885
Серия Баяны и посты "О радиолюбительстве"

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:

О радиолюбительстве. Баян №7. 20.07.2023 Радио, Радиолюбители, Физика, Цифровая техника, Аналоговый звук, Радиокружок, Alexradio, Длиннопост

Не правда ли, очень похожее на вот эту осциллограмму (визуальное отображение сигнала звуковой частоты на экране осциллографа)?

О радиолюбительстве. Баян №7. 20.07.2023 Радио, Радиолюбители, Физика, Цифровая техника, Аналоговый звук, Радиокружок, Alexradio, Длиннопост

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.

О радиолюбительстве. Баян №7. 20.07.2023 Радио, Радиолюбители, Физика, Цифровая техника, Аналоговый звук, Радиокружок, Alexradio, Длиннопост

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!

0
Автор поста оценил этот комментарий

Ипать-телепать!

Читаю пост

Уникальный и талантливый народ

Всё зашибись, мы лучшие! Реально. МЫ ЛУЧШИЕ. Кстати. Гибкие мониторы и мультики в метро на стенах (Токио) тоже изобрели в СССР.


И тут такая статья чудная. Про Цифру и Аналог.

И волшебные 44000.

Но, бляДЬ, ни СЛОВА О КОТЕЛЬНИКОВЕ!!!! Который и обосновал и доказал именно эти самые 44000. На основе которой ВООБЩЕ ВСЯ ЦИФРОАНАЛОГОВАЯ техника работает.

А теорема звучит достаточно просто.

Для правильного восстановления аналогового сигнала из цифрового достаточно делать выборку с частотой в два раза превышающей максимальную частоту сигнала.

Отсюда и 44000. Поскольку стандарт СССР 0 уровня (высший класс) это 20-20000 Гц звука.

На западе другие частоты, но выше 22000 в аналоге нигде не было. Выше - просто ни один человек не услышит.

Отсюда и 44000. Все что выше - излишество особо не влияющее на качество звука.

раскрыть ветку (1)
0
Автор поста оценил этот комментарий

В посте упомянута теорема Котельникова. Жирным шрифтом.

0
Автор поста оценил этот комментарий
Там ЦБ ставку повысил
раскрыть ветку (1)
0
Автор поста оценил этот комментарий

Я этого ждал. Но ничего экстренного не случилось - поэтому поста пока нет.

0
DELETED
Автор поста оценил этот комментарий

Если брать продолжительность в 3,5 минуты и стерео, то получается 44100×2×210 = 18522000 чиселок.

раскрыть ветку (1)
0
Автор поста оценил этот комментарий

Я считал моно, 3 минуты.

1
Автор поста оценил этот комментарий
Спасибо огромные за совет) на выходных собрали все мозги в кучу на даче и уже заказали все на Али, будем надеяться руки в ходе работы у нас выпрямятся.
раскрыть ветку (1)
Автор поста оценил этот комментарий

Всё получится! Отчёт ждём постом :)

0
Автор поста оценил этот комментарий
нет проблем оцифровать искаженный сигнал
раскрыть ветку (1)
Автор поста оценил этот комментарий

Проблем нет, конечно. Но лампочки не светятся, пластинка не крутится - рассыпается психологическая картина "прослушивания". Я не выступаю на стороне меломанов - но понимаю их способ восприятия.

1
Автор поста оценил этот комментарий

секунду, на аналоговом выходе цапа не лесенки) там же не просто так стоят фильтры. подобные картинки вводят в заблуждение, так как кажется, что для бОльшего "качества" нужно значительно поднимать частоту дискретизации

раскрыть ветку (1)
Автор поста оценил этот комментарий

На аналоговом - нет. А внутри есть.

1
Автор поста оценил этот комментарий

Я из ваших постов понял связь антенны и длинны волны.

раскрыть ветку (1)
Автор поста оценил этот комментарий

Об этом будет отдельно, подробно. Главное - длина антенны должна быть кратна 1/4 волны.

показать ответы
2
Автор поста оценил этот комментарий
во-первых, частота в аналоге всё-таки ограничена ёмкостями и индуктивностями во всех частях тракта.
во-вторых, именно для этого существует теорема Котельникова: сэмлируетя с бОльшей частотой, чем будем слушать. Физика утверждает, что вы не сможете отличить аналоговый и правильно оцифрованный сигнал. Все попытки опровергнуть это в среде меломанов успехом не увенчались.
раскрыть ветку (1)
Автор поста оценил этот комментарий

Верное сэмплирование обеспечивается двукратной частотой. Касательно меломанов - я где-то уже писал, что настоящие меломаны ценят как раз не верность передачи звука - а "правильные" искажения - например, увеличение количества чётных гармоник после усиления сигнала лампой, или "погрешности" винилового воспроизведения, в виде редких шумов и потрескиваний. С точки зрения меломана эти события придают музыке необходимую "живость", отсутствующую в цифровом воспроизведении высокой верности.

показать ответы
Автор поста оценил этот комментарий
А в чем минусы цифры? Подозреваю они есть. Ведь настоящие меломаны предпочитают винил, почему?
раскрыть ветку (1)
Автор поста оценил этот комментарий

Дело в специфических искажениях, вносимых в звук механической записью, и, особенно, ламповым усилителем. Эти искажения субъективно украшают звучание. Подробно - надо делать отдельный пост.

4
Автор поста оценил этот комментарий
Вы забыли (пропустили) про частотную модуляцию. Дуплекс. Работу ключом.
Сержант запаса СА. 1988-1990.ПВО.
раскрыть ветку (1)
Автор поста оценил этот комментарий

Не всё в один пост:)

показать ответы
2
Автор поста оценил этот комментарий
А мне нравится. Вот приятно такие статьи читать
раскрыть ветку (1)
Автор поста оценил этот комментарий

Спасибо! Сегодня вышел новый пост по теме.

показать ответы
0
Автор поста оценил этот комментарий

бля, опять картинка неправильная как и в большинстве статей. откуда там staircase если отчёты дискретные? нету там никаких лесенок

раскрыть ветку (1)
Автор поста оценил этот комментарий

Отсчёты - дискретные. А вот формирование сигнала в ЦАП - именно такое. Обратите внимание на картинку - там есть точки, на которых написано - "Дискретный отсчёт". При оцифровке сигнала лесенок нет. При формировании аналогового сигнала из цифры - есть.

показать ответы
Автор поста оценил этот комментарий
Всем привет, слышал что тут есть какая-то сила Пикабу…😇 вопрос/просьба про радиотехнику))
Друг тренер по брейку, хотим сделать кастомный бумбокс ему на др с блютозом, сами из мск, не можем найти мастера / мастерскую, кто бы взялся. Сами не справимся.
раскрыть ветку (1)
Автор поста оценил этот комментарий

Если бы такая задача была у меня, я взялся бы делать ТЯЖЁЛЫЙ бумбокс в стиле Atomic heart в размерах 400х300х900 мм, на колесиках, с динамиками 10ГДШ. Страшная машина будет...

Можно в размер поменьше, на автомобильных динамиках Урал. Тоже будет интересно.

Кстати, какой бюджет?

показать ответы
7
Автор поста оценил этот комментарий
Е-мое, а это точно, про происхождение понятия "аналоговый"? Если да, то у меня щас мир перевернулся, никогда в жизни не задумывался почему именно так называется, оно как-то само собой разумеющееся было)
раскрыть ветку (1)
Автор поста оценил этот комментарий

Точно!

показать ответы
6
DELETED
Автор поста оценил этот комментарий

Откуда взялось "8 миллиардов значений" на песенку? Осетра не хотите урезать?

раскрыть ветку (1)
Автор поста оценил этот комментарий

Спасибо! 8 миллионов... Поправил.

показать ответы
3
Автор поста оценил этот комментарий

@AlexRadio,  Вы же "в отпуск ушли", а пишите как в семидневку =)

раскрыть ветку (1)
Автор поста оценил этот комментарий

Отпуск от регулярных постов по экономике. Пишу что хочу. Кстати, если будет что-то реально интересное в экономике - тоже напишу. Отпуск относится только к регулярным постам.

показать ответы
2
Автор поста оценил этот комментарий
У кого какие новости по экономике? Ключевую ставку вот увеличили.
раскрыть ветку (1)
Автор поста оценил этот комментарий

Увеличили, но ничего не произошло.

Автор поста оценил этот комментарий
Всем привет, слышал что тут есть какая-то сила Пикабу…😇 вопрос/просьба про радиотехнику))
Друг тренер по брейку, хотим сделать кастомный бумбокс ему на др с блютозом, сами из мск, не можем найти мастера / мастерскую, кто бы взялся. Сами не справимся.
раскрыть ветку (1)
Автор поста оценил этот комментарий

Справитесь сами. Электрическая часть очень простая. Всё есть на Али. Сложности могут быть только с корпусом. Пишите задание, рисуйте картинки. Будем вместе делать:) Отличный бумбокс можно сделать из колонки от домашнего кинотеатра.

4
Автор поста оценил этот комментарий
АлРад в отпуске, сказал по экономике постов не будет в ближайшие несколько месяцев
раскрыть ветку (1)
Автор поста оценил этот комментарий

До 15 сентября.

4
Автор поста оценил этот комментарий
вообще, минус цифры - в вычислительных ресурсах и быстродействии.
Для меломанов нет никакой разницы - звуковые частоты очень низкие, и с ними без проблем справляются копеечные чипы.
Другое дело, когда речь идет о более сложных системах. У нас, например, требуется реагировать на сигналы гигагерцовой частоты, и на сегодняшний момент нет систем, позволяющих делать это в цифре в реальном времени. поэтому даунсэмплим до 80 МГц и работаем с таким сигналом
раскрыть ветку (1)
Автор поста оценил этот комментарий

Преобразование частоты!