Какая разница между аналоговым и цифровым сигналом

«В начале был сигнал…»

Этими словами Иоанн начал своё Евангелие, описывая времена, выходящие за пределы нашей эры. Мы начинаем эту статью не менее пафосно, и со всей серьёзностью заявляем, что в деле вещания «в начале был сигнал».

В телевидении, как и во всей электронике, сигнал является основой. Говоря о нем, мы имеем в виду электромагнитные колебания, которые распространяются в воздухе с помощью передающей антенны и вызывают колебания тока в антенне-приёмнике. Эфирная волна может быть представлена как в непрерывной, так и в импульсной форме, что значительно сказывается на конечном результате – качестве приёма ТВ.

Что такое аналоговое телевидение? Это телевидение, знакомое каждому, которое застали ещё родители наших родителей. Оно транслируется незакодированным способом, его основой выступает аналоговый сигнал, и принимает его обычный, знакомый нам с детства, аналоговый телевизор. В настоящее время во многих странах осуществляется процесс оцифровки аналогового сигнала, а стало быть, эфирного телевидения. В некоторых странах Европы этот процесс уже завершён и наземное аналоговое ТВ отключено. На это есть причины, в которых предлагает разобраться эта статья.

Отличие дискретного сигнала от цифрового

Про Азбуку Морзе наверное слышали все. Придумал художник Самуэль Морзе, другие новаторы усовершенствовали, а использовали все. Это способ передачи текста, где точками и тире закодированы буквы. Упрощенно, кодировка называется морзянкой. Её долго использовали на телеграфе и для передачи информации по радио. Кроме того, сигналить можно с помощью прожектора или фонарика.

Код морзянки зависит только от самого знака. А не от его продолжительности или громкости (силы). Как ни ударь ключом (моргни фонариком), воспринимаются только два варианта– точка и тире. Можно только увеличить скорость передачи. Ни громкость, ни продолжительность в расчёт ни принимаются. Главное, что бы сигнал дошёл.

Так же и цифровой сигнал

Важно закодировать данные с помощью 0 и 1. Получатель должен только разобрать, комбинацию нолей и единиц

Неважно с какой громкостью и какой продолжительностью будет каждый сигнал. Важно получить нолики и единички. Это суть цифровой технологии.

Дискретный сигнал получится если закодировать ещё громкость (яркость) и продолжительность каждой точки и тире, или 0 и 1. В этом случае вариантов кодировки больше, но и путаницы тоже. Громкость и продолжительность можно не разобрать. В этом и разница между цифровым и дискретным сигналами. Цифровой генерируется и воспринимается однозначно, дискретный с вариациями.

Параметры цифрового ТВ в России

Системы цифрового телевидения работают в соответствии со стандартами телевещания. Их несколько. Для справки приведем описания 4-х наиболее распространенных стандартов:

1. DVB-T и DVB-T2. Это европейские стандарты телевещания первого и второго поколения, соответственно. В России, как и в большинстве стран мира, используется стандарт DVB-T2.
2. ATSC. Американский стандарт цифрового ТВ. Используется в США, Канаде, Южной Корее и некоторых странах Латинской Америки.
3. ISDB. Японский стандарт «цифры». Помимо самой Японии, также используется в большинстве стран Центральной и Южной Америки, немногих стран Азии и Африки.
4. DTMB. Это самый «молодой» китайский стандарт цифрового вещания. Помимо Китая, стандарт также принят в Пакистане, Лаосе, Камбоджи, Кубе и некоторых других странах. По заявлению самих китайцев, DTMB превосходит по всем параметрам все три предыдущих стандарта.

Касательно основных параметров используемого в России европейского стандарта DVB-T2:

• Вещание осуществляется на метровых (МВ/HF) и дециметровых (ДМВ/UHF) радиочастотах в диапазонах 174…230 МГц и 470…790 МГц, соответственно.
• Зарезервированные под вещание частотные каналы: 6…12 под метровый диапазон и 21…60 под дециметровый диапазон.
• Разрешение передаваемой видеокартинки: 720х576 пикселей (т.е. видео в SD качестве).

Декодирование цифрового сигнала

Процедура декодирования сигнала направлена на улучшение качества воспроизводимого изображения или звука, которые исходят из центрального устройства не периферийные проекторы и презентационные системы.

Визуально работу декодера характеризует высокая точность воспроизведения изображения. Декодеры поставляются с возможностью приема кодированных сигналов в сжатом виде и дальнейшей передачи этих сигналов на дешифратор.

Оборудование применяется при создании копий аудиовизуальных материалов и при передаче сигналов на устройства, расположенные на значительном удалении. Например, цифровой декодер используется, как прибор для подключения услуги спутникового цифрового телевидения.

Аналоговый сигнал

Это природный тип сигналов окружает нас повсеместно и постоянно. Звук, изображение, тактильные ощущения, запах, вкус и команды мозга. Все возникающие, во Вселенной без участия человека, сигналы являются аналоговыми.

В электронике, электротехнике и системах связи аналоговую передачу данных применяют со времени изобретения электричества. Характерной особенностью является непрерывность и плавность изменения параметров. Графически сеанс аналоговой связи можно описать как непрерывную кривую, соответствующую величине электрического напряжения в определённый момент времени. Линия изменяется плавно, разрывы возникают только при обрыве связи. В природе и электронике аналоговые данные генерируются и распространяются непрерывно. Отсутствие непрерывного сигнала означает тишину или черный экран.

В непрерывных системах связи аналогом звука, изображения и любых других данных является электрические или электромагнитные импульсы. Например, громкость и тембр голоса передаются от микрофона на динамик посредством электрического сигнала. Громкость зависит от величины, а тембр от частоты напряжения. Поэтому при голосовой связи сначала напряжение становится аналогом звука, а потом звук аналогом напряжения. Таким же образом происходит передача любых данных в аналоговых системах связи.

Что такое цифровое ТВ?

Самый простой ответ на первую часть данного вопроса — телевидение, вещаемое посредством передачи в эфир цифрового сигнала. Сам же цифровой сигнал представляет собой закодированные в виде нулей и единиц данные, передающиеся «дозировано» в виде блоков (для сравнения, аналоговый сигнал — непрерывный). Однако нельзя говорить, что в системе цифрового телевещания не используются аналоговые сигналы. На самом деле без них ничего бы вообще не работало. Аналоговый сигнал является исходным (если рассматривать эфирное ТВ), который перед отправкой просто кодируется специальным оборудованием в нули и единицы. Но всю эту техническую сторону момента мы рассматривать не будем.

Ввиду того, что «цифра» существенно отличается от «аналога», для ее приема также требуется специальное устройство — цифро-аналоговый преобразователь, именуемый «ТВ-тюнером» или просто «ТВ-приставкой». Тот, в свою очередь, преобразует (декодирует) цифровой сигнал в формат, «понятный» телевизору. Мы еще обязательно вернемся к этому вопросу немного позже.

Отличия цифрового сигнала от аналогового

Для большинства людей различие между аналоговым и цифровым сигналом может быть совершенно неявным. И все же их разница значительна и заключается не просто в качестве подачи телеэфира.

Аналоговым сигналом являются полученные данные, которые мы видим, слышим и воспринимаем, как мир, который нас окружает. Этот метод генерирования, обработки, передачи и записи сигналов – традиционный и пока очень распространённый. Данные преобразовываются в электромагнитные колебания, отражающие частоту и интенсивность явлений по принципу полного соответствия.

Цифровой сигнал представляет собой совокупность координат, описывающих электромагнитную волну, которая не недоступна для восприятия напрямую, без декодирования, т.к. является последовательностью электромагнитных импульсов. Говоря о дискретности и непрерывности сигналов, подразумевают соответственно «принятие значений из конечного набора» и «принятие значений из бесконечно множества».

Примером дискретности могут быть школьные оценки, которые принимают значения из набора 1,2,3,4,5. Фактически, цифровой видеосигнал часто создаётся путём оцифровки аналогового сигнала.

Уходя от теории, на деле можно выделить следующие ключевые отличия между аналоговыми и цифровыми сигналами:

1. аналоговое телевидение уязвимо для помех, вносящих в него шумы, в то время как цифровой импульс либо вовсе перекрыт помехами и отсутствует, либо поступает в первоначальном виде.
2. принять и считать аналоговый сигнал может любое устройство, работа которого базируется на том же принципе, что и вещание передатчика. Цифровая волна предназначена определённому «адресату», а стало быть, устойчива к перехвату, т.к. надёжно закодирована.

Качество изображения

Качество картинки в телевизоре, которую предоставляет аналоговое ТВ во многом обусловлено ТВ стандартом. Кадр, который несёт с собой аналоговое вещание, включает 625 строк с соотношением сторон 4×3. Таким образом, старый кинескоп демонстрирует изображение из телевизионных линий, в то время как цифровое изображение составлено из пикселей.

Картинка при аналоговом сигнале

При слабом приёме и помехах телевизор будет «снежить» и шипеть, недодавая зрителю изображение и звук. В попытках внести улучшения в эту ситуацию, в своё время, было реализовано кабельное ТВ.

Картинка при цифровом сигнале

Другие возможности

Несмотря на быстрое развитие электронных технологий и преимущества цифрового сигнала перед аналоговым, все ещё существуют области, в которых аналоговая технология незаменима, как, к примеру, профессиональная обработка звука. Но, хотя оригинальная запись может быть не хуже «цифры», после редактирования и копирования она неизбежно будет зашумлена.

Вот набор основных операций, которые можно выполнять с аналоговым потоком:

• усиление и ослабление;
• модуляция, направленная на снижение его восприимчивости к помехам, и демодуляция;
• фильтрация и обработка частоты;
• умножение, суммирование и логарифмирование;
• обработка и изменение параметров его физических величин.

Структура цифрового звукового тракта

При проигрывании музыки происходит примерно следующее: плеер при помощи кодека, выполненного в виде устройства или программы, распаковывает файл в заданном формате (FLAC, MP3 и другие) или считывает данные с CD, DVD-Audio или SACD-диска, получая стандартный поток данных PCM. Затем этот поток передается через USB, LAN, S/PDIF, PCI и так далее в I2S-конвертер. В свою очередь, конвертер преобразует полученные данные в так называемые кадры интерфейса передачи данных I2S (не путать с I2С!).

I2S

I2S — это последовательная шина передачи цифрового аудиопотока. Сейчас I2S — стандарт для подключения источника сигнала (компьютер, проигрыватель) к цифроаналоговому преобразователю. Именно через нее подключается напрямую или опосредованно подавляющее большинство ЦАП. Существуют и другие стандарты передачи цифрового аудиопотока, но они используются гораздо реже.

Выход (вход) I2S на печатных платах

Шина I2S может состоять из трех, четырех и даже пяти контактов:

• continuous serial clock (SCK) — тактовый сигнал битовой синхронизации (может называться BCK или BCLK);
• word select (WS) — тактовый сигнал кадровой синхронизации (может называться LRCK или FSYNC);
• serial data (SD) — сигнал передаваемых данных (может называться DATA, SDOUT или SDATA). Как правило, данные передаются от передатчика к приемнику, но бывают устройства, которые могут выступать и приемником, и передатчиком одновременно. В таком случае может присутствовать еще один контакт;
• serial data in (SDIN) — по этому контакту данные движутся в направлении приема, а не передачи.

SD или SDOUT служит для подключения цифроаналогового преобразователя, а SDIN используется для подключения аналого-цифрового преобразователя к шине I2S.

В большинстве случаев присутствует еще один контакт, Master Clock (MCLK или MCK), он используется для синхронизации приемника и передатчика от одного генератора тактовых импульсов, чтобы снизить коэффициент ошибок передачи данных. Для внешней синхронизации MCLK служат два генератора тактовых импульсов: с частотой 22 579 кГц и 24 576 кГц. Первый, 22 579 кГц, — для частот, кратных 44,1 кГц (88,2, 176,4, 352,8 кГц), а второй, 24 576 кГц, — для частот, кратных 48 кГц (96, 192, 384 кГц). Также могут встречаться генераторы на 45 158,4 кГц и 49 152 кГц — наверняка ты уже заметил, как в мире цифрового звука всё любят умножать на два.

Frame, или кадр I2S

В I2S обязательно используются три контакта: SCK, WS, SD — остальные контакты опциональны.

По каналу SCK передаются синхроимпульсы, под которые синхронизированы кадры.

По каналу WS передается длина «слова», при этом используются и логические состояния. Если на контакте WS логическая единица, значит, передаются данные правого канала, если ноль — данные левого канала.

По SD передаются биты данных — значения амплитуды звукового сигнала при квантовании, те самые 16, 24 или 32 бита. Никаких контрольных сумм и служебных каналов на шине I2S не предусмотрено. Если данные при передаче потеряются, возможности восстановить их не существует.

На дорогих ЦАП часто бывают внешние разъемы для подключения к I2S. Использование таких разъемов и кабелей может плохо отразиться на звуке, вплоть до появления «артефактов» и заиканий, все будет зависеть от качества и длины провода. Все же I2S это внутрисхемный разъем, и длина проводников от передатчика до приемника должна стремиться к нулю.

Рассмотрим, как передается поток данных PCM по шине I2S. Например, при передаче PCM 44,1 кГц с разрядностью 16 бит длина слова на канале SD будет соответствовать этим шестнадцати битам, а длина кадра будет 32 бита (правый канал + левый). Но чаще всего передающие устройства используют длину слова 24 бита.

При воспроизведении PCM 44,1 × 16 старшие биты либо попросту игнорируются, так как заполнены нулями, либо, в случае со старыми мультибитными ЦАП, они могут перейти на следующий кадр. Длина «слова» (WS) может также зависеть от плеера, через который воспроизводится музыка, а также от драйвера устройства воспроизведения.

Альтернативой PCM и I2S может быть запись звукового сигнала в DSD. Этот формат развивался параллельно с PCM, хотя и тут теорема Котельникова оказала некоторое влияние. Для улучшения качества звучания по сравнению с CDDA упор был сделан не на повышение разрядности квантования, как в формате DVD Audio, а на увеличение частоты дискретизации.

1.1 Дискретизация

Дискретизация — преобразование непрерывной функции в дискретную. Используется в гибридных вычислительных системах и цифровых устройствах при импульсно-кодовой модуляции сигналов в системах передачи данных. При передаче изображения используют для преобразования непрерывного аналогового сигнала в дискретный или дискретно-непрерывный сигнал. Обратный процесс называется восстановлением. При дискретизации только по времени, непрерывный аналоговый сигнал заменяется последовательностью отсчётов, величина которых может быть равна значению сигнала в данный момент времени. Возможность точного воспроизведения такого представления зависит от интервала времени между отсчётами Δt. Согласно теореме Котельникова:

где