Was sind Analog-Digital- und Digital-Analog-Wandler (ADC und DAC)?


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Was sind Analog-Digital- und Digital-Analog-Wandler (ADC und DAC)?

Analog to Digital

Analog-Digital- und Digital-Analog-Wandler. Der erste wandelt das analoge Signal in einen digitalen Wert der Amplitude um, der zweite führt die inverse Umwandlung durch. In der englischsprachigen Literatur werden die Begriffe ADC und DAC verwendet, und der kombinierte Konverter wird als Codec (Codec) bezeichnet.

Digital and Analog

Das Arbeitsprinzip des ADC besteht darin, den Pegel des Eingangssignals zu messen und das Ergebnis in digitaler Form auszugeben. Infolge des ADC-Betriebs wird ein kontinuierliches analoges Signal in ein Impulssignal umgewandelt, wobei gleichzeitig die Amplitude jedes Impulses gemessen wird. Der DAC empfängt am Eingang einen digitalen Wert der Amplitude und gibt am Ausgang Spannungs- oder Stromimpulse der erforderlichen Größe aus, die der dahinter befindliche Integrator (Analogfilter) in ein kontinuierliches Analogsignal umwandelt.

Damit der ADC ordnungsgemäß funktioniert, darf sich das Eingangssignal während der Umwandlungszeit nicht ändern. Daher wird normalerweise eine Abtasthalteschaltung an ihrem Eingang platziert, die den momentanen Signalpegel erfasst und ihn für die gesamte Zeit hält. Von Gesprächen. Eine ähnliche Schaltung kann auch am DAC-Ausgang installiert werden, wodurch die Auswirkung transienter Prozesse innerhalb des DAC auf die Ausgangssignalparameter unterdrückt wird.

Bei der Zeitabtastung wiederholt das Spektrum des in seinem unteren Teil 0 empfangenen Impulssignals 0..Fa das Spektrum des ursprünglichen Signals und enthält darüber eine Reihe von Reflexionen (Aliase, Spiegelspektren), die sich um ihn herum befinden die Abtastfrequenz Fd und ihre Harmonischen (Seitenbänder). In diesem Fall befindet sich die erste Reflexion des Spektrums von der Frequenz Fd im Fall von Fd = 2Fa direkt hinter dem ursprünglichen Signalband und erfordert ein analoges Filter (Anti-Alias-Filter) mit einer hohen Grenzsteigung bis Lösche es. Im ADC ist dieses Filter am Eingang installiert, um spektrale Überlappungen und deren Interferenzen zu beseitigen, und im DAC am Ausgang, um das durch Zeitabtastung im Ausgangssignal verursachte Supra-Ton-Rauschen zu unterdrücken.


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Wie wird Ton digital dargestellt?

Wie wird Ton digital dargestellt?

Digital Representation of Sound

Die ursprüngliche Form eines Audiosignals (eine kontinuierliche Änderung der Amplitude über die Zeit) wird digital durch “Kreuzabtastung” in Zeit und Pegel dargestellt.

Representing Sound Digitally

Nach dem Satz von Kotelnikov kann jeder kontinuierliche Prozess mit einem begrenzten Spektrum vollständig durch eine diskrete Folge seiner Momentanwerte beschrieben werden, gefolgt von einer Frequenz, die mindestens doppelt so hoch ist wie die Frequenz der höchsten Harmonischen des Prozesses; Die Abtastfrequenz Fd von Momentanwerten (Abtastwerten) wird als Abtastfrequenz bezeichnet.

Aus dem Satz folgt, dass ein Signal mit einer Frequenz Fa nur dann erfolgreich zeitlich mit einer Frequenz 2Fa abgetastet werden kann, wenn es sich um eine reine Sinuskurve handelt, da jede Abweichung von der Sinusform dazu führt, dass das Spektrum über die Frequenz Fa hinausgeht. Daher ist es für die zeitliche Abtastung eines beliebigen Audiosignals (das normalerweise bekanntlich ein Spektrum aufweist, das gleichmäßig abfällt) erforderlich, eine Abtastfrequenz mit einem Spielraum auszuwählen oder das Spektrum des Eingangssignals gewaltsam zu begrenzen unter der Hälfte der Abtastrate.

Gleichzeitig mit der Zeitabtastung wird eine Amplitudenabtastung durchgeführt: Messung der momentanen Amplitudenwerte und deren Darstellung in Form von numerischen Werten mit einer gewissen Genauigkeit. Die Genauigkeit der Messung (Binärbreite N des erhaltenen diskreten Werts) bestimmt das Signal-Rausch-Verhältnis und den Dynamikbereich des Signals (theoretisch sind dies reziproke Werte, aber jeder reale Pfad hat auch seinen eigenen Rausch- und Interferenzpegel).

Der resultierende Zahlenstrom (eine Reihe von Binärziffern), der ein Audiosignal beschreibt, wird als Pulse Code Modulation (PCM) bezeichnet, da jeder Impuls eines zeitabgetasteten Signals durch seinen eigenen digitalen Code dargestellt wird.

Die lineare Quantisierung wird am häufigsten verwendet, wenn der numerische Wert der Probe proportional zur Amplitude des Signals ist. Aufgrund der logarithmischen Natur des Hörens wäre eine logarithmische Quantisierung angemessener, wenn der numerische Wert proportional zur Größe des Signals in Dezibel ist, dies ist jedoch mit rein technischen Schwierigkeiten behaftet.

Zeitabtastung und Amplitudenquantisierung des Signals führen zwangsläufig zu Rauschverzerrungen im Signal, deren Pegel im Allgemeinen unter Verwendung der Formel 6N + 10 lg (Fdiscr / 2Fmax) + C (dB) geschätzt wird, wobei die Konstante C für verschiedene variiert Arten von Signalen: Für eine reine Sinuskurve beträgt sie 1,7 dB, für Tonsignale – von -15 bis 2 dB. Somit ist ersichtlich, dass eine Abnahme des Rauschens im Betriebsfrequenzband 0..Fmax nicht nur zu einer Zunahme der Bittiefe der Probe führt, sondern auch zu einer Zunahme der Abtastrate relativ zu 2Fmax, da das Quantisierungsrauschen bis zur Abtastrate über das Band “ausgewaschen” wird und die Audioinformationen nur den kleinsten Teil dieses Streifens einnehmen.

Die meisten modernen digitalen Audiosysteme verwenden die Standardabtastraten von 44,1 und 48 kHz, aber der Frequenzbereich des Signals ist normalerweise auf etwa 20 kHz begrenzt, um die theoretische Grenze zu überschreiten. Am gebräuchlichsten ist auch die 16-Bit-Pegelquantisierung, die ein Grenzsignal-Rausch-Verhältnis von ungefähr 98 dB liefert. Die Studioausrüstung verwendet höhere Auflösungen: 18-, 20- und 24-Bit-Quantisierung bei Abtastraten von 56, 96 und 192 kHz. Dies geschieht, um die höheren Harmonischen des Tonsignals zu erhalten, die nicht direkt vom Ohr wahrgenommen werden, sondern die Bildung des gesamten Klangbildes beeinflussen.

Um Schmalbandsignale mit geringerer Qualität zu digitalisieren, können Sie die Abtastrate und die Bittiefe verringern. Telefonleitungen verwenden beispielsweise eine 7- oder 8-Bit-Digitalisierung mit Frequenzen von 8 bis 12 kHz.

Die Darstellung eines analogen Signals in digitaler Form wird auch als Pulse Code Modulation (PCM) bezeichnet, da das Signal als eine Reihe von Impulsen konstanter Frequenz (Zeitabtastung) dargestellt wird, deren Amplitude digital übertragen wird (Amplitudenabtastung) ). Ein PCM-Strom kann parallel sein, wenn alle Bits in jedem Abtastwert gleichzeitig über mehrere Leitungen mit einer Abtastfrequenz übertragen werden, oder sequentiell, wenn die Bits nacheinander mit einer höheren Frequenz auf einer Leitung übertragen werden.

Digitaler Sound selbst und verwandte Elemente werden häufig mit dem allgemeinen Begriff Digital Audio bezeichnet. Die analogen und digitalen Teile eines Soundsystems werden als analoge Domäne und digitale Domäne bezeichnet.

Wie unterscheidet sich die digitale Darstellung von Signalen von der analogen?

Wie unterscheidet sich die digitale Darstellung von Signalen von der analogen?

analog and digital

Die traditionelle analoge Darstellung von Signalen basiert auf der Ähnlichkeit (Ähnlichkeit) elektrischer Signale (Änderungen von Strom und Spannung) mit den von ihnen dargestellten Originalsignalen (Schalldruck, Temperatur, Geschwindigkeit usw.).

Analog vs Digital

Sowie in der Ähnlichkeit der Formen der elektrischen Signale an verschiedenen Punkten des Verstärkungs- oder Übertragungsweges. Die Form der elektrischen Kurve, die das ursprüngliche Signal beschreibt (auch als Übertragung bezeichnet), kommt der Form der Kurve dieses Signals so nahe wie möglich.

Eine solche Darstellung ist am genauesten, jedoch wird die geringste Verzerrung der Form des elektrischen Trägersignals unvermeidlich die gleiche Verzerrung der Form und des Signals des Trägers beinhalten. In Bezug auf die Informationstheorie ist die Informationsmenge im Trägersignal genau gleich der Informationsmenge im Originalsignal, und die elektrische Darstellung enthält keine Redundanz, die das übertragene Signal vor Verzerrung während der Speicherung und Übertragung schützen könnte. und Verstärkung.

Die digitale Darstellung elektrischer Signale soll Redundanz hinzufügen, um unerwünschte Interferenzen zu vermeiden. Hierzu werden dem elektrischen Signal des Trägers ernsthafte Einschränkungen auferlegt: Seine Amplitude kann nur zwei Grenzwerte annehmen: 0 und 1. In diesem Fall wird die gesamte Zone möglicher Amplituden in drei Zonen unterteilt: Die untere Zone repräsentiert Nullwerte, die obere , einzigartig, und das Zwischenprodukt ist nach innen verboten. es können nur Störungen eindringen. Daher beeinflusst jede Interferenz, deren Amplitude weniger als die Hälfte der Amplitude des Trägersignals beträgt, nicht die korrekte Übertragung der Werte 0 und 1. Eine Interferenz mit einer höheren Amplitude beeinflusst auch nicht, ob die Dauer des Interferenzimpulses signifikant ist weniger als die Dauer des Informationsimpulses.

Das auf diese Weise gebildete digitale Signal kann jede nützliche Information enthalten, die in Form einer Folge von Bits codiert ist: Nullen und Einsen; Ein besonderer Fall solcher Informationen sind elektrische und akustische Signale. Hier ist die Informationsmenge in dem digitalen Trägersignal viel höher als in dem ursprünglich codierten Signal, so dass das Trägersignal eine gewisse Redundanz in Bezug auf das Original und jegliche Verzerrung der Wellenform des Trägersignals aufweist. Die Fähigkeit des Empfängers, zwischen Nullen und Einsen korrekt zu unterscheiden, bleibt erhalten, hat jedoch keinen Einfluss auf die Zuverlässigkeit des übertragenen Signals. durch dieses Informationssignal. Bei erheblicher Interferenz kann die Form des Signals jedoch so stark verzerrt werden, dass eine genaue Übertragung der übertragenen Informationen unmöglich wird: Es treten Fehler auf, die mit einem einfachen Codierungsverfahren auftreten kann der Empfänger nicht nur korrigieren, sondern auch erkennen. Um den Widerstand eines digitalen Signals gegen Interferenz und Verzerrung weiter zu erhöhen, werden zwei Arten der digitalen Redundanzcodierung verwendet: Verifizierungscodes (EDC – Fehlererkennungscode) und Korrektur (ECC – Fehlerkorrekturcode). ). Bei der digitalen Codierung werden einfach zusätzliche Bits zu den ursprünglichen Informationen hinzugefügt und / oder die ursprüngliche Bitfolge in eine längere Zeichenfolge und eine andere Struktur umgewandelt. Mit EDC können Sie einfach die Tatsache eines Fehlers erkennen: eine Verzerrung oder einen Verlust einer nützlichen oder das Auftreten einer falschen Ziffer, aber die Informationen, die in diesem Fall übertragen werden, sind auch verzerrt; Mit ECC können Sie erkannte Fehler sofort korrigieren und die übertragenen Informationen unverändert lassen.

Jeder EDC / ECC-Typ hat seine eigene Kapazitätsgrenze zum Erkennen und Korrigieren von Fehlern. Danach beginnen unerkannte Fehler und Verzerrungen der übertragenen Informationen erneut. Eine Erhöhung des EDC / ECC-Volumens im Verhältnis zum Volumen der Originalinformationen erhöht im Allgemeinen die Fähigkeit, diese Codes zu erkennen und zu korrigieren.

Wie EDC der beliebte zyklische Redundanzcode CRC (Cyclic Redundancy Check), dessen Kern das komplexe Mischen der Anfangsinformationen im Block und die Bildung kurzer binärer Wörter ist, deren Bits eine starke Kreuzabhängigkeit von jedem Bit des Blocks aufweisen. Das Ändern auch nur eines Bits in einem Block führt zu einer signifikanten Änderung der daraus berechneten CRC, und die Wahrscheinlichkeit einer solchen Bitverzerrung, bei der sich die CRC nicht ändert, ist selbst bei kurzen CRC-Wörtern (einem kleinen Prozentsatz der Länge) äußerst gering des Blocks). Das ECC verwendet die Codes Hamming und Reed-Solomon, die auch EDC-Funktionen enthalten.

Die Informationsredundanz des digitalen Trägersignals führt zu einer signifikanten Erweiterung (um eine Größenordnung oder mehr) des Frequenzbandes, das für seine erfolgreiche Übertragung erforderlich ist.

Digitale Audiocodierung

Digitale Audiocodierung

Digital Audio coding

Digitale Audiotechnologien werden zum Aufnehmen, Verarbeiten, Massenproduzieren und Verteilen von Ton verwendet, einschließlich der Aufnahme von Songs, Instrumentalstücken, Podcasts, Soundeffekten und anderen Sounds.

Digital Audio Coding

Die heutige Online-Musikdistribution basiert auf digitaler Aufzeichnung und Datenkomprimierung. Die Verfügbarkeit von Musik als Datendateien anstelle von physischen Objekten hat die Vertriebskosten erheblich reduziert. Vor dem Aufkommen des digitalen Klangs verteilte und verkaufte die Musikindustrie Musik und verkaufte physische Kopien in Form von Schallplatten und Kassetten.

Mithilfe von Online- und digitalen Audioverteilungssystemen wie iTunes verkaufen Unternehmen digitale Audiodateien an Verbraucher, die der Verbraucher über das Internet erhält. Ein analoges Audiosystem wandelt die physikalischen Schallwellenformen unter Verwendung eines Wandlers wie eines Mikrofons in elektrische Darstellungen dieser Wellenformen um. Die Töne werden dann auf analogen Medien wie Magnetbändern gespeichert oder über analoge Medien wie Telefonleitungen oder Funkgeräte übertragen. Bei der Wiedergabe wird der Vorgang umgekehrt: Ein elektrisches Audiosignal wird verstärkt und dann über einen Lautsprecher wieder in physikalische Wellenformen umgewandelt.

Analoges Audio behält seine grundlegenden Wellenformeigenschaften bei, wenn es gespeichert, konvertiert, verdoppelt und verstärkt wird. Analoge Audiosignale sind aufgrund der inhärenten Eigenschaften elektronischer Schaltungen und verwandter Geräte anfällig für Rauschen und Verzerrungen. Interferenzen in einem digitalen System führen nicht zu einem Fehler, es sei denn, die Interferenz ist groß genug, um zu bewirken, dass ein Zeichen als ein anderes Zeichen falsch interpretiert wird oder nicht in der richtigen Reihenfolge ist.

Daher ist es im Allgemeinen möglich, ein vollständig fehlerfreies digitales Audiosystem zu haben, bei dem zwischen der Umwandlung in digital und der Umwandlung in analog kein Rauschen oder Verzerrung auftritt. Das digitale Audiosignal kann weiter codiert werden, um alle Fehler zu korrigieren, die während der Speicherung oder Übertragung des Signals auftreten können. Diese als Kanalcodierung bekannte Technik ist für Rundfunk- oder aufgezeichnete digitale Systeme erforderlich, um die Bittreue aufrechtzuerhalten. Die Modulation von acht auf vierzehn ist ein Kanalcode, der auf Audio-CDs verwendet wird. Umwandlungsprozess

Der Lebenszyklus von Ton von seiner Quelle über ADC, digitale Verarbeitung, DAC und schließlich wieder als Ton. Ein digitales Audiosystem beginnt mit einem ADC, der ein analoges Signal in ein digitales umwandelt. Der ADC arbeitet mit der angegebenen Abtastrate und konvertiert in eine bekannte Bitauflösung.

Beispielsweise hat CD-Audio eine Abtastrate von 44,1 kHz (44.100 Abtastungen pro Sekunde) und eine Auflösung von 16 Bit für jeden Stereokanal. Analoge Signale, die noch nicht bandbegrenzt waren, sollten vor der Umwandlung gedämpft werden, um Interpolationsverzerrungen zu vermeiden, die durch Audiosignale oberhalb der Nyquist-Frequenz (die Hälfte der Abtastrate) verursacht werden.

Das digitale Audiosignal kann gespeichert oder übertragen werden. Digitales Audio kann auf einer CD, einem digitalen Audioplayer, einer Festplatte, einem USB-Flash-Laufwerk oder einem anderen digitalen Speichergerät gespeichert werden. Das digitale Signal kann durch digitale Signalverarbeitung modifiziert werden, wobei Effekte gefiltert oder angewendet werden können. Frequenztransformation Abtastraten, einschließlich Erhöhen und Verringern der Abtastrate, können verwendet werden, um Signale, die mit einer anderen Abtastrate codiert wurden, an eine gemeinsame Abtastrate vor der Verarbeitung anzupassen. Audiokomprimierungsmethoden wie MP3, Advanced Audio Coding, Ogg Vorbis oder FLAC werden häufig verwendet, um die Dateigröße zu reduzieren.

Digitales Audio kann über digitale Audio-Interfaces wie AES3 oder MADI übertragen werden. Digitales Audio kann über ein Netzwerk mit Audio über Ethernet, Audio über IP oder anderen Standards und Medienübertragungssystemen übertragen werden. Für die Wiedergabe muss digitales Audio mithilfe eines DAC wieder in ein analoges Signal umgewandelt werden. Gemäß dem Nyquist-Shannon-Abtasttheorem kann mit einigen praktischen und theoretischen Einschränkungen die bandbreitenbegrenzte Version des ursprünglichen analogen Signals aus dem digitalen Signal genau rekonstruiert werden. – –