lecture sera limitée uniquement par la plage dynamique de l'instrument de mesure.

Aucune redondance. De la continuité de l'espace des valeurs, il s'ensuit que tout bruit introduit dans le signal est impossible à distinguer du signal lui-même et, par conséquent, l'amplitude d'origine ne peut pas être restaurée. En effet, le filtrage est possible, par exemple, par des méthodes fréquentielles, si des informations complémentaires sur les propriétés de ce signal (notamment la bande de fréquences) sont connues.

Application:

Les signaux analogiques sont souvent utilisés pour représenter des quantités physiques en constante évolution. Par exemple, un signal électrique analogique provenant d'un thermocouple transporte des informations sur les changements de température, un signal provenant d'un microphone transporte des informations sur les changements rapides de pression dans une onde sonore, etc.

2.2 Signal numérique

Un signal numérique est un signal de données dans lequel chacun des paramètres représentatifs est décrit par une fonction temporelle discrète et un ensemble fini de valeurs possibles.

Les signaux sont des impulsions électriques ou lumineuses discrètes. Avec cette méthode, toute la capacité du canal de communication est utilisée pour transmettre un signal. Le signal numérique utilise toute la bande passante du câble. La bande passante est la différence entre la fréquence maximale et minimale pouvant être transmise sur un câble. Chaque appareil sur ces réseaux envoie des données dans les deux sens, et certains peuvent recevoir et transmettre simultanément. Les systèmes à bande étroite (bande de base) transmettent des données sous la forme d'un signal numérique d'une seule fréquence.

Un signal numérique discret est plus difficile à transmettre sur de longues distances qu'un signal analogique, il est donc prémodulé côté émetteur et démodulé côté récepteur d'informations. L'utilisation d'algorithmes pour vérifier et restaurer les informations numériques dans les systèmes numériques peut augmenter considérablement la fiabilité de la transmission des informations.

Le citoyen moyen ne réfléchit pas à la nature des signaux, mais parfois à la différence entre la diffusion ou les formats analogiques et numériques. Par défaut, on pense que les technologies analogiques appartiennent au passé et seront bientôt complètement remplacées par les technologies numériques. Cela vaut la peine de savoir à quoi nous renonçons au profit des nouvelles tendances.

Signal analogique- un signal de données décrit par des fonctions continues du temps, c'est-à-dire que l'amplitude de ses oscillations peut prendre n'importe quelle valeur dans le maximum.

Signal numérique- un signal de données décrit par des fonctions discrètes du temps, c'est-à-dire que l'amplitude des oscillations ne prend que des valeurs strictement définies.

En pratique, cela permet de dire que le signal analogique est accompagné de gros montant interférences, tandis que le numérique réussit à les filtrer. Ce dernier est capable de restaurer les données originales. De plus, un signal analogique continu transporte souvent beaucoup de informations inutiles, ce qui conduit à sa redondance - plusieurs signaux numériques peuvent être transmis au lieu d'un signal analogique.

Si l'on parle de télévision, et c'est ce domaine qui inquiète la plupart des consommateurs avec sa transition vers le « numérique », alors on peut considérer le signal analogique comme complètement obsolète. Cependant, pour l’instant, les signaux analogiques peuvent être reçus par n’importe quel équipement conçu à cet effet, tandis que les signaux numériques nécessitent un équipement spécial. C’est vrai, avec la généralisation du « numérique » téléviseurs analogiques de moins en moins et la demande diminue de façon catastrophique.

Une autre caractéristique importante d’un signal est la sécurité. À cet égard, l’analogique démontre une totale impuissance face aux influences ou intrusions extérieures. Le numérique est crypté en lui attribuant un code issu d'impulsions radio, afin d'exclure toute interférence. Il est difficile de transmettre des signaux numériques sur de longues distances, c'est pourquoi un schéma de modulation-démodulation est utilisé.

Site Web des conclusions

Le signal analogique est continu, le signal numérique est discret.
Lors de la transmission d'un signal analogique, il existe un risque plus élevé d'obstruer le canal par des interférences.
Le signal analogique est redondant.
Le signal numérique filtre le bruit et restaure les données originales.
Le signal numérique est transmis sous forme cryptée.
Plusieurs signaux numériques peuvent être envoyés au lieu d'un signal analogique.

Un simple consommateur n’a pas besoin de connaître la nature des signaux. Mais parfois, il faut connaître la différence entre l'analogique et formats numériques, afin d'aborder le choix d'une option ou d'une autre les yeux ouverts, car on entend aujourd'hui que le temps des technologies analogiques est révolu, elles sont remplacées par des technologies numériques. Vous devez comprendre la différence afin de savoir ce que vous laissez derrière vous et à quoi vous attendre.

Signal analogique est un signal continu qui a nombre infini les données se rapprochent en valeur du maximum, dont tous les paramètres sont décrits par la variable dépendante du temps.

Signal numérique- il s'agit d'un signal distinct décrit par une fonction distincte du temps ; ainsi, à chaque instant, l'amplitude du signal a une valeur strictement définie.

La pratique a montré qu'avec les signaux analogiques, des interférences sont possibles et peuvent être éliminées avec un signal numérique. De plus, le numérique permet de restaurer les données originales. Avec un signal analogique continu, de nombreuses informations transitent, souvent inutiles. Au lieu d'un signal analogique, plusieurs signaux numériques peuvent être transmis.

Aujourd'hui, les consommateurs s'intéressent à la question de la télévision, puisque c'est dans ce contexte que l'expression « passer au signal numérique » est souvent prononcée. Dans ce cas, l'analogique peut être considéré comme une relique du passé, mais c'est ce que la technologie existante accepte, et pour recevoir du numérique, il en faut une spéciale. Bien entendu, en raison de l’émergence et de l’expansion de l’utilisation du « numérique », ils perdent leur popularité d’antan.

Avantages et inconvénients des types de signaux

La sécurité joue un rôle important dans l'évaluation des paramètres d'un signal particulier. Divers types d'influences et d'intrusions étrangères rendent le signal analogique sans défense. Avec le numérique, cela est exclu, car il est codé à partir d'impulsions radio. Sur de longues distances, la transmission des signaux numériques est compliquée et il est nécessaire d'utiliser des schémas de modulation-démodulation.

Pour résumer, on peut dire que différences entre les signaux analogiques et numériques consister:

Dans la continuité de l'analogique et la discrétion du numérique ;
DANS plus probable interférence pendant la transmission analogique ;
En redondance du signal analogique ;
Dans la capacité du numérique à filtrer le bruit et à restituer les informations originales ;
Dans la transmission d'un signal numérique sous forme codée. Un signal analogique est remplacé par plusieurs signaux numériques.

Très souvent, nous entendons des définitions telles que signal « numérique » ou « discret » ; quelle est la différence avec « analogique » ?

L'essence de la différence réside dans le fait que le signal analogique est continu dans le temps (ligne bleue), tandis que le signal numérique consiste en un ensemble limité de coordonnées (points rouges). Si nous réduisons tout aux coordonnées, alors tout segment d'un signal analogique est constitué d'un nombre infini de coordonnées.

Pour un signal numérique, les coordonnées le long de l'axe horizontal sont situées à intervalles réguliers, en fonction de la fréquence d'échantillonnage. Dans le format courant Audio-CD, cela représente 44 100 points par seconde. La précision verticale de la hauteur des coordonnées correspond à la profondeur de bits du signal numérique ; pour 8 bits elle est de 256 niveaux, pour 16 bits = 65536 et pour 24 bits = 16777216 niveaux. Plus la profondeur de bits (nombre de niveaux) est élevée, plus les coordonnées verticales sont proches de l'onde d'origine.

Les sources analogiques sont : les vinyles et les cassettes audio. Les sources numériques sont : les CD-Audio, DVD-Audio, SA-CD (DSD) et les fichiers aux formats WAVE et DSD (y compris les dérivés de APE, Flac, Mp3, Ogg, etc.).

Avantages et inconvénients du signal analogique

L’avantage d’un signal analogique est que c’est sous forme analogique que nous percevons le son avec nos oreilles. Et bien que notre système auditif traduise ce que nous percevons flux sonore sous forme numérique et le transmet sous cette forme au cerveau ; la science et la technologie n'ont pas encore atteint le point de pouvoir connecter directement sous cette forme des lecteurs et d'autres sources sonores. Des recherches similaires sont actuellement menées activement pour les personnes handicapées et nous bénéficions d'un son exclusivement analogique.

L'inconvénient d'un signal analogique est la capacité de stocker, transmettre et reproduire le signal. Lors de l'enregistrement sur bande magnétique ou vinyle, la qualité du signal dépendra des propriétés de la bande ou du vinyle. Au fil du temps, la bande se démagnétise et la qualité du signal enregistré se détériore. Chaque lecture détruit progressivement le support et la réécriture introduit une distorsion supplémentaire, où des écarts supplémentaires sont ajoutés par le support suivant (bande ou vinyle), les dispositifs de lecture, d'écriture et de transmission du signal.

Faire une copie d'un signal analogique revient à copier une photographie en la reprenant en photo.

Avantages et inconvénients du signal numérique

Les avantages d'un signal numérique incluent la précision lors de la copie et de la transmission d'un flux audio, où l'original n'est pas différent de la copie.

Le principal inconvénient peut être considéré comme le signal dans forme numérique est un étage intermédiaire et la précision du signal analogique final dépendra du degré de détail et de précision avec lequel l'onde sonore est décrite par les coordonnées. Il est tout à fait logique que plus il y a de points et plus les coordonnées sont précises, plus l'onde sera précise. Mais il n'y a toujours pas de consensus sur le nombre de coordonnées et la précision des données suffisants pour dire que la représentation numérique du signal est suffisante pour restituer avec précision le signal analogique, impossible à distinguer de l'original par nos oreilles.

En termes de volumes de données, la capacité d'une cassette audio analogique ordinaire n'est que d'environ 700 à 1,1 Mo, tandis qu'un CD ordinaire contient 700 Mo. Cela donne une idée du besoin de supports de grande capacité. Et cela donne lieu à une guerre distincte de compromis avec des exigences différentes concernant le nombre de points de description et la précision des coordonnées.

Aujourd'hui, il est considéré comme tout à fait suffisant de représenter une onde sonore avec une fréquence d'échantillonnage de 44,1 kHz et une profondeur de bits de 16 bits. Avec une fréquence d'échantillonnage de 44,1 kHz, il est possible de reconstruire un signal jusqu'à 22 kHz. Comme le montrent les études psychoacoustiques, une augmentation supplémentaire de la fréquence d'échantillonnage n'est pas perceptible, mais une augmentation de la profondeur de bits donne une amélioration subjective.

Comment les DAC créent une vague

Un DAC est un convertisseur numérique-analogique, un élément qui convertit le son numérique en analogique. Nous examinerons superficiellement les principes de base. Si les commentaires indiquent un intérêt à examiner un certain nombre de points plus en détail, un document distinct sera publié.

DAC multibits

Très souvent, une onde est représentée sous forme d'étapes, ce qui est dû à l'architecture de la première génération de DAC R-2R multi-bits, qui fonctionnent de manière similaire à un commutateur relais.

L'entrée DAC reçoit la valeur de la coordonnée verticale suivante et à chaque cycle d'horloge, elle commute le niveau de courant (tension) au niveau approprié jusqu'au prochain changement.

Bien que l'on pense que l'oreille humaine ne peut entendre qu'à une fréquence supérieure à 20 kHz et que, selon la théorie de Nyquist, il est possible de restaurer le signal à 22 kHz, la qualité de ce signal après restauration reste une question. Dans la région des hautes fréquences, la forme d’onde « échelonnée » résultante est généralement loin de celle d’origine. Le moyen le plus simple de sortir de cette situation consiste à augmenter la fréquence d'échantillonnage lors de l'enregistrement, mais cela entraîne une augmentation significative et indésirable de la taille du fichier.

Une alternative consiste à augmenter artificiellement le taux d'échantillonnage lors de la lecture dans le DAC en ajoutant valeurs intermédiaires. Ceux. nous imaginons un chemin d'onde continu (ligne pointillée grise) reliant en douceur les coordonnées d'origine (points rouges) et ajoutons des points intermédiaires sur cette ligne (violet foncé).

Lors de l'augmentation de la fréquence d'échantillonnage, il est généralement nécessaire d'augmenter la profondeur de bits afin que les coordonnées soient plus proches de l'onde approchée.

Grâce aux coordonnées intermédiaires, il est possible de réduire les « marches » et de construire une vague plus proche de l'originale.

Lorsque vous voyez une fonction boost de 44,1 à 192 kHz dans un lecteur ou un DAC externe, il s'agit d'une fonction d'ajout de coordonnées intermédiaires, et non de restauration ou de création de son dans la région supérieure à 20 kHz.

Initialement, il s'agissait de puces SRC distinctes avant le DAC, qui ont ensuite migré directement vers les puces DAC elles-mêmes. Aujourd'hui, il est possible de trouver des solutions dans lesquelles une telle puce est ajoutée aux DAC modernes ; ceci afin de fournir une alternative aux algorithmes intégrés dans le DAC et parfois d'obtenir encore plus meilleur son(comme par exemple cela se fait dans Hidizs AP100).

Le principal refus de l'industrie à l'égard des DAC multibits est dû à l'impossibilité de poursuivre le développement technologique des indicateurs de qualité avec les technologies de production actuelles et au coût plus élevé par rapport aux DAC « à impulsions » présentant des caractéristiques comparables. Cependant, dans les produits Hi-End, la préférence est souvent donnée aux anciens DAC multi-bits plutôt qu'aux nouvelles solutions aux caractéristiques techniquement meilleures.

Changer de DAC

À la fin des années 70, il s'est répandu Option alternative DAC basés sur une architecture « impulsion » – « delta-sigma ». La technologie Pulse DAC a permis l’émergence de commutateurs ultra-rapides et a permis l’utilisation de fréquences porteuses élevées.

L'amplitude du signal est la valeur moyenne des amplitudes des impulsions (les impulsions d'amplitude égale sont affichées en vert et l'onde sonore résultante est affichée en blanc).

Par exemple, une séquence de huit cycles de cinq impulsions donnera une amplitude moyenne (1+1+1+0+0+1+1+0)/8=0,625. Plus la fréquence porteuse est élevée, plus les impulsions sont lissées et une valeur d'amplitude plus précise est obtenue. Cela a permis de présenter le flux audio sous forme d'un bit avec une large plage dynamique.

La moyenne peut être effectuée avec un filtre analogique ordinaire, et si un tel ensemble d'impulsions est appliqué directement au haut-parleur, alors à la sortie, nous obtiendrons du son, et ultra hautes fréquences ne sera pas reproduit en raison de la forte inertie de l’émetteur. Les amplificateurs PWM fonctionnent sur ce principe en classe D, où la densité d'énergie des impulsions n'est pas créée par leur nombre, mais par la durée de chaque impulsion (ce qui est plus facile à mettre en œuvre, mais ne peut être décrit avec un simple code binaire).

Un DAC multibits peut être considéré comme une imprimante capable d’appliquer des couleurs à l’aide d’encres Pantone. Delta Sigma est imprimante à jet avec une gamme limitée de couleurs, mais grâce à la possibilité d'appliquer très petits points(par rapport à une imprimante en bois), en raison de la densité différente de points par unité de surface, elle produit plus de nuances.

Dans une image, nous ne voyons généralement pas de points individuels en raison de la faible résolution de l'œil, mais uniquement le ton moyen. De même, l’oreille n’entend pas les impulsions individuellement.

A terme, avec les technologies actuelles dans les DAC pulsés, il est possible d'obtenir une onde proche de ce qu'il faudrait théoriquement obtenir en approchant des coordonnées intermédiaires.

Il est à noter qu'après l'avènement du DAC delta-sigma, la pertinence de tracer une « onde numérique » par étapes a disparu, car C’est ainsi que les DAC modernes ne construisent pas une vague par étapes. Il est correct de construire un signal discret avec des points reliés par une ligne lisse.

La commutation des DAC est-elle idéale ?

Mais dans la pratique, tout n’est pas rose et il existe un certain nombre de problèmes et de limites.

Parce que Étant donné que la grande majorité des enregistrements sont stockés dans un signal multi-bits, la conversion en signal impulsionnel selon le principe « bit à bit » nécessite une fréquence porteuse inutilement élevée, que les DAC modernes ne prennent pas en charge.

La fonction principale des DAC à impulsions modernes est de convertir un signal multi-bits en un signal monobit avec une fréquence porteuse relativement basse avec décimation des données. Fondamentalement, ce sont ces algorithmes qui déterminent la qualité sonore finale des DAC à impulsions.

Pour réduire le problème de la fréquence porteuse élevée, le flux audio est divisé en plusieurs flux d'un bit, chaque flux étant responsable de son groupe de bits, qui équivaut à un multiple de la fréquence porteuse du nombre de flux. De tels DAC sont appelés delta-sigma multibits.

Aujourd'hui, les DAC pulsés ont reçu un second souffle dans les puces à usage général à grande vitesse dans les produits NAD et Chord en raison de leur capacité à programmer de manière flexible des algorithmes de conversion.

Format DSD

Après la généralisation des DAC delta-sigma, il était tout à fait logique que le format d'enregistrement apparaisse code binaire codage directement delta-sigma. Ce format est appelé DSD (Direct Stream Digital).

Le format n'était pas largement utilisé pour plusieurs raisons. L'édition de fichiers dans ce format s'est avérée inutilement limitée : vous ne pouvez pas mélanger les flux, régler le volume ou appliquer l'égalisation. Cela signifie que sans perte de qualité, vous pouvez uniquement archiver des enregistrements analogiques et produire des enregistrements de performances live avec deux microphones, sans traitement supplémentaire. En un mot, on ne peut pas vraiment gagner d’argent.

Dans la lutte contre le piratage, les disques au format SA-CD n'étaient pas (et ne sont toujours pas) supportés par les ordinateurs, ce qui rend impossible leur copie. Pas de copies – pas de large public. Il était possible de lire du contenu audio DSD uniquement à partir d'un lecteur SA-CD distinct à partir d'un disque propriétaire. Si pour le format PCM il existe une norme SPDIF pour le transfert de données numériques d'une source vers un DAC séparé, alors pour le format DSD il n'y a pas de norme et les premières copies piratées de disques SA-CD ont été numérisées à partir des sorties analogiques de SA- Lecteurs de CD (bien que la situation semble stupide, mais en réalité certains enregistrements ont été publiés uniquement sur SA-CD, ou le même enregistrement sur Audio-CD a été délibérément réalisé de mauvaise qualité pour promouvoir le SA-CD).

Le tournant est venu avec la sortie consoles de jeux SONY, où le disque SA-CD a été automatiquement copié sur Disque dur consoles. Les fans du format DSD en ont profité. L'apparition d'enregistrements piratés a incité le marché à lancer des DAC distincts pour la lecture des flux DSD. La plupart des DAC externes prenant en charge DSD prennent aujourd'hui en charge le transfert de données USB en utilisant le format DoP comme codage séparé du signal numérique via SPDIF.

Les fréquences porteuses pour DSD sont relativement petites, 2,8 et 5,6 MHz, mais ce flux audio ne nécessite aucune conversion avec amincissement des données et est assez compétitif par rapport aux formats haute résolution, comme les DVD-Audio.

Il n'y a pas de réponse claire à la question de savoir lequel est le meilleur, DSP ou PCM. Tout dépend de la qualité de mise en œuvre d'un DAC particulier et du talent de l'ingénieur du son lors de l'enregistrement du fichier final.

Conclusion générale

Le son analogique est ce que nous entendons et percevons avec nos yeux comme le monde qui nous entoure. Le son numérique est un ensemble de coordonnées qui décrivent onde sonore, et que nous ne pouvons pas entendre directement sans conversion en signal analogique.

Un signal analogique enregistré directement sur une cassette audio ou un vinyle ne peut pas être réenregistré sans perte de qualité, tandis qu'une onde en représentation numérique peut être copiée bit par bit.

Les formats d'enregistrement numérique sont un compromis constant entre la précision des coordonnées et la taille du fichier, et tout signal numérique n'est qu'une approximation du signal analogique d'origine. Cependant, les différents niveaux de technologie pour l'enregistrement et la reproduction d'un signal numérique et le stockage sur support d'un signal analogique confèrent davantage d'avantages à la représentation numérique du signal, à l'instar d'un appareil photo numérique par rapport à un appareil photo argentique.

Lorsqu'il s'agit de diffusion de télévision et de radio, ainsi que types modernes communications, nous rencontrons très souvent des termes tels que "Signal analogique" Et "signal numérique". Pour les spécialistes, ces mots n’ont rien de mystérieux, mais pour les ignorants, la différence entre « numérique » et « analogique » peut être complètement inconnue. En attendant, il existe une différence très significative.

Lorsque nous parlons d'un signal, nous entendons généralement des oscillations électromagnétiques qui induisent des champs électromagnétiques et provoquent des fluctuations de courant dans l'antenne du récepteur. Sur la base de ces vibrations, l'appareil récepteur - un téléviseur, une radio, un talkie-walkie ou un téléphone portable - se fait une « idée » de l'image à afficher sur l'écran (s'il y a un signal vidéo) et des sons qui accompagnent ce signal vidéo. .

Dans tous les cas, le signal d’une station de radio ou d’une tour de téléphonie mobile peut apparaître à la fois sous forme numérique et analogique. Après tout, par exemple, le son lui-même est un signal analogique. Dans une station de radio, le son reçu par le microphone est converti en ondes électromagnétiques déjà mentionnées. Plus la fréquence sonore est élevée, plus la fréquence d'oscillation de sortie est élevée et plus le haut-parleur parle fort, plus l'amplitude est grande.

Les oscillations ou ondes électromagnétiques qui en résultent se propagent dans l’espace à l’aide d’une antenne émettrice. Pour que les ondes ne soient pas obstruées par des interférences basse fréquence, et pour que différentes stations de radio aient la possibilité de travailler en parallèle sans interférer les unes avec les autres, les vibrations résultant de l'influence du son sont résumées, c'est-à-dire « superposées ». sur d'autres vibrations qui ont une fréquence constante. La dernière fréquence est habituellement appelée la « porteuse », et c'est pour la percevoir que l'on règle notre récepteur radio afin de « capter » le signal analogique de la station radio.

Se produit au niveau du récepteur processus inverse: La fréquence porteuse est séparée, et les vibrations électromagnétiques reçues par l'antenne sont converties en vibrations sonores, et la voix familière de l'annonceur est entendue par le haut-parleur.

Tout peut arriver lors de la transmission d'un signal audio de la station radio au récepteur. Des interférences de tiers peuvent se produire, la fréquence et l'amplitude peuvent changer, ce qui, bien entendu, affectera les sons produits par la radio. Enfin, l'émetteur et le récepteur eux-mêmes introduisent des erreurs lors de la conversion du signal. Par conséquent, le son reproduit par une radio analogique présente toujours une certaine distorsion. La voix peut être entièrement reproduite malgré les changements, mais il y aura un sifflement ou même une respiration sifflante en arrière-plan causé par des interférences. Moins la réception est fiable, plus ces effets de bruit parasite seront forts et distincts.

De plus, le signal analogique terrestre présente un très faible degré de protection contre les accès non autorisés. Pour les radios publiques, cela ne fait évidemment aucune différence. Mais en utilisant le premier téléphones portablesétait seul moment désagréable, car presque tous les récepteurs radio tiers peuvent facilement être réglés sur la longueur d'onde souhaitée pour écouter votre conversation téléphonique.

La radiodiffusion analogique présente de tels inconvénients. Grâce à eux, par exemple, la télévision promet de devenir entièrement numérique dans un délai relativement court.

Les communications et la diffusion numériques sont considérées comme mieux protégées contre les interférences et les influences extérieures. Le fait est que lors de l'utilisation du « numérique », le signal analogique du microphone de la station émettrice est crypté en code numérique. Non, bien entendu, un flux de chiffres et de chiffres ne se propage pas dans l’espace environnant. Simplement, un code d'impulsions radio est attribué à un son d'une certaine fréquence et d'un certain volume. La durée et la fréquence des impulsions sont prédéfinies - elles sont les mêmes pour l'émetteur et le récepteur. La présence d'une impulsion correspond à un, l'absence - zéro. C’est pourquoi une telle communication est dite « numérique ».

Un appareil qui convertit un signal analogique en code numérique est appelé convertisseur analogique-numérique (ADC). Un dispositif installé dans le récepteur qui convertit le code en un signal analogique correspondant à la voix de votre ami dans le haut-parleur téléphone portable La norme GSM est appelée « convertisseur numérique-analogique » (DAC).

Lors de la transmission du signal numérique, les erreurs et les distorsions sont pratiquement éliminées. Si l'impulsion devient un peu plus forte, plus longue ou vice versa, elle sera toujours reconnue par le système comme une unité. Et zéro restera zéro, même si un signal faible aléatoire apparaît à sa place. Pour ADC et DAC, il n'y a pas d'autres valeurs comme 0,2 ou 0,9 - seulement zéro et un. Par conséquent, l’interférence sur communication numérique et la radiodiffusion n'ont quasiment aucun impact.

De plus, le « numérique » est également mieux protégé contre les accès non autorisés. Après tout, pour que le DAC d’un appareil puisse décrypter un signal, il doit « connaître » le code de décryptage. L'ADC, avec le signal, peut également transmettre l'adresse numérique de l'appareil sélectionné comme récepteur. Ainsi, même si le signal radio est intercepté, il ne peut pas être reconnu en raison de l'absence d'au moins une partie du code. Cela est particulièrement vrai.

Alors voilà différences entre les signaux numériques et analogiques:

1) Un signal analogique peut être déformé par des interférences, et un signal numérique peut soit être complètement obstrué par des interférences, soit arriver sans distorsion. Le signal numérique est soit définitivement présent, soit complètement absent (soit zéro, soit un).

2) Le signal analogique est accessible à tous les appareils fonctionnant sur le même principe que le transmetteur. Le signal numérique est solidement protégé par un code et est difficile à intercepter s'il ne vous est pas destiné.

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