Разбираемся с АЦП и ЦАП, какие задачи они решают, в чем их достоинства и недостатки.
Аналого-цифровой преобразователь
Аналого-цифровой преобразователь или АЦП — это устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный цифровой код. АЦП осуществляет операции дискретизации и квантования. Напомню, при дискретизации, отсчеты непрерывного сигнала берутся только в определенные моменты или дискреты времени, а при квантовании значение сигнала в эти моменты времени округляется до одного из фиксированных уровней, квантованные уровни затем представляются в двоичном виде. Таким образом, мы получаем цифровой сигнал из аналогового.
Как устроен АЦП
В большинстве АЦП есть устройство выборки и хранения, которые фиксируют и сохраняют значение напряжения на своем входе, в моменты замыкания ключа, а моменты замыкания ключа определяется задающим генератором, именно его частота и определяет частоту дискретизации выходного сигнала. Сигнал на выходе устройства выборки и хранения затем, округляется до одного из уровней квантования.
Как же АЦП понимает, с каким уровней квантования проассоциировать значение сигнала?
Рассмотрим простейший одноразрядный АЦП, компаратор. Он принимает на свой вход два значения напряжения, в том случае, если напряжение на первом входе больше чем на втором, он выдает логическую единицу, в противном случае 0.
Допустим, мы зафиксировали значение на втором ходе, это наш пороговый уровень, и когда изменяющейся во времени сигнал на первом входе больше этого уровня, устройство показывает 1, когда меньше 0.
Теперь представим, что компараторов несколько, когда входной сигнал превышает определённый уровень, срабатывает соответствующий компаратор, выходы всех компараторов затем преобразуется схемой приоритетного кодера в двоичное представление. АЦП в которых каждом из уровней квантования соответствует компаратор называются АЦП прямого преобразования или флеш АЦП.
Характеристики АЦП
Во-первых, АЦП отличаются по частоте дискретизации, она определяется задающим генератором. В зависимости от назначения частота дискретизации может измеряться в килогерцах, мегагерцах и даже гигагерц.
Далее идет разрядность, то есть количество бит в коде, которыми мы представляем отсчеты сигнала. От количества бит, зависит количество уровней квантования, оно определяется, как 2 в степени количество бит, если у нас 3 бита, то это 8 возможных уровней квантования, если у нас 8 бит это 256 уровней.
Диапазон входного сигнала это минимальные и максимальные значения напряжения на входе АЦП при которых устройство работает корректно. Слишком маленький сигнал АЦП может не различить и принять за нулевой уровень, слишком большие могут вызвать искажения, которые приведут к потере информации. Обычно АЦП оперируют единицами вольт.
Отношение сигнал-шум об этом параметре есть подробная статья.
Передаточная характеристика — это по определению зависимость числового эквивалента выходного кода от величины входного аналогового сигнала, она имеет вид ступенчатой функции.
Посмотрим на рисунок выше, окрестность значения входного напряжения 0,5 вольт будет приравнено к четвертому уровню квантования, то есть значение к примеру 0,52 или 0,47 также будут представлены кодом 100.
Если мы рассматриваем АЦП с равномерным квантованием, то длина всех ступенек будет одинаковой, в некоторых АЦП специально используются неравномерное квантование, но их мы пока не рассматриваем. Неравномерность ступенек в АЦП с равномерным квантование это одна из характеристик неидеальности, мы называем ее нелинейностью.
Нелинейность АЦП
Нелинейность АЦП — это отличие реальной передаточной характеристики от линейной.
Линейная система передает входной сигнал на выход, без изменения его формы, возможно усиление или аттенюация.
Нелинейная система искажает форму выходного сигнала. В том случае, когда характеристика отличается от прямой линии, форма пиков сигнала изменяется это называется нелинейным искажением, крайне нежелательно явление. При искажениях мы безвозвратно теряем информацию.
Для АЦП, желательно, чтобы в рабочем диапазоне входных сигналов формы передаточных характеристик аппроксимировались прямой, но на практике небольшие отклонения все же присутствуют, поэтому для всех АЦП производитель указывает параметры интегральной и дифференциальной нелинейности.
Шум квантования
В АЦП происходит округление реального значения аналогового сигнала. Точность представления, то насколько близок уровень квантования к реальному значению зависит от разрядности АЦП, количества бит.
Сигнал ошибки или разницы мы называем шумом квантования, хотя шумом его можно считать только в рамках математической модели, так как он зависит от сигнала.
Если мы квантуем непрерывный сигнал, то и шум квантования будет непрерывным. Если мы говорим о квантовании дискретного сигнала, то и на ошибки также будет дискретным. Понятно, что для того чтобы уменьшить шум квантования надо повышать разрядность АЦП, но из-за этого увеличивается стоимость, энергопотребление, могут понизиться другие характеристики.
Существует техника уменьшения влияния шума квантования без увеличения разрядности, и с ними вы можете ознакомиться самостоятельно при желании.
Джиттер
Джиттер это фазовый шум вызванный нестабильностью задающего генератора. Когда мы рассматриваем идеальный процесс дискретизации непрерывного сигнала, шаг временной сетке или период дискретизации неизменен, но в реальности импульсы задающего генератора могут идти не через равные промежутки времени, это приводит к тому что мы передаем устройству выборки и хранения не совсем то значение, которое должны были бы передать в случае идеально ровной временной сетки.
Эти отклонения, от так называемых реальных значений, также можно представить в виде дискретного шума. Нестабильность генераторов обычно измеряется в пика и фемпто секундах, поэтому на медленный АЦП она особо не влияет.
Шум квантования вносит гораздо больший вклад, но если сам сигнал изменяется очень быстро, если мы говорим о частотах дискретизации в сотни мегагерц и единицах гигагерц, то в этом случае уже джиттер может стать главной проблемой.
Цифро-аналоговый преобразователь
Цифро-аналоговый преобразователь — это устройство преобразующее входной цифровой сигнал в аналоговый.
На вход устройства поступают дискретные отсчеты в виде цифрового кода, которые затем преобразуются в напряжение. Напряжение это соответствует набору уровней, как и случае с АЦП, многие ЦАП, используют равномерный уровни при преобразовании.
Уровень напряжения остается неизменным до момента прихода следующего отсчета на вход, таким образом формируется ступенчатый непрерывный сигнал, который в дальнейшем может быть сглажен фильтром нижних частот.
Один из простейших видов ЦАП широтно-импульсный модулятор (ШИМ) он часто используется для управления скоростью электромоторов.
Источник: zvondozvon.ru
Преобразование цифрового сигнала в аналоговый
Преобразование цифрового сигнала в аналоговый осуществляется с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП).
Звуковой цифровой сигнал поступает в блок формирования амплитуды, одновременно с появлением цифрового сигнала в этот блок поступают импульсы тактового генератора, соответствующие исходной частоте дискретизации. В каждый момент времени появление импульса в тактовом генераторе соответствующая кодовая группа аналогово сигнала преобразуется в импульс соответствующей амплитуды. Данный сигнал подается в фильтр, который сглаживает импульсные ступеньки и в результате появляется аналоговый сигнал.
Преимущества аналогового сигнала:
1. Простота реализации
2. Удобство представления
1. Большая подверженность ошибкам
Помехи возникают при регистрации сигнала, для хранения на носителе, что связано с временным процессом преобразования и обработкой сигнала. Прежде всего, такие помехи возникают, что плавают период колебания из-за неравномерности движения механических частей записывающих устройств. К тому же любой носитель подвержен старения, что приводит к амплитудному старению сигнала.
Преимущество цифрового сигнала:
Цифровой звук имеет параметры, которые не меняются во времени и существенно менее подвержены искажения за счет технических характеристик носителей информации. Цифровой код воспринимается компьютером в любой ситуации одинаково.
Недостаток цифрового сигнала – сложная схема преобразования данных.
Не сжатые форматы
Внутренний формат Audacity Project format (AUP)
Проекты Audacity записываются в файлы в формате AUP, который наилучшим образом адаптированы для работы с программой Audacity. Формат позволяет записывать, помимо цифрового представления звукового файла, служебную информацию для редактирования. Впоследствии вы можете импортировать ваш проект в любой формат.
WAV (Windows Wave)
Это основный формат звуковых файлов для операционной системе Windows.
AIFF (Audio Interchange File Format)
Это основной формат звука для Макинтоша.
Сжатые форматы
Sun Au / NeXT
Это основной аудио формат для компьютеров Sun и NeXT. Этот формат появился среди форматов со сжатием одним из первых и не обладает высокими характеристиками.
IRCAM (Institut de Recherce et Coordination Acoustique/Musique)
Формат популярен среди исследователей компьютерной музыки. Audacity может читать этот формат.
MP3 (MPEG I, layer 3)
Это один из самых популярных форматов.С его помощью можно сжать информацию с коэффициентом 1:10. Формат является коммерческим.
Audacity может читать и записывать в этот формат.
Ogg Vorbis
Это новый формат сжатия, являющийся бесплатной альтернативой MP3. Качество записи этого формата при той компрессии выше, чем MP3. Audacity может читать и писать в этом формате.
MIDI
Аббревиатура MID означает «Цифровой интерфейс музыкальных инструментов» (Musical Instrument Digital Interface). Это скорее программа для управления встроенными синтезаторами, чем звуковой файл.
Спецификация MIDI позволяет создавать схожие звуки на различных устройствах, а также обмениваться данными между устройствами, имеющими этот интерфейс.
Аппаратное и программное обеспечение мультимедиа. Понятие аудиоряда, видеоряда, цветового потока.
Аппаратные средства мультимедиа.
Для построения мультимедиа системы необходима дополнительная аппаратная поддержка: аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи для перевода аналоговых аудио и видео сигналов в цифровой эквивалент и обратно, видеопроцессоры для преобразования обычных телевизионных сигналов к виду, воспроизводимому электронно-лучевой трубкой дисплея, декодеры для взаимного преобразования телевизионных стандартов, специальные интегральные схемы для сжатия данных в файлы допустимых размеров и так далее. Все оборудования, отвечающие за звук объединяются в так называемые звуковые карты, а за видео в видео карты.
Звуковые карты.
Для звуковых карт IBM совместимых компьютеров прослеживаются следующие тенденции:
1. Совместимость звуковых карт. За сравнительнуо не долгую историю развития средств мультимедиа появилось уже несколько основных стандартов де-факто на звуковые карты. Так почти все звуковые карты, предназначены для игр и развлечений, поддерживают совместимость с Adlib и Sound Blaster. Все звуковые карты, ориентированные на бизнес — приложения, совместимы обычно с MS Windows Sound Sistem фирмы Microsoft.
2. Фирмы производители, стремясь к более естественному воспроизведению звука, используют технологии объёмного или трёхмерного звучания. Объёмность звучания в наши дни представляет собой самое модное направление в области воспроизведения звука. Последнее придаёт большую глубину ограниченного поля воспроизведения, которое присуще небольшим, находящимся на близком расстоянии колонкам.
3. Использование на картах режима Dual DMA, что означает двойной, прямой доступ к памяти. Реализовать одновременно запись и воспроизведение можно с помощью двух каналов DMA.
4. Происходит устойчивое внедрение звуковых технологий в телекоммуникации. В 90% случаев звуковые карты приобретаются для игр. В оставшемся — для речевого сопровождения программ мультимедиа. В этом случае потребительские качества зависят от цифро-аналогового преобразователя и от усилителя звуковой частоты. Не менее важным представляется совместимость со стандартом Sound Blaster.
Далеко не все программы способны обеспечить поддержку менее распространённых стандартов.
Наборы звуковых карт, как правило, состоят из драйвера, утилиты, программы записи и воспроизведения звука, а также средства для подготовки и произведения презентаций, энциклопедий, игр.
Видеокарты.
На IBM PC совместимых компьютерах, для работы с видеосигналами, используется огромное количество устройств. Эти устройства можно классифицировать следующим образом: MPEG — плееры устройства для ввода и захвата видеопоследовательностей (Cupture play), фреймграбберы (Framegrabbfer),TV — тюнеры, преобразователи сигналовVGA TV.
MPEG — плееры. В функции данных устройств входит воспроизведение фильмов, записанных на компакт — дисках, качеством VNS при скорости потока сжатой информации, не превышающей обычно 150 Кбайт/с.Определение для каждого конкретного видеопотока оптимального соотношения между тремя видами изображения: Intra, Preicted и Bidirectional можно считать основной сложностью задачи, решаемой MPEG кодером. Плата Reel Magic была первым MPEG — плеером. Созданием её в 1993 году явилась компания Sigina Desing.
TV тюнеры. По своему внешнему виду эти устройства напоминают карту или бокс (небольшую коробочку). Они выполняют задачу преобразования аналогового видеосигнала, который поступает по сети кабельного телевидения или от антенны, видеомагнитофона или камкодера (camcoder). TV — тюнеры могут входить в состав таких устройств, как MPEG — плееры или фреймграбберы.
Некоторые из них содержат встроенные микросхемы для преобразователя звука. Ряд тюнеров выполняют функцию вывода телетекста.
Преобразователи VGA-TV. Основной задачей преобразователей является трансляция сигнала в цифровом образе VGA изображения в аналоговый сигнал, пригодный для ввода на телевизионный приёмник. Как правило, производителям предлагаются подобные устройства, выполненные в одном из двух вариантов: либо как внутренние ISA карта либо как внешний блок.
Примером использования преобразователей может служить наложение видеосигналов при создании титров. В этом случае осуществляется полная синхронизация преобразованного компьютерного сигнала. При наложении формируется специальный ключевой (key) сигнал трёх видов: lumakey, chromakey, alpha chenol.
CD-ROM – оптический диск предназначенный для компьютерных систем. Среди его достоинств – многофункциональность, среди недостатков – отсутствие возможности пополнения информации.
CD-E – специальных формат компакт-диска, разработанный фирмой Philips для телевизионных приставок. Достоинства: высокое качество воспроизведения. Недостатки: отсутствие многофункциональности, неудовлетворительное качество статической информации, связанное с качеством телевизионных видео-мониторов.
Video CD – замена видео-кассет с гораздо более высоким качеством изображения. Недостатки: отсутствие многофункциональности и интерактивности.
DVD-E – тот же CD компакт диск, только более скоростной и имеющий большую емкость. Основной недостаток DVD видео является наличие сложной схемы защиты от копирования и региональной блокировки.
Blu-Ray – появились для записи видео высокой четкости. Размер – 25 Гб. Основной недостаток – дороговизна, проблемы с чтением данного формата, некорректное ПО.
HD-DVD – также предназначены для записи HD-видео. Размер одного диска – 30 Гб.
Многокомпонентную мультимедиа-среду целесообразно разделить на три группы: аудиоряд, видеоряд, текстовая информация.
Аудиоряд может включать речь, музыку, эффекты (звуки типа шума, грома, скрипа и т.д., объединяемые обозначением WAVE (волна). Главной проблемой при использовании этой группы мультисреды является информационная емкость. Для записи одной минуты WAVE-звука высшего качества необходима память порядка 10 Мбайт, поэтому стандартный объем CD (до 640 Мбайт) позволяет записать не более часа WAVE. Для решения этой проблемы используются методы компрессии звуковой информации.
Другим направлением является использование в мультисреде звуков (одноголосая и многоголосая музыка, вплоть до оркестра, звуковые эффекты) MIDI (Musical Instrument Digitale Interface). В данном случае звуки музыкальных инструментов, звуковые эффекты синтезируются программно-управляемыми электронными синтезаторами. Коррекция и цифровая запись MIDI-звуков осуществляется с помощью музыкальных редакторов (программ-секвенсоров). Главным преимуществом MIDI является малый объем требуемой памяти — 1 минута MIDI-звука занимает в среднем 10 Кбайт.
Видеоряд по сравнению с аудиорядом характеризуется большим числом элементов. Выделяют статический и динамический видеоряды.
Статический видеоряд включает графику (рисунки, интерьеры, поверхности, символы в графическом режиме) и фото (фотографии и сканированные изображения).
Динамический видеоряд представляет собой последовательность статических элементов (кадров). Можно выделить три типовых группы:
• обычное видео (life video) — последовательность фотографий (около 24 кадров в секунду);
• квазивидео — разреженная последовательность фотографий (6—12 кадров в секунду);
• анимация — последовательность рисованных изображений.
Источник: megaobuchalka.ru
Преобразователи видеосигнала
Преобразователи видеосигнала
Преобразователь интерфейса USB2.0 в RS485, полудуплекс, передача до 1200м, скорость передачи данных 155.200 бод, поддержка 32 устройств, питание от ПК, кабель USB, ПО, рабочая температура от 0 до +55 Показать ещё
4 405 4 757
352 экономии
В наличии мало
Купить в 1 клик В корзину
Преобразователи видеосигнала
Преобразователь интерфейса USB в RS485 со встроенным защитным изолятором 3кВ, поддержикает USB2.0, полудуплекс, передача до 1200м, скорость передачи данных 155.200 бод, поддержка 32 устройств, питание от Показать ещё
4 054 4 378
324 экономии
Купить в 1 клик В корзину
Преобразователи видеосигнала
Преобразователь HDMI в Composite Video и Stereo Audio. Поддержка стандартов NTSC и PAL. Разрешение входного сигнала HDMI до 1920×1080. Вх. — HDMI(A)/Роз.2,1х5мм(DC5V). Вых. — RCA(video)/RCA(audio)x2.
В комплекте БП DC5V(2А) — 1шт. Размеры: Показать ещё
Источник: videoglaz.ru