Las señales analógicas son la principal fuente de información del medio ambiente. La digitalización de una señal siempre va acompañada de una pérdida de calidad. Esto es una desventaja tecnologías digitales.

La digitalización de señales tiene tres etapas: muestreo, cuantificación y codificación. Su interacción se muestra en la figura.

Muestreo

Codificación

Cuantización

La discretización es la división de argumentos en secciones iguales. En cualquier dependencia hay un argumento y hay una función. Se da el argumento y la función cambia según el argumento. Puede haber un argumento o puede haber varios. Entonces, si esto es algún tipo de señal de sonido, entonces el argumento es el tiempo (sacamos). A la hora de digitalizar una imagen, tenemos dos argumentos: ancho y alto (dibujamos). En ambos casos, los argumentos se dividen en partes iguales.

Cuantización: dividir el dominio de existencia de una función en secciones iguales, cuyo número es 2 8 norte , donde 8norte– profundidad de bits de cuantificación. Es decir, el número de secciones es igual al número de combinaciones posibles de dígitos binarios en uno, dos, tres, etc. bytes

En la práctica, se utilizan tamaños de bits 1, 2, 3, 4, luego el área de existencia de la función se divide en 2 8 = 256, 2 16 = 65 536, 2 24 = 16 777 216, 2 32 = 4 294 967 296 secciones. También puede haber una o varias funciones. Por ejemplo, en una imagen en blanco y negro sólo hay una función: 256 tonos de gris. Y el modelo RGB tiene tres funciones: 256 gradaciones de rojo, verde y azul.

La codificación es la división de una señal de acuerdo con reglas aceptadas de muestreo y cuantificación. Dentro de cada sección elemental del argumento, la función permanece constante y se asigna a esta sección código binario en una escala de funciones, compuesta por 8, 16, 24, etc. dígitos binarios.

El resultado es una curva escalonada que, a medida que aumenta la profundidad de bits, se aproxima a la señal real. Los pasos pueden ser más pequeños, pero nunca se convertirán en una línea suave. (ver archivo “DigitalizaciónA1”).

Esta desventaja, por supuesto, es insuperable, pero en las tecnologías digitales es posible aumentar la precisión de la digitalización al nivel de sensibilidad de medir una señal analógica. Y entonces se minimizará el impacto de la digitalización.

2.3. Codificación de datos de texto

2.3.1. Sistemas de codificación de texto Hay dos sistemas de codificación: basado en ascii y Unicode.

En el sistema de codificación ASCII(Código estándar americano para el intercambio de información) cada carácter está representado por un byte, lo que permite codificar 256 caracteres.

ASCII tiene dos tablas de codificación: básica y extendida. La tabla básica fija los valores de código del 0 al 127, y la tabla extendida se refiere a caracteres con números del 128 al 255. Esto es suficiente para expresar todos los caracteres de los idiomas inglés y ruso, tanto en minúsculas como en mayúsculas, así como signos de puntuación, en varias combinaciones de ocho bits, símbolos de operaciones aritméticas básicas y símbolos especiales comunes que se pueden ver en el teclado.

Los primeros 32 códigos de la tabla base, comenzando con cero, se entregan a los fabricantes de hardware (principalmente fabricantes de computadoras y dispositivos de impresión). Esta área contiene los llamados códigos de control, que no corresponden a ningún carácter del idioma y, en consecuencia, estos códigos no se muestran ni en la pantalla ni en los dispositivos de impresión, pero pueden controlar cómo se generan otros datos. Desde el código 32 hasta el código 127, hay caracteres del alfabeto inglés, signos de puntuación, números, operaciones aritméticas y símbolos auxiliares, todos los cuales se pueden ver en la parte latina del teclado de la computadora.

La segunda parte ampliada está dedicada a los sistemas nacionales de codificación. Hay muchos alfabetos no latinos en el mundo (árabe, hebreo, griego, etc.), que incluyen el cirílico. Además, la distribución del teclado en alemán, francés y español es diferente a la del inglés.

La parte inglesa del teclado solía tener muchos estándares, pero ahora todos han sido reemplazados por un único código ASCII. También hubo muchos estándares para el teclado ruso: GOST, GOST-alternativo, ISO (Organización Internacional de Estándares), pero estos tres estándares ya han desaparecido, aunque se pueden encontrar en algún lugar, en algunas computadoras o redes antediluvianas. 12

La codificación de caracteres principal del idioma ruso, que se utiliza en computadoras con sistema operativo. sistema windows llamado Windows-1251, fue desarrollado para alfabetos cirílicos por Microsoft. Naturalmente, la gran mayoría de los textos en ruso están codificados en Windows-1251. Por cierto, Microsoft desarrolla codificaciones con un número diferente de cuatro dígitos para otros alfabetos comunes: Windows-1250 para latín extendido (varias letras latinas nacionales), Windows-1252 para hebreo, Windows-1253 para escritura árabe, etc.

Otra codificación menos común se llama KOI-8(código de intercambio de información, ocho dígitos). Su origen se remonta a los años 60 del siglo XX. En ese momento no existían las computadoras personales, Internet, Microsoft y mucho más. Pero en la URSS ya había bastantes computadoras y para ellas fue necesario desarrollar un estándar de codificación cirílico.

Hoy en día, la codificación KOI-8 está muy extendida en las redes informáticas de la antigua URSS y en el sector de Internet de habla rusa. Sucede que algún texto de una carta u otra cosa no es legible, esto significa que necesita cambiar de KOI-8 u otra codificación a Windows-1251.

En los años 90, los mayores fabricantes de software: Microsoft, Borland y el mismo Adobe, decidieron desarrollar un sistema de codificación de texto diferente, en el que a cada carácter se le asignarían no 1, sino 2 bytes. ella obtuvo el nombre Unicódigo.

Con 2 bytes puedes codificar 65.536 caracteres. Este conjunto fue suficiente para colocar en una sola tabla todos los alfabetos nacionales existentes en la Tierra. Además, Unicode incluye muchos símbolos de servicio diferentes: códigos de barras, código Morse, código de bandera, Braille (para ciegos), signos de moneda, formas geométricas y mucho más.

En total, Unicode tiene más de 90 páginas, cada una con un alfabeto nacional u oficial. Y unos 5 mil caracteres más están ocupados por la llamada “área de uso general”, vacía, dejada como reserva.

La página más grande (alrededor del 70% de todo Unicode) está ocupada por caracteres chinos, que en China se escriben mediante juegos de teclados. Sólo en la India hay 11 alfabetos diferentes y en Unicode hay muchos nombres exóticos, por ejemplo: la escritura de los aborígenes canadienses. En general, la consideración de las obras nacionales es bastante interesante desde el punto de vista de la geografía y la historia.

Las ventajas de Unicode son obvias. El sistema estandariza todos los caracteres de texto nacionales y de servicio. Elimina la confusión que surge de diferentes estándares nacionales. Incluso hay fuentes creadas para todos los alfabetos, como Arial Unicode.

Dado que Unicode utiliza 16 bits en lugar de 8 bits para codificar cada carácter, el tamaño del archivo de texto aumenta aproximadamente 2 veces. Esto alguna vez fue un obstáculo para la introducción de un sistema de 16 bits. Y ahora, con el nivel actual de desarrollo de la tecnología informática, no importa mucho aumentar el tamaño de los archivos de texto. Los textos ocupan muy poco espacio en la memoria del ordenador.

El alfabeto cirílico ocupa lugares en Unicode del 768 al 923 (caracteres básicos) y del 924 al 1023 (cirílico extendido, varias letras nacionales menos comunes). Si el programa no está adaptado al cirílico Unicode, es posible que los caracteres del texto no se reconozcan como cirílicos, sino como latín extendido (códigos 256 a 511). Y en este caso, en lugar de texto, aparece en la pantalla un conjunto sin sentido de símbolos exóticos.

Esto es posible si el programa está desactualizado y se creó antes de 1995. O uno menos común, que nadie se molestó en rusificar. Otra posibilidad es que el sistema operativo Windows instalado en su computadora no esté completamente configurado para el alfabeto cirílico. En este caso, deberá realizar las entradas correspondientes en el registro.

La conversión de una señal analógica a digital es un complejo de tres operaciones: muestreo, cuantificación y codificación.

El muestreo es la sustitución de una señal de TV analógica continua S(t) por una secuencia de muestras (muestras) de esta señal (Fig. 2). Estas muestras se toman en momentos separados entre sí por un intervalo T, que se denomina intervalo de muestreo. El recíproco del intervalo de muestreo se llama frecuencia de muestreo. El más común es el muestreo uniforme con período constante, basado en el teorema de Kotelnikov. Según este teorema, cualquier señal continua S(t), que tenga un espectro de frecuencia limitado (0...f gp), puede representarse mediante los valores de esta señal S di sin pérdida de información. tomado en momentos discretos de tiempo t n =nT (n=1,2,3,... - enteros) siempre que T?0,5/t rp (T - período o intervalo de muestreo). La frecuencia de muestreo mínima permitida según Kotelnik t d.min = 2f gp.

Está claro que cuanto menor sea el intervalo de muestreo (mayor la frecuencia de muestreo), menores serán las diferencias entre la señal original y su copia muestreada. La estructura de pasos de la señal muestreada se puede suavizar utilizando un filtro de paso bajo. Así es como se restaura la señal analógica a partir de la muestreada.

Al muestreo, al convertir una señal analógica a digital, le sigue el proceso de cuantificación, que consiste en sustituir los valores de muestra instantáneos S di obtenidos después del muestreo por los valores más cercanos de un conjunto de niveles fijos individuales (Fig. 3). La cuantización es también un muestreo de la señal S q, pero no en el tiempo, sino en el nivel. Los niveles fijos a los que están “vinculadas” las muestras se denominan niveles de cuantificación. El rango dinámico de cambios de señal S(t), dividido por niveles de cuantificación en rangos de valores separados (pasos de cuantificación), forma una escala de cuantificación.

Este último puede ser lineal o no lineal, dependiendo de las condiciones de transformación. El redondeo de la muestra al nivel más cercano (superior o inferior) está determinado por la posición del umbral de cuantificación dentro del paso de cuantificación.

La señal muestreada y cuantificada S dq ya es digital. De hecho, si la amplitud de los pulsos de la señal muestreada S d puede tomar cualquier valor arbitrario dentro del rango dinámico original de la señal S(t), entonces la operación de cuantificación ha llevado a la sustitución de posibles valores de la amplitud de la señal con un número limitado de valores iguales al número de niveles de cuantificación. Por tanto, la muestra de señal cuantificada se expresa mediante un cierto número determinado por el número de niveles de cuantificación.

Para transmitir dicha señal a través de canales de comunicación, es mejor convertirla a formato binario, es decir, Escriba cada valor de nivel de señal en el sistema numérico binario. En este caso, el número (valor de nivel) se convierte en una combinación de código de caracteres "0" o "1" (Fig. 4). Este es el tercer y último paso para convertir la señal analógica S(t) en digital S dq, llamado codificación. .

Estas tres operaciones son realizadas por un dispositivo técnico: un convertidor de analógico a digital (ADC). La conversión inversa de la señal digital a analógica se realiza en un dispositivo llamado convertidor de digital a analógico (DAC). Los convertidores analógico-digital y digital-analógico son bloques indispensables de cualquier sistema digital para transmitir, almacenar y procesar información.

Al codificar directamente una señal de televisión, las combinaciones de códigos se crean con una frecuencia igual a la frecuencia de muestreo (frecuencia de muestreo f d). Cada combinación de códigos corresponde a una muestra específica y contiene un cierto número m de símbolos binarios (bits). Las palabras clave se pueden transmitir en forma paralela o en serie. Para la transmisión en paralelo, se deben utilizar k líneas de comunicación (en la Fig. 4 k = 4).

Los símbolos de palabras clave se transmiten simultáneamente a lo largo de las líneas dentro del intervalo de muestreo. Para transmitir en forma de serie, el intervalo de muestreo debe dividirse en subintervalos. En este caso, los símbolos de palabra se transmiten secuencialmente a lo largo de una línea y se asigna un ciclo de reloj para la transmisión de un símbolo de palabra.

Al transmitir información digital a través de canales de comunicación, la velocidad de transmisión es la cantidad de símbolos binarios transmitidos por unidad de tiempo. La unidad de velocidad es 1 bit/s. ¿La velocidad de la señal digital será igual al producto de la frecuencia de muestreo? d y el número de símbolos binarios en una muestra discreta m:

Si la frecuencia límite superior de una señal de televisión es de 6 MHz, entonces la frecuencia mínima de muestreo, según el teorema de Kotelnikov, es de 12 MHz. Como regla general, en los sistemas de televisión digital, la frecuencia f d se elige ligeramente por encima del mínimo permitido. Esto se debe a la necesidad de unificar la señal de televisión digital para varios estándares de televisión. En particular, se recomienda una frecuencia de muestreo de 13,5 MHz para equipos digitales de estudio.

El número de niveles de cuantificación de la señal debe seleccionarse no menos que el número máximo de gradaciones de brillo perceptibles por el ojo, que, dependiendo de las condiciones de observación, oscila entre 100...200. Por tanto m=6,6...7,6.

Obviamente, el número de caracteres en una combinación de códigos solo puede ser un número entero, lo que significa que el ancho de la combinación de códigos es m = 7 (u 8). En el primer caso, la combinación de códigos puede transportar información sobre 128 posibles niveles de señal (gradaciones de brillo), en el segundo caso, 256. Si tomamos m = 8, entonces la velocidad de transmisión de información digital

Vn =13,5 8=108 (Mbit/s).

Si tenemos en cuenta que, además de la señal de brillo, también se debe transmitir información de color, el flujo digital total se duplicará y será igual a 216 Mbit/s. Tanto los dispositivos de conversión de señales de TV como los canales de comunicación deben tener un rendimiento tan alto.

No es económicamente viable transmitir un flujo digital tan grande a través de canales de comunicación, por lo que la siguiente tarea es "comprimir" la señal de televisión digital. Existen posibilidades para reducir la tasa de bits sin comprometer la calidad de la imagen reproducida. Estas reservas están contenidas en las particularidades de la señal de televisión, que tiene una importante redundancia de información. Esta redundancia suele dividirse, a pesar de algunas convenciones de dicha división, en estadística y fisiológica.

Redundancia estadística está determinado por las propiedades de la imagen, que no es, en el caso general, una distribución caótica de brillo, sino que está descrita por leyes que establecen ciertas conexiones (correlación) entre el brillo de los elementos individuales. La correlación entre elementos de imagen vecinos (en el espacio y en el tiempo) es especialmente alta. El conocimiento de las correlaciones permite evitar transmitir la misma información repetidamente y reducir el flujo digital.

El segundo tipo es la redundancia fisiológica. -- está determinada por las limitaciones del aparato visual humano. Tener en cuenta la redundancia fisiológica permite no transmitir en la señal información que no será percibida por nuestra visión.

De manera similar, la imperfección del sistema auditivo humano nos permite "deshacernos" del exceso de información de audio en la señal.

A pesar de que asimilamos la mayor parte de la información externa a través de la visión, las imágenes sonoras no son menos importantes para nosotros y, a menudo, incluso más. Intente ver una película con el sonido apagado; después de 2 o 3 minutos perderá el hilo de la trama y el interés en lo que está sucediendo, sin importar cuán grande sea la pantalla y la imagen de alta calidad. Por lo tanto, en las películas mudas, un tapper actuaba detrás de escena. Si eliminas la imagen y dejas el sonido, podrás “escuchar” la película como si fuera un emocionante programa de radio.

La audición nos aporta información sobre lo que no vemos, ya que el sector de la percepción visual es limitado y el oído capta sonidos que vienen de todos lados, complementando las imágenes visuales.

La audición nos aporta información sobre lo que no vemos, ya que el sector de la percepción visual es limitado y el oído capta sonidos que vienen de todos lados, complementando las imágenes visuales. Al mismo tiempo, nuestro oído puede localizar una fuente invisible de sonido con gran precisión según la dirección, la distancia y la velocidad del movimiento.

Aprendieron a convertir el sonido en vibraciones eléctricas mucho antes que las imágenes. Esto fue precedido por la grabación mecánica de vibraciones sonoras, cuya historia comenzó en el siglo XIX.

El progreso acelerado, incluida la capacidad de transmitir sonido a distancia, fue posible gracias a la electricidad, con la llegada de la tecnología de amplificación, transductores acustoeléctricos y electroacústicos: micrófonos, pastillas, cabezales dinámicos y otros emisores. Hoy en día, las señales de sonido se transmiten no solo por cables y por aire, sino también a través de líneas de comunicación de fibra óptica, principalmente en forma digital.

Las vibraciones acústicas se convierten en señal eléctrica Usualmente usando micrófonos. Cualquier micrófono contiene un elemento móvil cuyas vibraciones generan una corriente o voltaje de cierta forma. El tipo de micrófono más común es el dinámico, que es un “altavoz inverso”. Las vibraciones del aire ponen en movimiento una membrana conectada rígidamente a una bobina móvil ubicada en un campo magnético. Un micrófono de condensador, de hecho, es un condensador, una de cuyas placas vibra al compás del sonido y, con él, cambia la capacitancia entre las placas. Los micrófonos de cinta utilizan el mismo principio, sólo una de las placas está suspendida libremente. Un micrófono electreto es similar a un micrófono de condensador, cuyas placas, durante el proceso de vibración, generan por sí mismas una carga eléctrica proporcional a la amplitud de las vibraciones. Muchos modelos de micrófonos tienen un amplificador incorporado (el nivel de señal directamente del convertidor acústico-eléctrico es muy bajo). A diferencia de un micrófono, la captación de sonido de un instrumento musical eléctrico registra vibraciones no del aire, sino de un cuerpo sólido: las cuerdas o la tapa armónica del instrumento. El cabezal captador lee el surco del disco utilizando un lápiz conectado mecánicamente a bobinas móviles en un campo magnético, o imanes si las bobinas están estacionarias. O las vibraciones de la aguja se transmiten a un elemento piezoeléctrico que, bajo tensión mecánica, genera una carga eléctrica. En la grabación magnética, una señal de audio se graba en una cinta magnética y luego se lee mediante un cabezal especial. Finalmente, la grabación óptica se adoptó tradicionalmente en el cine: se aplicaba una banda sonora opaca al borde de la película, cuyo ancho variaba en el tiempo con la señal, y cuando la película pasaba a través del aparato de proyección, se grababa la señal eléctrica. utilizando un fotosensor.

En los sintetizadores, el sonido nace directamente en forma de vibraciones eléctricas; no existe una conversión primaria de ondas acústicas en una señal eléctrica.

Las fuentes sonoras modernas son diversas y los medios digitales están cada vez más extendidos: CD, DVD, aunque también se encuentran disponibles discos de vinilo. Seguimos escuchando radio, tanto terrestre como por cable (spots de radio). El sonido acompaña a los programas de televisión y a las películas, por no hablar de un fenómeno tan común como la telefonía. El ordenador está ganando cada vez más importancia en el mundo del audio, lo que permite archivar, combinar y procesar cómodamente programas de sonido en forma de archivos. En la era digital, la voz y la música digitalizadas se transmiten a través de canales digitales, incluido Internet, sin grandes pérdidas en el transporte. Esto lo proporciona la codificación digital y la pérdida se produce únicamente debido a la compresión que se utiliza con mayor frecuencia. Sin embargo, en los medios digitales no está presente en absoluto (CD, SACD) o se utilizan algoritmos de compresión de audio sin pérdidas (DVD Audio, Vídeo DVD). En otros casos, el grado de compresión está determinado por el nivel requerido de calidad del fonograma (archivos MP3, telefonía digital, televisión digital, algunos tipos de medios).

Arroz. 1. Conversión de vibraciones de sonido acústico en una señal eléctrica.

La conversión inversa de vibraciones eléctricas a acústicas se realiza mediante altavoces integrados en radios y televisores, así como sistemas de altavoces y auriculares independientes.

El sonido se refiere a vibraciones acústicas en el rango de frecuencia de 16 Hz a 20 000 Hz.

El sonido se refiere a vibraciones acústicas en el rango de frecuencia de 16 Hz a 20.000 Hz. Abajo (infrasonido) y arriba (ultrasonido), el oído humano no puede oír, y dentro del rango del sonido, la sensibilidad auditiva es muy desigual, su máximo ocurre a una frecuencia de 4 kHz. Para escuchar sonidos de todas las frecuencias con el mismo volumen, es necesario reproducirlos en diferentes niveles. Esta técnica, llamada compensación de sonoridad, se implementa a menudo en equipos domésticos, aunque su resultado no puede considerarse inequívocamente positivo.

Arroz. 2. Curvas de igual sonoridad
(Haga clic en la imagen para ampliarla)

Las propiedades físicas del sonido generalmente no se presentan en cantidades lineales, sino logarítmicas relativas: decibeles (dB), ya que esto es mucho más claro en números y más compacto en gráficos (de lo contrario, habría que operar con cantidades que tienen muchos ceros delante). y después del punto decimal, y el segundo fácilmente se perdería en comparación con el primero). La relación de dos niveles A y B en dB (digamos voltaje o corriente) se define como:

Con u [dB] = 20 log A/B. Si hablamos de potencias, entonces C p [dB] = 10 log A/B.

Además del rango de frecuencia, que determina la sensibilidad del oído humano al tono del sonido, también existe el concepto de rango de sonoridad, que muestra la sensibilidad del oído al nivel de volumen y cubre el intervalo desde el sonido más bajo audible. (umbral de sensibilidad) al más alto, más allá del cual se encuentra el umbral del dolor. El umbral de sensibilidad se toma como una presión sonora de 2 x 10 -5 Pa (Pascal), y el umbral del dolor es una presión 10 millones de veces mayor. En otras palabras, el rango de audibilidad, o la relación entre la presión misma Sonido alto, el más silencioso, es de 140 dB, lo que supera notablemente las capacidades de cualquier equipo de audio debido a su propio ruido. Sólo los formatos digitales de alta resolución (SACD, DVD Audio) se adaptan a un límite teórico de rango dinámico (la relación entre el sonido más fuerte reproducido por el equipo y el nivel de ruido) de 120 dB, un CD proporciona 90 dB, un disco de vinilo Proporciona unos 60 dB.

Arroz. 3. Rango de sensibilidad auditiva

Sólo los formatos digitales de alta definición (SACD, DVD Audio) se acercan al límite teórico del rango dinámico

El ruido siempre está presente en la ruta del audio. Esto incluye tanto el ruido intrínseco de los elementos amplificadores como el ruido externo. Las distorsiones de la señal se dividen en lineales (amplitud, fase) y no lineales o armónicas. En el caso de distorsiones lineales, el espectro de la señal no se enriquece con nuevos componentes (armónicos), sólo cambia el nivel o la fase de los existentes. Las distorsiones de amplitud que violan las relaciones de nivel originales en diferentes frecuencias provocan distorsiones de timbre audibles. Durante mucho tiempo se creyó que las distorsiones de fase no eran críticas para la audición, pero hoy se ha demostrado lo contrario: tanto el timbre como la localización del sonido dependen en gran medida de las relaciones de fase de los componentes de frecuencia de la señal.

Cualquier ruta de amplificación no es lineal.

Cualquier camino de amplificación no es lineal, por lo que siempre surgen distorsiones armónicas: nuevos componentes de frecuencia separados en frecuencia por 3, 5, 7, etc. desde el tono que los genera (armónicos impares) o en 2, 4, 6, etc. veces (pares). El umbral para notar las distorsiones armónicas varía mucho: desde unas pocas décimas e incluso centésimas por ciento hasta un 3-7%, dependiendo de la composición de los armónicos. Los armónicos pares son menos perceptibles porque están en consonancia con el tono fundamental (la diferencia de frecuencia es el doble que la de una octava).

Además de las distorsiones armónicas, se producen distorsiones de intermodulación, que son productos diferenciales de las frecuencias del espectro de la señal y sus armónicos. Por ejemplo, a la salida de un amplificador, cuya entrada recibe dos frecuencias de 8 y 9 Hz (con una característica bastante no lineal), aparecerá una tercera (1 kHz), así como varias otras: 2 kHz (como diferencia entre los segundos armónicos de las frecuencias fundamentales), etc. La distorsión por intermodulación es especialmente desagradable para el oído porque crea muchos sonidos nuevos, incluidos aquellos que son disonantes con respecto a los principales.

Lo que un audiófilo puede oír y no sólo oír, sino también explicar, puede resultar completamente invisible para el oyente medio.

El ruido y la distorsión quedan enmascarados en gran medida por la señal, pero ellos mismos enmascaran señales de bajo nivel que desaparecen o se vuelven confusas. Por tanto, cuanto mayor sea la relación señal/ruido, mejor. La sensibilidad real al ruido y la distorsión depende de las características auditivas individuales y de su entrenamiento. El nivel de ruido y distorsión que no afecta la transmisión del habla puede resultar completamente inaceptable para la música. Lo que un audiófilo puede oír y no sólo oír, sino también explicar, puede resultar completamente invisible para el oyente medio.

TRANSMISIÓN DE AUDIO ANALÓGICO

Tradicionalmente, las señales de audio se transmitían por cables y también por ondas (radio).

Existen líneas de transmisión no balanceadas (cable clásico) y balanceadas. El desequilibrado tiene dos cables: señal (directo) y retorno (tierra). Esta línea es muy sensible a las interferencias externas, por lo que no es adecuada para transmitir señales a largas distancias. A menudo se implementa mediante un cable blindado, el blindaje está conectado a tierra.

Arroz. 4. Línea blindada desequilibrada

Una línea balanceada consta de tres cables: dos cables de señal, a través de los cuales fluye la misma señal, pero en antifase, y tierra. En el lado receptor, las interferencias de modo común (inducidas en ambos cables de señal) se restan mutuamente y desaparecen por completo, y el nivel de la señal útil se duplica.

Arroz. 5. Línea blindada balanceada

Las líneas desequilibradas se suelen utilizar en el interior de dispositivos y en distancias cortas, principalmente en caminos de usuarios. En el ámbito profesional domina el equilibrio.

En las imágenes, los puntos de conexión de la pantalla se muestran de forma condicional, ya que deben seleccionarse "en su lugar" cada vez para lograr los mejores resultados. La mayoría de las veces, la pantalla está conectada solo en el lado del receptor de señal.

Las líneas desequilibradas se suelen utilizar en el interior de dispositivos y en distancias cortas, principalmente en caminos de usuarios. En el ámbito profesional prevalece el equilibrio.

Las señales de audio están normalizadas por el nivel de voltaje efectivo (0,707 del valor de amplitud):

• micrófono 1-10 mV (para micrófonos sin amplificador incorporado),
• lineal 0,25-1 V, normalmente 0,7 V.

A la salida del amplificador de potencia, desde donde se envía la señal a los altavoces, su nivel es mucho mayor y puede alcanzar (dependiendo del volumen) 20-50 V con corrientes de hasta 10-20 A. A veces, hasta cientos. de voltios, para líneas de difusión y sondeo de espacios abiertos.

Cables y conectores utilizados:

• para líneas balanceadas y micrófonos: par blindado (a menudo trenzado), conectores o terminales XLR de 3 pines, tornillo o abrazadera;

Arroz. 6. Conectores para líneas balanceadas: terminales y XLR

• para líneas no balanceadas: cable blindado, conectores RCA ("tulipán"), con menos frecuencia DIN (así como GOST), así como varios enchufes;

Arroz. 7. Conectores de línea no balanceados: RCA, clavijas de 3,5 mm y 6,25 mm

• para señales de altavoces de alta potencia: cables, terminales o abrazaderas, conectores banana o de aguja de altavoz de gran calibre sin blindaje (con raras excepciones)

Arroz. 8. Conectores de cable de altavoz

La calidad de los conectores y cables juega un papel importante, especialmente en sistemas de audio de alta calidad.

La calidad de los conectores y cables juega un papel importante, especialmente en sistemas de audio de alta calidad. Los materiales del conductor y el dieléctrico, la sección transversal y la geometría del cable son importantes. Los modelos más caros de cables de interconexión y de altavoz utilizan cobre ultrapuro e incluso plata maciza, así como aislamiento de teflón, que se caracteriza por un nivel mínimo de absorción dieléctrica, lo que aumenta la pérdida de señal y de manera desigual en toda la banda de frecuencia. El mercado de productos de cable es muy diverso; a menudo, diferentes modelos de la misma calidad se diferencian entre sí sólo en el precio y muchas veces.

Cualquier cable se caracteriza por pérdidas de señal analógica, que aumentan con el aumento de la frecuencia y la distancia de transmisión. Las pérdidas están determinadas por la resistencia óhmica del conductor y los contactos en los conectores, así como por los componentes reactivos distribuidos: inductancia y capacitancia. De hecho, el cable es un filtro de paso bajo (corta las altas frecuencias).

Además de la transmisión a diferentes distancias, a menudo es necesario derivar y conmutar las señales. Los conmutadores (selectores de entrada) son una parte integral de muchos componentes de la ruta del audio, tanto profesional como de consumo. También existen amplificadores de distribución especializados que dividen la señal y aseguran la coincidencia con la línea de transmisión y otros componentes en términos de nivel e impedancias (y a menudo compensan la caída en altas frecuencias) y conmutadores, convencionales (varias entradas y una salida) y matriz (múltiples entradas y salidas) ).

PROCESAMIENTO DE AUDIO ANALÓGICO

Cualquier procesamiento de una señal de audio analógica va acompañado de ciertas pérdidas en su calidad (se producen distorsiones de frecuencia, fase y no lineales), pero es necesario. Los principales tipos de procesamiento son los siguientes:

• amplificar la señal al nivel requerido para su transmisión, grabación o reproducción por un altavoz: al aplicar una señal de un micrófono a un altavoz, no escucharemos nada: primero debemos amplificarla en nivel y potencia, mientras brindamos la capacidad de ajusta el volumen.

Arroz. 9

• Filtrado de frecuencia: los infrasonidos, perjudiciales para la salud en determinadas frecuencias, y los ultrasonidos se excluyen del rango sonoro útil (20 Hz – 20 kHz). En muchos casos, el alcance se reduce deliberadamente (el canal telefónico de voz tiene una banda de 300 Hz a 3400 Hz, la banda de frecuencia de las estaciones de radio con medidor es significativamente limitada). Para los sistemas acústicos, que suelen tener 2-3 bandas, también es necesaria la separación, que suele realizarse en filtros cruzados ya al nivel de la señal amplificada (potente).

Arroz. 10. Circuito cruzado para un sistema de altavoces de tres vías.

Arroz. 11. Ejemplo de dispositivo ecualizador

• supresión de ruido: existen circuitos especiales de reducción de ruido dinámico que analizan la señal y estrechan la banda en proporción al nivel y la frecuencia de los componentes de RF (“denoisers”, “dehissers”). En este caso, el ruido situado por encima de la banda de señal se corta y el ruido restante queda más o menos enmascarado por la propia señal. Estos esquemas siempre conducen a una degradación de la señal muy notable, pero en algunos casos su uso es apropiado (por ejemplo, cuando se trabaja con voz grabada o en estaciones de radio de intercomunicación). Para los equipos de grabación analógicos también se utilizan supresores de ruido basados ​​en compresores/expansores (“compander”, por ejemplo, sistemas Dolby B, dbx), cuyo funcionamiento es menos perceptible para el oído.
• Impacto en el rango dinámico: para que la reproducción de programas musicales en sistemas domésticos comunes, incluidas las radios de los automóviles, sea lo suficientemente rica y expresiva, el rango dinámico se comprime, lo que hace que los sonidos suaves suenen más fuertes. De lo contrario, aparte de ocasionales estallidos de fortissimo (en música clásica), tendrás que escuchar el silencio de los altavoces, especialmente teniendo en cuenta el ambiente ruidoso. Para ello se utilizan unos dispositivos denominados compresores. En algunos casos, por el contrario, es necesario ampliar el rango dinámico, luego se utilizan expansores. Y para evitar exceder el nivel máximo, lo que conducirá a un recorte (limitación de la señal desde arriba, acompañada de distorsiones no lineales muy altas, percibidas como sibilancias), en los estudios se utilizan limitadores. Por lo general, proporcionan un recorte “suave” en lugar de simplemente cortar la parte superior de la señal;

Arroz. 12. Ejemplo de procesador de dinámica de estudio.

• efectos especiales para estudios, EMR, etc.: los ingenieros de sonido y los músicos tienen a su disposición una gran cantidad de equipos especiales para darle al sonido el color deseado o conseguir un efecto determinado. Se trata de varios distorsionadores (el sonido de una guitarra eléctrica se vuelve ronco, granulado), accesorios wah-wah (modulación de amplitud, que provoca un efecto característico de "croar"), potenciadores y excitadores (dispositivos que afectan el color del sonido, en particular, pueden darle al sonido un tono de “tubo”); Flangers, coros, etc.

Arroz. 13. Ejemplos de procesadores y accesorios para guitarras eléctricas.

• mezcla de sonido, eco/reverberación: la grabación en los estudios generalmente se realiza en forma multicanal, luego, mediante mezcladores, el fonograma se mezcla en el número requerido de canales (generalmente 2 o 6). En este caso, el ingeniero de sonido puede "hacer avanzar" uno u otro instrumento solista grabado en una pista separada y cambiar la proporción de volúmenes de diferentes pistas. A veces, se superponen varias copias de un nivel inferior a la señal con un cierto desplazamiento de tiempo, simulando así la reverberación natural (eco). Actualmente, efectos similares y de otro tipo se logran principalmente utilizando procesadores de señales que procesan señales digitales.

Arroz. 14. Consola de mezclas moderna

GRABAR AUDIO ANALÓGICO

Se cree que Edison implementó por primera vez la grabación mecánica del sonido en 1877, cuando inventó el fonógrafo, un rodillo cubierto con una capa de estaniol suave, sobre el cual se hacía un trazo con una aguja que transmitía vibraciones del aire (posteriormente se usó cera en su lugar). de staniol, y el método en sí comenzó a llamarse grabación en profundidad, ya que la pista se modulaba en profundidad). Sin embargo, ese mismo año, el francés Charles Cros presentó una solicitud a la Academia de Ciencias sobre su invento: el sonido se grabó en un disco de vidrio plano cubierto de hollín, con la ayuda de una aguja conectada a una membrana se obtuvo una pista transversal. , luego se suponía que se iluminaría el disco y se harían fotocopias para su replicación (el método en sí aún no se había desarrollado). Al final, la grabación transversal, que resultó ser mucho más perfecta que la grabación profunda, dio origen a la grabación de gramófono. Aparecieron en el mundo tres empresas que producían discos en serie (CBS en Estados Unidos, JVC en Japón, Odeon en Alemania; esta empresa le dio al mundo un disco de doble cara) y dispositivos para reproducirlos. El nombre “gramófono” proviene de Deutsche Gramophon (Alemania) y gramófono de Pathé (Francia). Luego comenzaron a producir gramófonos portátiles con campana sobre bisagra, con motor eléctrico en lugar de accionamiento manual, y luego con adaptadores electromagnéticos. Los discos se volvieron cada vez más perfectos, contenían más material a lo largo del tiempo de reproducción y el rango de frecuencia, inicialmente limitado a 4 kHz, se amplió. La vinilita reemplazó a la frágil goma laca y las agujas de acero de corta duración dieron paso al zafiro y luego al diamante. Comenzó la era del estéreo: dos pistas se cortaron en un solo surco en un ángulo de 45°. A principios de los años 80 del siglo pasado, cuando se produjo una transición global al formato de audio digital, el disco de vinilo alcanzó el apogeo de su desarrollo.

Arroz. 15. Gramófono, gramófono, reproductor eléctrico.

La grabación magnética es más avanzada y se utiliza desde hace mucho tiempo en los estudios. El primer dispositivo de grabación magnética, el telégrafo, fue creado por Waldemar Paulsen (Dinamarca) en 1878, y la grabación se realizaba sobre un alambre de acero (una cuerda de piano). En los años 20 del siglo XX aparecieron las grabadoras que utilizaban cinta magnética. La producción en masa de grabadoras comenzó en los años 40. Primero aparecieron las cintas magnéticas sobre celulosa y luego sobre base de lavsan. Las señales de audio se graban en pistas longitudinales mediante un cabezal de escritura (o universal) con un espacio magnético. La cinta se acerca al espacio del cabezal y se forma sobre ella una trayectoria de magnetización residual. La parte no lineal de la característica se "difumina" utilizando una corriente de polarización de alta frecuencia (generalmente alrededor de 100 kHz), a la que se superpone la señal útil. Las grabadoras de cinta analógicas de estudio, junto con las digitales, todavía se utilizan para la grabación primaria de fonogramas. Los domésticos vienen en tipos de dos y tres cabezales (cabezales de grabación, reproducción y borrado separados o cabezales de borrado y universales). A veces hay dos cabezales de reproducción si se proporciona marcha atrás.

Incluso con un manejo muy cuidadoso, la cinta magnética comienza a desmoronarse con el tiempo.

La cinta magnética tiene un ruido que disminuye (se mueve parcialmente más allá del rango audible) a medida que aumenta la velocidad de alimentación. Por lo tanto, las grabadoras de estudio tienen una velocidad de 38, mientras que las grabadoras domésticas de carrete a carrete tienen una velocidad de 19 y 9,5 cm/s. Para las grabadoras de casetes domésticas se adoptó una velocidad de 4,76 cm/s. El ruido de la cinta se suprime eficazmente mediante el sistema Dolby B Compander: durante la grabación, el nivel de la parte de alta frecuencia para señales débiles aumenta en 10 dB y durante la reproducción se reduce en la misma cantidad.

La grabación magnética analógica profesional a alta velocidad proporciona muy alta calidad. Precisamente en cintas maestras magnéticas por mucho tiempo Se archivaron las grabaciones musicales y de ellas el fonograma se transfirió a discos de vinilo con cierta pérdida de calidad. Sin embargo, incluso con un tratamiento muy cuidadoso, la cinta magnética comienza a desmoronarse con el tiempo, se caracteriza por una desmagnetización gradual, deformación, un efecto de copia (las capas adyacentes en el rollo se magnetizan mutuamente) y es susceptible a la influencia de campos magnéticos externos. tambien dificil búsqueda rápida el fragmento deseado (aunque este inconveniente se relaciona más con el ámbito doméstico). Por lo tanto, con la llegada de los formatos digitales, Sony, propietario de un enorme archivo de grabaciones de CBS/Columbia, preocupado por el problema de preservar grabaciones originales de valor incalculable de la segunda mitad del siglo XX, desarrolló un método de grabación en pulsos discretos. formato de modulación de ancho (flujo DSD - Direct Stream Digital, que luego dio lugar al formato Super Audio CD personalizado). Si la grabación magnética analógica garantiza la conservación de un fonograma durante varias décadas con pérdidas cada vez mayores, los archivos digitales son eternos y pueden soportar un número ilimitado de copias sin degradación alguna. Por esto y por muchas otras razones (ventajas de servicio, versatilidad, enorme capacidad de procesamiento), los formatos de audio digitales están cada vez más extendidos.

RECIBIR SEÑAL DE AUDIO DIGITAL

Según el teorema de Kotelnikov-Shanon, una señal discreta se puede reconstruir completamente siempre que la frecuencia de muestreo sea al menos el doble de la frecuencia superior del espectro de la señal.

Una señal digital se obtiene a partir de una señal analógica o se sintetiza directamente en forma digital (en instrumentos musicales eléctricos). La conversión de analógico a digital implica dos operaciones principales: muestreo y cuantificación. La discretización es la sustitución de una señal continua por un número de muestras de sus valores instantáneos, tomadas en intervalos de tiempo iguales. Según el teorema de Kotelnikov-Shanon, posteriormente se puede reconstruir completamente una señal discreta, siempre que la frecuencia de muestreo sea al menos el doble de la frecuencia superior del espectro de la señal. Luego las muestras se cuantifican por nivel: a cada una de ellas se le asigna un valor discreto más cercano al real. La precisión de la cuantificación está determinada por la profundidad de bits de la representación binaria. Cuanto mayor sea la profundidad de bits, más niveles de cuantificación (2N, donde N es el número de bits) y menor será el ruido de cuantificación: errores debidos al redondeo al nivel discreto más cercano.

Arroz. 16. Digitalizar una señal analógica y obtener muestras digitales.

El formato CD asume una frecuencia de muestreo de 44,1 kHz y una profundidad de bits de 16 bits. Es decir, se obtienen 44 mil muestras por segundo, cada una de las cuales puede tomar uno de 2 16 = 65536 niveles (para cada uno de los canales estéreo).

Los formatos de audio de consumo más avanzados son DVD Audio y Super Audio CD (SACD).

Además del formato de 44,1 kHz/16 bits, en la grabación digital se utilizan otros. La grabación de estudio suele realizarse con una profundidad de bits de 20 a 24 bits. Luego, los datos se convierten al formato de CD estándar mediante conversión. Los bits adicionales luego se descartan o (mejor) se redondean; a veces se mezcla ruido pseudoaleatorio para reducir el ruido de cuantificación (dither).

Los formatos de audio de consumo más avanzados son DVD Audio y Super Audio CD (SACD). DVD Audio adopta el algoritmo de compresión de datos sin pérdidas MLP desarrollado por Meridian. Y SACD, a diferencia de otros formatos, no utiliza modulación de código de pulso (PCM), sino codificación de flujo DSD de un bit (modulación de ancho de pulso discreta). Los discos SACD vienen en formatos de una y dos capas (híbridos), con una capa de CD normal.

El medio de audio más popular hoy en día sigue siendo el CD, a pesar de ciertas limitaciones en la calidad del sonido señaladas por los audiófilos. La razón de esto es la baja frecuencia de muestreo: para restaurar con precisión señales cercanas al límite superior del rango de audio, se necesita un filtro que no se puede implementar físicamente (su respuesta de impulso cubre la región de tiempo negativa). Esto se compensa en cierta medida mediante el filtrado digital con una frecuencia de muestreo y una profundidad de bits cada vez mayores. Para garantizar una reproducción ininterrumpida en tiempo real, los datos del disco se graban con codificación redundante (código Reed-Solomon).

Medios digitales, tasas de muestreo y bits de codificación.

La transmisión de audio digital requiere un enlace de banda ancha, especialmente para transmisiones multicanal de alta resolución sin comprimir.

TRANSMISIÓN DE AUDIO DIGITAL

Las líneas de comunicación para transmitir audio digital pueden ser cables, líneas ópticas y radioaéreas.

Para transmitir señales PCM a través de líneas cableadas, se han desarrollado interfaces AES/EBU (equilibradas, coaxiales), S/PDIF (coaxiales no balanceadas), que permiten la transmisión de varias señales (frecuencia de reloj, velocidad de palabras digitales, datos de canal) a través de un cable. Dentro de los dispositivos, estas señales se transmiten por separado, se codifican en la salida del mecanismo de transporte y en la entrada del convertidor digital-analógico (en sistemas de dos bloques) se separan nuevamente en el receptor digital.

Normalmente, se utiliza audio de alta calidad para transmitir audio digital. cable coaxial. También existen convertidores S/PDIF para líneas de fibra óptica: AT&T ST y Toslink (este último es estándar para equipos de consumo). Y también para uso pares trenzados como parte de redes de cable Ethernet. El medio para distribuir audio comprimido en forma de archivos archivados es Internet.

Arroz. 17. Cable óptico con conector Toslink

Como cualquier señal digital, el audio digitalizado se distribuye y conmuta mediante dispositivos especiales: amplificadores de distribución, conmutadores convencionales y matriciales.

Hay un factor que afecta negativamente a las señales digitales y, a menudo, anula casi todas las ventajas del audio digital sobre el analógico, incluida la capacidad de copiar, transmitir y archivar programas repetidamente sin pérdida de calidad: estamos hablando de jitter. Jitter es el jitter de fase, o incertidumbre en el momento de transición de 0 a 1 y viceversa. Esto sucede debido a la deformación paulatina de pulsos rectangulares con frentes casi ideales, que se vuelven cada vez más planos debido a los elementos reactivos de los cables, lo que genera incertidumbre en el momento de la caída, aunque la pendiente de los frentes en cada uno de los siguientes. El dispositivo digital está completamente restaurado. Todos los dispositivos digitales modernos combaten con éxito la fluctuación mediante unidades de reclocking. Para obtener más información, consulte el folleto Control y conmutación de señales.

Figura 18. Distribución y Conmutación

Los formatos de audio comprimido se utilizan para la transmisión y grabación en diversos medios digitales: Dolby Digital (AC-3) y DTS. Esto le permite colocar una película completa con audio multicanal, así como varios materiales adicionales, en un disco DVD Video de 4,7 GB. El formato Dolby Digital ofrece 5 canales independientes: 2 frontales, 2 traseros y 1 subwoofer para efectos especiales. La compresión se realiza mediante un algoritmo de audio MPEG adaptativo, basado en las características psicoacústicas de la percepción del sonido y garantizando una perceptibilidad mínima de la compresión. Todo esto le permite recrear un panorama sonoro tridimensional completo. Sin embargo, para la reproducción de música de alta calidad, Dolby Digital es mucho menos adecuado que el CD, ya que tiene una resolución más baja. La velocidad de bits en modo Dolby Digital (las muestras de cada canal se transmiten una tras otra) es de 384-640 kbps, mientras que en el formato habitual de CD de dos canales es de 1411,2 kbps. El formato Dolby Digital 5.1 se ha mejorado varias veces, principalmente para aumentar el número de canales. Ahora está disponible la versión DD 7.1, que proporciona 2 canales frontales, 2 laterales y 2 traseros, sin contar el canal de efectos especiales (también se conoce la modificación DD 6.1 con un canal trasero).

El formato DTS tiene una relación de compresión más baja y una velocidad de datos más alta: 1536 kbps. Por lo tanto, se utiliza no sólo para codificar bandas sonoras multicanal en DVD Vídeo, sino también para discos de audio multicanal. El formato DTS, además del tradicional DTS 5.1, se conoce en las modificaciones DTS ES Discrete 6.1, así como en varias variantes de matriz que, como Dolby Pro Logic II, utilizan el principio de matriz de canales adicionales, que se sintetizan en base a canales adicionales. información contenida en los principales.

En informática y multimedia (a nivel de usuario), se requiere que los datos sean compactos, por lo que aquí se utilizan ampliamente los formatos de audio comprimido. Por ejemplo, MP-3, Windows Media Audio, OGG Vorbis. Gracias a la compresión, es posible descargar rápidamente archivos de música de Internet y organizar un servicio de transmisión de audio (WMA, Real Audio, Winamp).

PROCESAMIENTO DE AUDIO DIGITAL

El procesamiento se realiza mediante potentes procesadores DSP (señal), como Shark de Analog Devices. Gracias a la alta velocidad, se pueden implementar muchas operaciones en tiempo real: por ejemplo, cambiar la profundidad de bits y la frecuencia del reloj mediante interpolación, ajustar el equilibrio del timbre, ecualización, reducción de ruido, compresión, expansión o limitación del rango dinámico, efectos especiales ( eco, diferentes tipos sonido, por ejemplo “estadio”, “sala de conciertos”, etc.), mezclando varias pistas. Normalmente, los procesadores de señal funcionan con un ancho de señal elevado (por ejemplo, 32 bits con coma flotante decimal), lo que reduce la incursión de errores durante cálculos matemáticos complejos, que se realizan basándose en la rápida transformada de Fourier, calculando un conjunto de coeficientes correspondientes y subsiguiente. multiplicación.

Los procesadores de señal son cada vez más económicos a medida que se generalizan; hoy en día se pueden encontrar en cualquier receptor o procesador envolvente, donde realizan una amplia variedad de funciones, incluida la decodificación de formatos de sonido envolvente, ecualización y control de graves, calibración de canales en amplitud y fase, etc.

Los procesadores de señal son cada vez más baratos a medida que se generalizan; hoy en día se pueden encontrar en cualquier receptor o procesador envolvente;

Pero, como siempre, tecnologías de software El procesamiento de señales se está desarrollando incluso más rápido que el hardware. Todo lo que puede hacer un procesador DSP está disponible mediante aplicaciones informáticas especiales y, en este caso, el usuario recibe una gama más amplia de actividades y la flexibilidad del programa en sí, que se actualiza y complementa periódicamente (aunque el software de dispositivos especializados en nuestro tiempo puede La mayoría de las veces se actualiza, digamos, a través de un puerto USB desde una computadora o incluso directamente desde Internet, desde el sitio web del fabricante del equipo. Pero esta actualización, por supuesto, sólo es posible dentro de una generación de hardware, ya que el módulo queda obsoleto. o se debe reemplazar todo el dispositivo). Los programas informáticos para el procesamiento profundo de audio digital son suficientes tanto para fines de consumo como profesionales (por ejemplo, Adobe Audition). La mayor parte del procesamiento del estudio se realiza en la computadora. Esto es muy conveniente y eficiente y, lo más importante, le permite no estar atado al tiempo real, lo que hace que las operaciones de cualquier grado de complejidad sean accesibles sin requisitos especiales de rendimiento. Por ejemplo, puede borrar manualmente un fonograma (por ejemplo, tomado de un soporte de vinilo reliquia) de los clics o someterlo a un procesamiento "inteligente" para eliminar el ruido, cuya composición espectral se determina de antemano en pausas y fragmentos silenciosos.

La compresión de audio digital se basa en las propiedades psicoacústicas de la audición y utiliza el efecto de enmascarar los sonidos más bajos con otros más fuertes.

Finalmente, la compresión para reducir el flujo de datos o transferir a otra frecuencia de reloj con un posible cambio en la profundidad de bits también se realiza tanto en el hardware como en el software de la computadora.

Existen varios formatos de audio de computadora estándar, tanto comprimidos como sin comprimir.

El formato sin comprimir más común es Microsoft Riff/Wave (extensión "wav"). Los datos se codifican con 8 o 16 bits. En el segundo (aceptable para audio de alta calidad) caso y con una frecuencia de muestreo de 44,1 kHz, un minuto de música ocupa 5,3 MB Espacio del disco. Además de los datos en sí, el archivo .wav contiene un encabezado que describe los parámetros generales del archivo y uno o más fragmentos con información adicional sobre los modos y orden de reproducción, marcas, nombres y coordenadas de varias secciones de la señal.

A diferencia de Riff/Wave, los archivos RAW presentan los datos tal como están, sin ninguna información de respaldo. El cual está presente en los archivos AIFF estándar de Apple para la plataforma Macintosh, similar a WAV.

La compresión de audio digital se basa en las propiedades psicoacústicas de la audición y utiliza el efecto de enmascarar los sonidos más silenciosos con otros más fuertes, mientras que los silenciosos simplemente se descartan, y el "umbral de relevancia" de los sonidos enmascarados está determinado por su distancia en frecuencia del enmascaramiento. unos, así como otros parámetros.

De los formatos que implican compresión con pérdida, el más popular es MP3 (MPEG 1/2/2.5 Layer 3). Le permite utilizar muchos métodos de compresión diferentes; el estándar es solo el método de codificar datos ya comprimidos. Es posible una opción con una tasa de bits constante, determinada en función del tamaño de archivo requerido o el nivel de calidad, o con una variable, cuando la tasa de bits cambia para diferentes fragmentos de música, manteniendo constante el nivel de calidad. En general, el MP3 tiene un sonido muy satisfactorio a velocidades de bits medias y altas, pero a velocidades de bits bajas es inferior a otros formatos. La excepción es una nueva version MP3 Pro, dirigido específicamente a tasas de bits bajas y, por tanto, muy demandado en Internet.

WMA, o Windows Media Audio, compite con éxito con MP3 a bajas tasas de bits (por ejemplo, la música a 64 kbit/s en WMA subjetivamente no suena peor que en MP3 con una tasa de bits de 128 kbit/s. Además, este formato proporciona codificación protectora contra copias no autorizadas.

Ogg Vorbis es generalmente similar a WMA y MP3, pero se diferencia en el aparato de procesamiento matemático y se centra en una frecuencia de muestreo de 48 kHz. Además, puede admitir no 2, sino hasta 255 canales de audio. Velocidad de bits de hasta 512 kbps, con compresión entre un 20% y un 5% más eficiente que MP3, la música subjetivamente suena mejor. Un serio competidor de MP3 y WMA, aunque en una lucha desigual con empresas gigantes.

AAC (Advanced Audio Coding) se desarrolló sobre la base de MP3 (y por la misma empresa, el Instituto Fraunhofer), pero tiene capacidades avanzadas: admite una frecuencia de muestreo de 96 kHz, hasta 48 canales. Una mayor calidad de sonido se “paga” mediante un procedimiento de codificación relativamente más lento y mayores requisitos de rendimiento del hardware durante la reproducción. Una de las últimas versiones de AAC, llamada Liquid Audio, que permite incluir no sólo "marcas de agua" en el flujo de datos, como AAC, sino también otra información (sobre artistas, propiedad de derechos de autor, etc.), en algún momento se convirtió en un "Serio candidato a la sucesión del MP3".

En muchos sentidos, el formato japonés VQF (SoundVQ) es similar al AAC, que probablemente pronto desaparecerá de la vista, aunque es compatible con Yamaha.

El audio digital se puede grabar en una variedad de medios. Principalmente discos ópticos, aunque lógicamente, tarde o temprano, solo quedarán en el ruedo las memorias flash, que no requieren discos con motor.

La grabación digital magnética hoy en día permanece principalmente en el ámbito profesional y abandona cada vez más el ámbito doméstico.

Los CD se replican, al igual que otros medios similares (DVD, SACD), estampando espacios en blanco de policarbonato a partir de matrices de aluminio, sobre los que se aplican hoyos: hendiduras. Además, si tiene una computadora normal con una grabadora de CD (DVD), se pueden grabar archivos de música de varios formatos en matrices CD-R, CD-RW, etc. Los archivos también se almacenan en el disco duro de una computadora o en un servidor de audio especial, en el que se puede crear una extensa biblioteca de música y el usuario selecciona el grado de compresión del archivo (desde cero).

La grabación digital magnética hoy en día permanece principalmente en el ámbito profesional y abandona cada vez más el ámbito doméstico. El disco óptico es más atractivo para los consumidores que el casete, aunque sea de tamaño pequeño. Además, su demanda masiva no contribuyó a relaciones dificiles con propietarios de derechos sobre contenidos musicales (como es el caso de DVD Audio y SACD). Las grabadoras de cinta DAT graban audio digital sin comprimir con alta calidad. Existen varios tipos de grabadoras digitales: con cabezal fijo (S-DAT) y con cabezal giratorio (R-DAT), que graban la señal en un casete; DASH carrete a carrete, DAT usando casetes S-VHS y grabación con inclinación cruzada. El formato DCC (grabación comprimida PASC) se considera actualmente poco prometedor. Los discos magnetoópticos MiniDisc utilizan el algoritmo de compresión ATRAC.

REPRODUCCIÓN DE SONIDO

Al final de cualquier ruta de audio se encuentran convertidores electroacústicos analógicos: altavoces o auriculares. Los emisores digitales todavía se encuentran en la etapa inicial de ideas. Los amplificadores de potencia también son en su mayoría analógicos, aunque gradualmente se están abriendo camino los digitales (más precisamente, los de pulso, que funcionan según el principio de modulación de ancho de pulso). Esta clase de amplificadores, D, proporciona una eficiencia sin precedentes en comparación con los analógicos (alrededor del 90%), tamaño y peso pequeños y sin generación de calor. Sin embargo, para que los amplificadores de clase D se consoliden como líderes, es necesario resolver muchos problemas importantes y, en primer lugar, el problema del filtrado de los componentes de alta frecuencia de la señal modulada, cuyo nivel es muy alto en La salida. Además, prácticamente no existen amplificadores de clase D con entrada digital: la señal analógica se alimenta al ADC incorporado. Este, quizás, sea el factor principal que frena el desarrollo de esta dirección: después de todo, el valor principal de la idea en sí no es la alta eficiencia, sino la capacidad de organizar una ruta de audio completamente digital sin conversiones innecesarias ni líneas de transmisión analógicas. Además, la salida digital en reproductores de DVD no es infrecuente. Recientemente, han comenzado a aparecer nuevos desarrollos en esta área. Tripath ha lanzado un procesador especial que controla los parámetros de ganancia de pulso basándose en el análisis de la señal de entrada, que (en forma digital) se retrasa durante algún tiempo en un búfer. En particular, dependiendo del espectro actual de la señal, se selecciona la frecuencia de reloj óptima desde el punto de vista del filtrado posterior. Estos amplificadores (se les llama "inteligentes") dieron lugar a una nueva categoría: los amplificadores de clase T. Para obtener más información, consulte el folleto "Amplificación de señal".

Los amplificadores estéreo y mono tradicionales están siendo reemplazados cada vez más por amplificadores multicanal, generalmente integrados en receptores AV, que también tienen todo lo necesario para el procesamiento profundo de señales multicanal, la decodificación y la conversión de un formato a otro. audio multicanal se está volviendo cada vez más popular, no sólo como acompañamiento de películas, sino también solo.

Primero abordemos los principios generales de la conversión de analógico a digital. El principio básico de digitalizar cualquier señal es muy simple y se muestra en la Fig. 17.1, A. En algunos momentos t 1, t 2, t 3 Tomamos el valor instantáneo de una señal analógica y, por así decirlo, le aplicamos alguna medida, una regla graduada en una escala binaria. Una regla normal contendría grandes divisiones (metros), cada una dividida en diez partes (decímetros), cada una de las cuales también estaría dividida en diez partes (centímetros), etc. Una regla binaria contendría divisiones divididas por la mitad, luego nuevamente por la mitad. , etc. .d: cuánta resolución es suficiente. Si la longitud total de dicha regla es, digamos, 2,56 m, y la división más pequeña es 1 cm (es decir, podemos medir su longitud con una precisión no peor de 1 cm, más precisamente, incluso la mitad), entonces habrá exactamente 256 divisiones y se puede representar como un número binario de 1 byte u 8 bits.

Arroz. 17.1 . Digitalización de señales analógicas:

A- el principio básico;

b– explicación del teorema Kotelnikov-Nyquist

Nada cambiará si no medimos la longitud, sino el voltaje o la resistencia, solo el significado del concepto "regla" será ligeramente diferente. Así obtenemos sucesivas muestras de la magnitud de la señal. x1, x2, x3. Además, tenga en cuenta que con la resolución y el número de dígitos seleccionados, podemos medir un valor no mayor a un valor determinado que corresponde al número máximo, en este caso 255. En caso contrario, tendremos que aumentar el número de dígitos (alargar la regla), o cambiar la resolución hacia el empeoramiento (estirarla). Todo lo anterior es la esencia del funcionamiento de un convertidor analógico a digital: ADC.

En la Fig. 17.1, A El gráfico demuestra este proceso para el caso de que medimos alguna cantidad que cambia con el tiempo. Si las mediciones se realizan regularmente a una frecuencia conocida (llamada frecuencia de muestreo o frecuencia de cuantificación), entonces solo se pueden registrar los valores de la señal. Si la tarea es restaurar la señal original a partir de los valores registrados, entonces, conociendo la frecuencia de muestreo y la escala aceptada (es decir, qué valor de la cantidad física corresponde al número máximo en el rango aceptado de números binarios), podemos restaure siempre la señal original simplemente trazando los puntos en el gráfico y conectándolos con una línea suave.

¿Pero qué perdemos? Mira la figura. 17.1, b, que ilustra el famoso teorema de Kotelnikov (como de costumbre, en el extranjero tiene un nombre diferente: Nyquist, de hecho, ambos lo formularon independientemente el uno del otro). Esta figura muestra una sinusoide de la frecuencia límite, que aún podemos reconstruir obteniendo una matriz de puntos en la frecuencia de muestreo. fd. Dado que en la fórmula de la oscilación sinusoidal A pecado(2π pie) hay dos coeficientes independientes ( A– amplitud y F– frecuencia), luego, para restaurar de forma única la apariencia del gráfico, necesita al menos dos puntos para cada período, es decir, La frecuencia de muestreo debe ser al menos el doble de la frecuencia más alta en el espectro de la señal analógica original.. Ésta es una de las formulaciones comunes del teorema de Kotelnikov-Nyquist.

Intenta dibujar tú mismo otra sinusoide sin cambio de fase, pasando por los puntos indicados en el gráfico, y verás que esto es imposible. Al mismo tiempo, puede dibujar cualquier número de sinusoides diferentes que pasen por estos puntos si su frecuencia es un número entero de veces mayor que la frecuencia de muestreo. fd. En total, estas sinusoides o armónicos (es decir, términos de la expansión de la señal en una serie de Fourier; consulte Capítulo 5), dará una señal de cualquier forma compleja, pero no se pueden restaurar, y si tal Armónicos presentes en la señal original, desaparecerán para siempre.

Sólo los componentes armónicos con frecuencias por debajo del límite se restauran de forma inequívoca. Es decir, el proceso de digitalización equivale a la acción de un filtro paso bajo con un corte rectangular de la característica a una frecuencia igual exactamente a la mitad de la frecuencia de muestreo.

Ahora sobre la transformación inversa. En esencia, en los DAC que consideraremos aquí no se produce ninguna conversión de digital a analógico; simplemente expresamos el número binario en forma de un valor de voltaje proporcional, es decir, desde un punto de vista teórico, estamos haciendo solo una operación; conversión de escala. Toda la escala analógica se divide en cuantos: gradaciones correspondientes a la resolución de nuestra "regla" binaria. Si el valor máximo de la señal es, por ejemplo, 2,56 V, entonces con un código de ocho bits obtendremos un cuanto de 10 mV, y no sabemos ni podemos averiguar qué le sucede a la señal entre estos valores, como así como en los intervalos de tiempo entre muestras. Si tomamos una serie de muestras consecutivas de una determinada señal, por ejemplo las que se muestran en la Fig. 17.1, A, entonces terminaremos con un patrón paso a paso que se muestra en la Fig. 17.2.

Arroz. 17.2 . Restaurando la señal digitalizada de la Fig. 17.1, un

Si comparamos los gráficos de la Fig. 17.1, A y en la Fig. 17.2, verás que el segundo gráfico representa el primero, por decirlo suavemente, de forma muy aproximada. Para aumentar el grado de confiabilidad de la curva resultante, es necesario, en primer lugar, tomar muestras con más frecuencia y, en segundo lugar, aumentar la profundidad de bits. Entonces los pasos serán cada vez más pequeños y hay esperanza de que con suficiente alta resolución, tanto en el tiempo como en la cuantificación, la curva eventualmente se volverá indistinguible de una línea analógica continua.

Notas en los márgenes

Obviamente, en el caso de las señales de audio, aquí simplemente no se requiere un suavizado adicional, por ejemplo, utilizando un filtro de paso bajo, ya que esto solo empeorará la imagen, cortando aún más las frecuencias altas. Además, todo tipo de amplificadores analógicos suavizarán la señal y los sentidos humanos también funcionarán como filtro. Por lo tanto, la presencia de pasos en sí misma no es importante si son lo suficientemente pequeños, pero una caída brusca en la respuesta de frecuencia por encima de cierta frecuencia tiene un efecto fatal en la calidad del sonido. Muchas personas con buen oído musical afirman que pueden distinguir con precisión el sonido digital con calidad de CD (muestreado a una frecuencia de 44,1 kHz, es decir, con un corte en una frecuencia obviamente superior al nivel de percepción del oído humano, y con un número de gradaciones de al menos 65 mil para toda la gama) a partir de sonido analógico real, por ejemplo, de un disco o cinta de vinilo. Por esta razón, el audio digital de alta calidad se graba a frecuencias de muestreo mucho más altas que las requeridas formalmente, por ejemplo, 192 e incluso 256 kHz, y luego se vuelve verdaderamente indistinguible del original. Es cierto que el sonido directamente digitalizado solo se graba en discos en formato CD de audio, y para casi todos los demás formatos se utiliza compresión, compresión mediante algoritmos especiales. Si no fuera por la compresión, ni la capacidad de los medios modernos ni la velocidad de las redes informáticas serían suficientes para grabar: solo un minuto de sonido estéreo con parámetros de calidad de CD ocupa unos 10 MB en el medio, puedes comprobarlo tú mismo. .

No profundizaremos en los detalles del muestreo de señales periódicas analógicas, ya que esta es un área muy amplia en la ingeniería moderna, asociada principalmente con la digitalización, almacenamiento, replicación y reproducción de sonido y video, y esto debería, como mínimo, ser un tema separado. libro. . Para nuestros propósitos, la información presentada es suficiente y ahora pasaremos directamente a la tarea de digitalizar y convertir inversamente un valor de señal único.

Comenzaremos desde el final, es decir, con los convertidores de digital a analógico; verá por qué a continuación. Supondremos que en la entrada tenemos números en forma binaria; no importa si es el resultado de la digitalización de alguna señal real o un código sintetizado. Necesitamos convertirlo a un nivel de voltaje analógico de acuerdo con la escala seleccionada.

El DAC más simple es un decodificador-distribuidor decimal o hexadecimal, como el 561ID1. Si le aplicamos un código de cuatro bits, en la salida obtendremos uno lógico para cada valor de código en un pin separado. Al conectar una línea de LED a las salidas de dicho decodificador, obtenemos un indicador de tira (escala) que, con una resolución de 10 o 16 pasos en todo el rango, mostrará el nivel de un determinado valor. Además, muy a menudo, para la práctica, un indicador tan burdo como el que sustituye a los instrumentos de puntero es suficiente. Para controlar estos indicadores de escala discretos, se producen microcircuitos especiales que permiten mostrar el valor no como un punto o franja separada, sino como una columna luminosa. También hay microcircuitos que pueden controlar indicadores de vacío no discretos, sino lineales. Incluso hay un microcircuito K1003PP1 (análogo de UAA180), que convierte un valor analógico (voltaje) directamente en una señal de control para un indicador de barra. Se puede obtener un diseño bastante impresionante si en el circuito del termómetro según la Fig. 13.3 o 13.4, reemplace el cabezal indicador con un microcircuito y un indicador de escala, ¡como una imitación completa de un termómetro tradicional!

Un DAC tan primitivo tiene dos inconvenientes: en primer lugar, aumentar su resolución más allá de 16 a 20 gradaciones no es realista, porque entonces habrá demasiadas salidas. Pero lo más importante es que está destinado a la limitada tarea de visualizar un valor digital y fuera de este ámbito no puede hacer nada. Un convertidor que realice la función según la figura 1 se utilizaría mucho más ampliamente. 17.2, es decir, generando un voltaje analógico proporcional al código en la entrada.

Un método "tonto" para obtener dicha tensión consistiría en la siguiente modificación del método con un decodificador-distribuidor del tipo 561ID1. Para hacer esto, debe construir un divisor a partir de una cadena de resistencias idénticas, conectarlo a una fuente de voltaje de referencia y cambiar los grifos de este divisor con teclas controladas desde el decodificador-distribuidor. Para un código de dos o tres dígitos, puede utilizar los descritos en capitulo 15 multiplexores tipo 561KP1 y 561KP2. Pero para una mayor cantidad de bits, un DAC de conversión tan directa se convierte en un diseño completamente monstruoso. Un código de ocho bits requeriría 256 resistencias (¡exactamente idénticas!), el mismo número de teclas y un decodificador con el mismo número de salidas, pero un código de ocho bits es una “regla” bastante aproximada, su resolución no excede un cuarto de por ciento. Por lo tanto, en la práctica, este método se utiliza para construir un ADC, y no un DAC (porque, a pesar de su complejidad, tiene una propiedad única, ver más abajo), y aquí ni siquiera dibujaremos dicho circuito.

Consideremos uno de los métodos más comunes, que permite la conversión de código-voltaje sin utilizar estructuras tan monstruosas. En la Fig. 17.3, A muestra una opción de implementación para un DAC basado en un amplificador operacional con resistencias conmutadas en el circuito de retroalimentación. Como teclas de conmutación se pueden utilizar, por ejemplo, relés electrónicos de pequeño tamaño de la serie 293, es decir, del mismo tipo que utilizamos en el diseño del termostato de la Fig. 12.9, o claves especializadas de la serie 590. Sin embargo, para implementar un contacto de conmutación sería necesario instalar dos de estas claves para cada dígito, por lo que la serie 561 proporciona un chip especial 561KTZ (CD4066), que contiene cuatro claves idénticas que funcionan. exactamente como se muestra en el diagrama dado.

Arroz. 17.3. Esquemas utilizados en la construcción. CAD :

a– DAC de dos bits con salida negativa;

b– cadena R–2R de longitud arbitraria;

V– DAC con salida positiva

Estas claves son bidireccionales, pero sus salidas funcionan de manera diferente. La salida, que se denomina OUT/IN (en la versión doméstica, normalmente simplemente "Salida"), en un estado se conmuta con otra entrada/salida, en otro simplemente está desactivada, como de costumbre. Y la salida, denominada IN/OUT (en la versión doméstica simplemente "Entrada"), en un estado está conectada a la primera entrada, pero cuando se rompe la llave, no "cuelga en el aire" como la primera, sino se fundamenta. Por lo tanto, si aplica una señal uno lógica a la entrada de control de la llave del 561KTZ, entonces el pin IN/OUT de la llave conectada apropiadamente se cambia a la entrada OUT/IN, y si la señal de control es cero lógico, entonces la señal IN/ El pin OUT está en cortocircuito a tierra, como necesitamos.

Notas en los márgenes

Tenga en cuenta que también hay un microcircuito 176KT1 (CD4016A, no hay un análogo en la serie 561, pero hay una versión importada CD4016B con fuente de alimentación de hasta 20 V), con el que a menudo se confunde el 561KTZ: tiene el más Llaves comunes de doble cara, sin puesta a tierra. Y, a pesar de que estos microcircuitos se describen exhaustivamente en el libro de referencia clásico, a menudo se proporciona información errónea en los libros de referencia de aficionados en línea sobre 561 KTZ. Por supuesto, es poco probable que tenga que construir dichos DAC usted mismo, pero por si acaso, debe tener en cuenta que la resistencia del interruptor 561KTZ, así como de las modificaciones más modernas (1561 KTZ o CD4066B), es bastante alta. , del orden de cientos de ohmios, lo que puede afectar la precisión. Aunque a efectos prácticos en varios circuitos (¡pero no en el que estamos considerando!), lo más importante no es el valor absoluto de la resistencia, sino la diferencia en este parámetro entre las teclas, que, según los libros de referencia, no no exceder los 5 ohmios.

Consideremos finalmente cómo funciona este esquema. Para comprender mejor los principios, sólo dibujé una versión de dos dígitos. Dos dígitos son cuatro gradaciones, es decir, el voltaje de salida del amplificador operacional debe tomar 4 valores con intervalos iguales, en este caso estos voltajes son iguales a 0, así como 1/4, 1/2 y 3/4 de el voltaje de referencia U op. ¿Como sucedió esto?

Consideremos primero el circuito en condición original, cuando el código en las entradas de control clave es “00”. Dado que ambos están más bajos en el circuito de resistencia 2R en el estado inicial están conectados a "tierra", es decir, conectados en paralelo, entonces su resistencia total es igual a R .

Entonces la resistencia superior del circuito R y estas dos resistencias forman un divisor, cuyo voltaje es igual exactamente a la mitad de U op. Resistencia paralela al divisor 2R no participa en la división de voltaje. Las teclas están abiertas, la cadena de resistencias está desconectada de la entrada del amplificador operacional; y su salida tendrá un voltaje igual a 0.

Dejemos que el código tome ahora el valor “01”. En este caso, una resistencia con un valor nominal. 2R el dígito menos significativo (el más bajo del circuito) se cambia a la entrada del amplificador. Para la propia cadena de resistencias R ‑2R No importa si esta resistencia está conectada a tierra o a la entrada, porque el potencial de entrada del amplificador operacional es igual al mismo potencial de tierra. Así, a la entrada del amplificador operacional a través de una resistencia con un valor nominal 2R fluirá una corriente, cuya magnitud será igual al voltaje en su entrada ( U op/2, como descubrimos), dividido por el valor de esta resistencia ( 2R). El valor actual total será U op /4R, y esta corriente se creará en la resistencia de retroalimentación del amplificador operacional, cuya resistencia es igual a R, caída de tensión igual a U op/4. Puede pensar de otra manera: considere un amplificador inversor con una ganancia de 0,5, que está determinada por la relación de resistencia R /2R y voltaje de entrada U op/2. En total, la salida de todo el circuito será voltaje. U op/4 (pero con signo opuesto, ya que el amplificador es inverso).

Dejemos que el código tome ahora el valor "10". Entonces todo es aún más simple: el voltaje está conectado a la entrada del amplificador operacional U op a través de la resistencia superior 2R. La ganancia es la misma (0,5), por lo que la salida será voltaje. U op/2. El caso más difícil es cuando el código toma el valor “11” y ambas resistencias están conectadas. En este caso, el amplificador operacional debe considerarse como un sumador analógico (ver. capitulo 12, arroz. 12,5, A). El voltaje de salida estará determinado por la suma de las corrientes a través de las resistencias. 2R, multiplicado por el valor de resistencia de retroalimentación R, es decir, será igual a ( U op / 2 R + U op /4R)R, o solo 3 U op /4.

Miré este ejemplo con tanto detalle para demostrar claramente las propiedades de la cadena. R‑2R. El método de construcción con cualquier número de eslabones se muestra en la Fig. 17.3, b. Resistencias extremas 2R conectados en paralelo y en total dan resistencia R, por lo tanto, el siguiente enlace resulta estar formado por las mismas denominaciones en 2R y en total también dará R etc. No importa qué tan larga sea la cadena, dividirá el voltaje de entrada en una proporción binaria: en el extremo derecho de la cadena según el diagrama habrá voltaje U op, en la siguiente sucursal U op/2, siguiente U op/4, etc

Por lo tanto, utilizando sólo dos tipos de resistencias, que difieren exactamente en dos veces, es posible construir un DAC de básicamente cualquier capacidad. Entonces, un DAC de ocho bits contendrá 16 resistencias y 8 interruptores (si están conmutados, como en 561KTZ), sin contar la resistencia de retroalimentación, que para mayor claridad también teníamos igual a R, pero puede tener cualquier denominación conveniente. En los DAC integrados, esta resistencia a menudo no se instala de antemano, sino que los pines correspondientes se colocan en el exterior, de modo que se puede obtener fácilmente cualquier escala de voltaje de salida. Por ejemplo, si en nuestro circuito hacemos que esta resistencia sea igual a 1,33 R, entonces en la salida obtenemos voltajes iguales a U op , 2U op /3, U op/3 y 0.

Es cierto que el inconveniente de un circuito tan simple es que los voltajes de salida tendrán el signo opuesto, pero este problema se resuelve fácilmente. En la Fig. 17.3, V mostrado opción más simple DAC con salida positiva "normal". Dejo que el lector analice el funcionamiento de este circuito por su cuenta; de hecho, es incluso más sencillo que la versión inversora. La desventaja de esta opción en comparación con la inversora es que la ganancia no es ajustable y la escala estará determinada únicamente por el valor. U op. Pero este inconveniente se puede corregir fácilmente complicando ligeramente el circuito. Estos DAC también se denominan multiplicando .

Notas en los márgenes

No consideraré los circuitos integrados DAC comerciales (por ejemplo, 572PA1) basados ​​​​en este principio, porque en general funcionan igual y los DAC por sí solos, sin usarse como parte de un ADC, rara vez se necesitan. Sin embargo, digamos algunas palabras sobre los problemas asociados con la metrología. Está claro que no es fácil obtener valores de resistencia exactos al fabricar un chip de dicho DAC, por lo que en la práctica los valores absolutos R puede tener una extensión bastante amplia. Sus denominaciones están cuidadosamente coordinadas entre sí mediante ajuste láser. La propia resistencia de los interruptores también puede tener una gran influencia en el funcionamiento del circuito, especialmente en los bits superiores, donde las corrientes son mayores que en los inferiores. En la versión integrada, incluso hacen que estas teclas sean diferentes: en los dígitos más altos colocan otras más potentes y con menos resistencia. Y si intenta hacer un DAC casero basado en el 516KTZ mencionado anteriormente, entonces el valor de R debe ser de decenas de kiloohmios, nada menos, de lo contrario los interruptores comenzarán a introducir demasiados errores.

Otro punto está relacionado con la obtención de una tensión de referencia estable, ya que esto incide directamente en la precisión de la conversión, y para absolutamente todos los ADC y DAC, como veremos más adelante. Actualmente, el éxito de la electrónica ha hecho posible casi olvidarse de este problema: todo grandes fabricantes producir fuentes de voltaje de referencia que permitan lograr una estabilidad de aproximadamente 16 bits (es decir, 65.536 gradaciones de señal). Además, siempre puedes idear la construcción de un diagrama para que las medidas sean relativas.

La velocidad del DAC del tipo considerado está determinada principalmente por la velocidad de los interruptores y el tipo de lógica utilizada, y en el caso de los interruptores CMOS no es demasiado alta, aproximadamente la misma que la de los elementos CMOS convencionales.

La mayoría de los DAC integrados se construyen utilizando el principio descrito de sumar corrientes o voltajes ponderados. Otra clase de convertidores de digital a analógico son integrando DAC que sirven para convertir cantidades que varían en el tiempo. Idealmente, estos DAC le permiten obtener inmediatamente una señal continua verdaderamente analógica sin signos de aliasing.

La gama de convertidores analógico-digital es significativamente mayor que la de los DAC. Sin embargo, toda la variedad de sus tipos se puede reducir a tres variedades: estos son ADC paralelos, ADC de aproximación sucesiva y ADC integradores. Veámoslos en orden.

Lea el artículo hasta el final, ya que expresa una opinión diferente a la tradicional sobre el cambio de estudio de grabación.

Interferencia electromagnetica.

Todos los cables pueden captar interferencias electromagnéticas. Esto puede provocar ruidos o zumbidos. Esta interferencia puede provenir de cualquier otra música o equipo doméstico.

Para reducir la influencia de tales interferencias, se inventó una conexión equilibrada.

Conexión equilibrada.

Se llama equilibrado debido a que la señal de sonido pasa por dos diferentes cables además de tierra. Estos dos cables transportan la misma señal, excepto que la señal en uno de los cables está invertida. El objetivo principal de la inversión de señal es eliminar el ruido en el extremo receptor. Estas acciones ayudan al sistema equilibrado a resistir mejor el ruido exterior.

Así es como se ve un cable balanceado.

No es una conexión equilibrada.

A diferencia de la señal balanceada, la transmisión de señal no balanceada requiere solo un cable (central en el cable) y una tierra (GND). Dado que solo un cable transmite la señal, esta conexión se denomina desequilibrada. Este método es susceptible a interferencias que se transmitirán junto con la señal original. A medida que aumenta la longitud del cable, también aumentará la intensidad del ruido. Es por eso que la mayoría de los ingenieros de estudio o técnicos de presentaciones en vivo utilizan conexiones balanceadas para cables muy largos.

Así es como se ve un cable no balanceado.

¿Qué necesita recordar y saber sobre las conexiones equilibradas y desequilibradas?

La mayoría de los dispositivos e instrumentos analógicos o digitales más antiguos fabricados antes de los años 90 tenían salidas de audio no balanceadas. ¡Es inaceptable conectar dicho dispositivo o instrumento con un cable balanceado a la entrada balanceada de un mezclador! Cuando conecta una salida de audio no balanceada con un cable balanceado, se produce una antifase si tiene sonido estéreo (se usan dos salidas) o si tiene sonido mono (se usa una salida), aparecerá un sonido silencioso y deficiente;

Por ejemplo, Roland TR 808 o Roland MC 505 tienen salidas de audio no balanceadas.

Opinión tradicional.

Una conexión balanceada se considera más profesional ya que elimina el ruido. Se recomienda utilizar conmutación balanceada en estudios de grabación. Para instrumentos o instrumentos no balanceados, se encuentran disponibles varios convertidores desequilibrados a balanceados. Sin embargo...

Opinión poco convencional, ingenieros de sonido experimentados.

Muchos ingenieros de sonido de estudio no reconocen la conexión balanceada, creyendo que crea problemas en la mezcla general precisamente porque la señal de audio está invertida. La inversión se produce cuando un cable transmite una señal positiva y activa (más) y el otro transmite exactamente la misma señal, pero una señal negativa y fría (menos). Al superponerse, las dos señales restan el ruido y no escuchamos el ruido. Pero… no sólo se puede restar ruido. Junto con el ruido, pueden desaparecer importantes colores, calidez y riqueza del sonido. Y siempre existe el peligro de que con el sonido estéreo comiencen a surgir antífases. Entonces, en la mezcla general, es posible el fracaso y el empobrecimiento de partes musicales enteras.

En realidad, la conexión balanceada no se inventó para la grabación en estudio. Es ideal para conciertos en vivo donde se involucran cables largos.

Los estudios de grabación profesionales suelen estar bien protegidos en todo el perímetro del ruido externo. Para combatir el ruido se instalan rectificadores de tensión. Los dispositivos en bastidores se colocan de tal manera que no se creen interferencias electromagnéticas. Los cables de audio están ubicados a una distancia relativa de varias fuentes de alimentación. Con la ubicación adecuada del equipo de estudio, se vuelve innecesario el uso de cables balanceados. Las únicas excepciones son los micrófonos de estudio con cable largo y salida balanceada (XLR).

Una conclusión con la que no tienes por qué estar de acuerdo.

Conecte todos los dispositivos de su estudio únicamente con cables no balanceados. En primer lugar, seguramente no se equivocará acerca de qué dispositivo tiene una salida balanceada y cuál no. En segundo lugar, obtendrás un sonido potente y de la vieja escuela en la mezcla.

Combatir el ruido abordando las interferencias electromagnéticas de otras formas. Elimine usted mismo las interferencias “manualmente” (pantalla, movimiento, conexión a tierra) y no confíe en la conexión equilibrada para hacerlo.

Nota: escribí sobre algunos métodos para lidiar con el ruido.