О радиолюбительстве. Баян №7. 20.07.2023
Цифра и аналог. Основные понятия.
Доброго времени, уважаемые Коллеги!
Настало время разобрать один важный вопрос теории и практики - цифровую и аналоговую технику и соответствующие им сигналы. Знания, полученные в предыдущем посте:
О радиолюбительстве. Баян №6. 18.07.2023
позволят понять, как записывается и воспроизводится звук, а также в чем разница между цифровой и аналоговой обработкой сигнала.
Важное замечание: в постах "О радиолюбительстве" информация даётся в самом упрощённом виде - так, чтобы была понятна суть процесса. Если возникнет интерес, то количество ресурсов и книг, где соответствующие процессы описаны с формулами и детально - великое множество. Прошу считать, что мои посты "Про радио" - школьный радиокружок.
Итак - цифровая и аналоговая обработка (запись, преобразование, хранение, передача, воспроизведение) сигнала. На текущем этапе рассмотрения в качестве сигнала назначаем звук - то есть звуковые волны, распространяющиеся в воздухе, и их электрические копии, создаваемые микрофонами. Понимание принципов обработки сигналов сильно облегчает жизнь, но, правда, снижает количество магии в ней :))
В предыдущем посте о физике радио, мы разобрали самые базовые понятия. И, надо сказать, все они относятся к аналоговому способу создания и обработки сигнала. То есть, на всем пути звука голоса от Вас к вашему далёкому другу, идёт работа с АНАЛОГОМ вашего голоса. Действительно! Голос (звуковая волна) заставляет В ТАКТ колебаться мембрану микрофона, в прикрепленной к ней катушке наводится электрический сигнал, имеющий ТОЧНО ТАКУЮ ЖЕ форму, как и звуковая волна, как колебания мембраны. Только это уже не звуковая волна (упругая волна в воздухе), и не её механический аналог (колебания мембраны микрофона, вызванные воздействием звуковой волны) а электрический аналог механического аналога - электрическая копия звуковой волны. Такой способ обработки сигнала и называется - АНАЛОГОВЫМ.
Примеров аналоговой обработки очень много. Приведем самый наглядный = виниловую пластинку. Канавки на ней неровные, а имеют вид звуковой волны. Возьмите лупу - посмотрите на дорожки. Они выглядят вот так:
Не правда ли, очень похожее на вот эту осциллограмму (визуальное отображение сигнала звуковой частоты на экране осциллографа)?
Действительно - похоже. И не просто похоже - это то же самое. Механический образ звукового сигнала. То есть звук сперва был преобразован в электрический сигнал, а потом специальным устройством, например, вот таким
https://stereo.ru/news/phonocut-home-vinyl-cutting-machine
на виниловой пластинке нарезаны канавки... А дальше ... Дальше пластинка крутится, игла проигрывателя колеблется, проезжая по канавкам, на другом конце иглы находится маленький магнитик, который, в свою очередь, колеблется в катушке из очень тонкого провода... В катушке возникает электрический сигнал, аналогичный форме канавки. Сигнал усиливается - желательно ламповым усилителем (шутка) и... О, какой звук! Не звук, а целый sound... (олды поймут).
Аналоговый способ обработки сигнала имеет ряд достоинств, главное из которых - схожесть с оригиналом. К сожалению, это достоинство является и причиной недостатков - при каждой перезаписи точность теряется, как как погрешности и нелинейности катушек, иголок, резаков, и т.д. - при каждой перезаписи вносят ошибки. А ошибки - это искажение звука. Например, если много раз переписать музыку с кассеты на кассету - качество ухудшается, все олдфаги это знают.
Для желающих изучить тему аналоговой звукозаписи поглубже - ссылки:
1. https://scask.ru/k_book_acc.php?id=65
2. https://audioakustika.ru/mag
Вышеизложенное позволяет предположить, что аналоговый способ обработки сигнала не идеален. Особенно - при тиражировании и хранении записей. Например, восковые барабаны фонографа Эдисона дошли до наших дней в минимальном количестве. Просто потому, что материал недолговечен...
https://ru.wikipedia.org/wiki/Фонограф
Поэтому человечество стало искать способы, как избежать потери качества при обработке и хранении электрического сигнала.
Возможность преобразования практически любого сигнала в цифровую форму была подтверждена Теоремой Котельникова (в англоязычной литературе — теоремой Найквиста — Шеннона) - теоремой отсчётов.
https://ru.wikipedia.org/wiki/Теорема_Котельникова
https://siblec.ru/radiotekhnika-i-elektronika/radiotekhniche...
Мысль пошла по такому пути: Раз есть электрический сигнал, значит можно измерить его напряжение. Причем можно его мерять очень часто. Например, 44 000 раз в секунду. Чтобы сохранить весь звуковой диапазон - до 20 000 герц. И каждый раз записывать значение.
Вручную это невозможно, а вот автоматически, в компьютер - нет проблем. Для этого создали соответствующий прибор, который называется АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (АЦП), который и выполнял эту неблагодарную и однообразную работу. 44 000 раз в секунду АЦП измеряет напряжение, и передаёт его значение в память компьютера. В результате, вместо аналогового сигнала получается массив значений напряжения звукового сигнала - 44 тысячи записей на каждую секунду звучания.
В чём же выгода? Как раз в цифрах. В отличие от аналогового сигнала, при обработке массива чисел не теряется качество. При усилении, передаче и т.п., цифра не меняется. Все наши CD, mp3, avi, mpeg и т.д. - это цифровой образ аналогового электрического сигнала. Примерно восемь миллионов значений на песенку средней продолжительности.
Правда, "цифру" нельзя увидеть и услышать. Необходимо обратное преобразование, прибор, который будет 44 000 раз в секунду получать из памяти компьютера информацию о мгновенном значении напряжения звукового сигнала, устанавливать это напряжение на выходе - формировать электрический сигнал, аналогичный звуковому.
Для этого был создан ЦИФРО-АНАЛОГОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (ЦАП). Он расшифровывает полученные из памяти компьютера цифры, и на своём выходе выдает соответствующее им напряжение. В результате получается очень близкий к исходному сигнал - который можно услышать, предварительно усилив до необходимой мощности, и подав его на наушники или динамик.
С увеличением скорости и мощности компьютеров большинство видов связи переходят в цифровую форму. Например, 20 лет назад оцифровать сигнал радиочастоты было практически невозможно. А сейчас это делается легко. Появились новые цифровые виды связи, цифровое телевидение, цифровая спутниковая связь, цифровая радиолокация.
Практически всё, что мы смотрим и слушаем - цифровые образы. А аналоговые устройства остались, пожалуй, только радиолюбителям (и то цифра постепенно вытесняет аналоговую связь), да любителям "тёплого лампового звука" и виниловых пластинок.
С Вами - AlexRadio. 73!
Частное обращение: Сегодня - хороший день, чтобы раскрыть мой коварный план, который, похоже, воплотился в реальность. Идея была такая: заработать на экономике и политике рейтинг, привлечь подписчиков, а потом - приступить к массированной пропаганде радиолюбительской связи на коротких волнах.
Шутка :))
Впрочем, в каждой шутке есть доля шутки... И я искренне рад, что посты "Про радио" также пользуются популярностью.
Спасибо!