|
Вот хорошая статья была , в 10-86 где все подробно расписано было .
"
Нынешнюю ситуацию в радиоэлектронике можно было бы отобразить в драматической сказке, где действуют два главных героя — царь Цифрв-предлагающий и академик Аналог-точноповторяющий. Кстати, эти имена сейчас можно услышать в кругах, далеких от сказок: слова «цифра» и «аналог» уже прочно вошли в профессиональный жаргон радиоинженеров. Дело в том, что с недавних пор радиоэлектроника разделилась на две гигантские области — область аналоговой техники и цифровой. Первая занимается сравнительно плавно меняющимися сигналами (в данном случае «плавно» совсем не значит «медленно», сигнал может меняться очень быстро и в то же время плавно, без резких скачков или провалов), скажем, токами, которые в процессе изменения могут иметь бесконечное множество различных значений Классический пример аналогового сигнала — ток в цепи микрофона, электрическая копия звука. Вообще типичная задача аналоговой техники — копировать сигнал, после любых видов его обработки, сохранять в мельчайших подробностях весь ход изменения тока, форму его графика. Сами словосочетания «аналоговая техника», «аналоговая схема», «аналоговый
сигнал» идут от греческого «аналогия» — «сходство».
Цифровая техника занимается сигналами совсем иного вида — в них важны только два значения, только «да» или «нет». Чаще всего это так называемые прямоугольные импульсы — всплески, рывки тока, когда он резко растет до своего максимума, какоето время остается неизменным и затем столь же резко прекращается. Формируются цифровые сигналы обычно в два приема. Сначала тактовый генератор выда-ет бесконечную пулеметную очередь одинаковых импульсов и они поступают в электронный блок, именуемый шифратором. Здесь имеется быстродействующий полупроводниковый выключатель, умеющий в нужный момент на какое-то время разорвать цепь и сделать незозможным прохождение того или иного определенного импульса. В результате в момент, когда этот «определенный импульс» должен был бы выйти из шифратора, из него ничего не выходит, между импульсами появляется пауза. Шифратор может «по указанию сзы-
ше» создавать любые комбинации импульсов и пауз такими комбинациями отображают двоичные числа в компьютерах: сам импульс есть электрическая запись единицы, пауза — зались нуля. А в описаниях электронных схем, вместо того чтобы рисовать комбинации импульсов-пауз, пишут цепочки из единиц и нулей, скажем 1101 или 00101111001. От всего этого, видимо, и идут словосочетания «цифровая электроника», «цифровая схема», «цифровой сигнал», все то, что на профессиональном жаргоне называют коротко — «цифра».
Еще сравнительно недавно электросвязь и радиоэлектроника занимались в основном аналоговыми сигналами—именно они живут, работают в телефонах, радиоприемниках, путешествуют по линиям дальней связи и, размноженные миллионными тиражами в грампластинках и на магнитофонной ленте, хранят для нас богатства музыки.Правда, начиналось все не с аналоговых сигналов, а с импульсных — телеграф появился на полвека раньше телефона, а пя-тизначный код Бодо, примененный почти 110 лет назад на телеграфной линии Париж — Бордо, был уже явным представителем царства Цифры, в этом коде буквы алфавита представлены комбинациями из пяти импульсов или пауз.
Похоже, что и в живой природе импульсные сигналы начали применяться раньше аналоговых. Примерно полмиллиарда лет назад у живых организмов появились простейшие внутренние системы сбора и переработки информации, где она
передается по нервному волокну в виде пакетов электрохимических импульсов.
И лишь сравнительно недавно, порядка миллиона лет назад, люди научились разговаривать, то есть общаться с помощью аналоговых акустических сигналов. Стремление преодолеть недостаток звуковой связи — малый радиус действия — привело к изобретению телефона и радиотелефона, где аналоговый акустический сигнал преобразуется в аналоговый электрический сигнал, способный проходить без устали огромные расстояния. Именно естественная человеческая потребность общения и природная, идущая от инстинктов сохранения жизни потребность в получении информации, были движущими силами феерического взлета аналоговой электроники.
Что же дальше? Что еще собирается сделать цифровая техника? Что предлагает? Каковы ее планы и проекты? Дело, оказывается, идет к тому, чтобы свести к минимуму сферу использования аналоговых сигналов, всюду, где возможно, заменить их цифровыми-
Замена незаменимого, казалось бы, аналогового сигнала цифровым в принципе осуществляется довольно просто — промежуточные значения, через которые проходит непрерывно и сложным образом меняющийся ток, кодируются определенными двоичными числами, и появившиеся серии ' импульсов-пауз фактически представляют собой цифровое описание всех изменений аналогового сигнала, его детальную летопись. Уже давно существует летописец, способный выполнить подобную работу, — аналого-цифровой преобразователь, сокращенно АЦП. Это, по сути дела, шифратор
, действия которого зависят от подведенного к нему аналогового сигнала, он в данном случае как раз и есть «указание свыше». Подашь, например, на АЦП напряжение 0,2 вольта, и он сформирует из непрерывной серии импульсов цифровой сигнал 0010, подашь 0,3 вольта, и из АЦП выйдет комбинация импульсов-пауз 0011, напряжение 0,4 вольта превратится в код 0100, и так далее. Этот процесс еще называют импульсно=кодовой модуляцией, ИКМ, у него есть две
характеристики, о которых полезно знать. Первая — частота дискретизации, или, проще, чистота выборки, она говорит о том, как часто, а конкретно, сколько раз в секунду в АЦП производится измерение аналогового сигнала и появляется двоичное число, шифр измеренной величины. Вторая важная характеристика— шаг квантования, минимальная высота ступеньки, минимальная разница между соседними уровнями аналогового сигнала, за которыми закрепле-
ны двоичные числа. Это тоже важнейший показатель точности преобразования «аналога» в «цифру» — чем меньше шаг квантования, чем мельче ступеньки, тем точнее в цифровом коде можно отобразить аналоговый сигнал
Существуют электронные схемы, умеющие выполнять и обратное преобразование — превращать определенные цифровые сигналы в аналоговые. Это цифро-аналоговые преобразователи, ЦАП, их легко представить себе как дешифратор (блок, умеющий различать комбинации импульсов- пауз), который управляет источником электрического напряжения. Получит, например, ЦАП шифр 0010 и выдаст на выходе0,2 вольта, получит 0011 и выдаст 0,3 вольта,
и так далее. Так что, имея комплект из АЦП и ЦАП, можно из аналогового сигнала получить точно такой же аналоговый,
некоторое время подержав его в виде цифрового сигнала. Можно, например, сигнал из микрофона направить АЦП, из него в ЦАП и оттуда в громкоговоритель — ои воспроизведет ту же мелодию, которая
звучала перед микрофоном.
Практика электросвязи делает для себя важные практические выводы из известного теоретического построения — теоремы Котельникова. Вот один из таких выводов: чтобы представить в цифровом виде аналоговый сигнал с максимальной частотой F, частота выборки должна быть 2F. Посмотрим, во что это выливается практически. Мы слышим звуки с частотой примерно от 20 герц до 20 килогерц, такой же частотный диапазон у аналогового сигнала, если мы захотим запечатлеть в нем все богатство звука, например, звучание большого сим-фонического оркестра. При превращении такого аналогового сигнала в цифровой частота выборки должна быть как минимум 40 килогерц. Припередаче речи по телефонному каналу требования можно снизить, верхняя граничная частота аналогово-
го сигнала здесь уже может быть не 20, а 3,5 килогерца, и для этого случая принята частота выборки в АЦП около 8 килогерц. В телевидении, где аналоговый сигнал, описывающий картинку, имеет максимальную частоту 6 мегагерц, частота выборки тоже измеряется мегагерцами
Теперь о шаге квантования, а значит, о количестве ступенек, которыми о АЦП будет представлен плавно меняющийся аналоговый сигнал. Для точной его прорисовки высота ступеньки, как говорилось, должна быть поменьше, то есть число ступенек — побольше. Но чем больше ступенек, тем больше импульсов-пауз понадобится, чтобы закодировать каждую из них отдельным шифром. Так, двумя импульсами-паузами, двумя знаками 1 и 0, или, как принято говорить, двухразрядным словом, можно закодировать четыре ступеньки — их персональные шифры будут 00, 01, 10, 11. Трехразрядным словом кодируются 8 ступеиек — их шифры 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111, четырехразрядные слова кодируют 16 ступенек, пятиразрядное — 32, и так далее. Но это все еще грубые ступени, для точного описания аналогового сигнала они должны быть намного меньше. Так, для преобразования в цифру си-гналов, переносящих телефонный разговор,
различают 256 уровней аналогового сигнала и для их кодирования используют восьмиразрядные слова — в них возможны
256 разных комбинаций из 1 и 0. А если нужно с высоким качеством получить цифровое описание музыки, используют двенадцатиразрядный или даже четырнадцатиразрядный код, фиксируя в АЦП соответственно 4096 или 16 384 ступеньки. В последнем случае, если у аналогового сигнала максимальное напряжение 1 вольт, АЦП замечает и отображает в цифровом коде его изменения на каждый 0,00006 во-льта.
Но для чего же аналоговый сигнал превращать в цифровой, а потом приводить его к первоначальному виду? Сначала
короткий ответ: во-первых, преобразования «аналог» — «цифра» — «аналог» позволяют
избавиться от разного рода помех, опаснейшего врага всех систем электросвязи; во-вторых, эти преобразования открывают новые возможности построения самих аналоговых систем.
Теперь немного подробнее. Помеха в системе электросвязи — это тот же электрический сигнал, тот же меняющийся электрический ток, он появляется, например, под действием электромагнитного излучения молнии или из-за неравномерности движения электронов в проводнике. Хорошо знакома всем такая разновидность помех,
как шипение пластинки, его первопричина — микроскопические неровности звуковой канавки. Если электрический ток-помеха где-нибудь сложится с аналоговым сигналом, то разделить их уже практически невозможно — начнешь удалять помеху и покалечишь сам сигнал. Как ни совершенна радиоэлектроника, а ей неизвестны эффективные методы хирургии аналоговых сигналов, позволяющие отделять их от по-
мех Другое дело цифровые сигналы. От импульса не требуется, чтобы он был какой-нибудь строго определенной ве-личины, от него требуется только одно,чтобы он был. Поэтому если на импульс «налипнет» помеха, то ее можно просто
срезать с помощью простейшей схемы — ограничителя . Сейчас, правда, задача избавления от помех, как правило,решается иначе — с помощью электронного блока распознавания. Он даже сильно искаженный импульс отличает от паузы, заметно заполненной шумами. Возможность получать в цифровых (импульсных) системах сигнал без помех, без
искажений породила много удивительных технических новинок, одна из них — цифро-
вой лазерный проигрыватель На его компакт-диске (термин не узаконен, но применяется широко) звук, превращенный при записи в «цифру», отображен микроскопическими алюминированными выступами (единицы) или микровпадинами (нули). В действительности все, конечно, не так просто, как в нескольких строчках нашего описания. В частности, на компакт-дисках записаны стереопрограммы (их группы импульсов-пауз записаны поочередно), для каждого канала частота выборки 40,1 килогерца; число «ступенек» квантования анало-гового сигнала— около 50 тысяч, для за-
писи каждой ступеньки используют 16-разрядные слова.
В сравнении с привычными электрофонами лазерный проигрыватель смотрится, как
самолет в сравнении с мотоциклом. Но сегодня массовая бытовая электроника в состоянии платить сложностью за высокое качество звучания — для производства эта сложность сведена к совершенным и отра-
ботанным технологиям.
Другая область, где широко используется преобразование аналогозых сигналов в
«цифру», — дальняя электросвязь. По проводам или по кабелю полезный аналоговый сигнал постепенно затухает, и, чтобы он не потерялся на фоне разного рода помех,прежде всего на фоне неустранимых электрических шумов, сигнал этот периодически усиливают. И приходится на кабельной магистрали через каждые 100—200 километров строить контрольные и усилительные станции, а через каждые несколько километров врезать в кабель необслуживаемые усилители. Особенно плохо, что помехи накапливаются и к финишу аналоговый сигнал приносит груз помех, налипших на него по всему долгому пути. Цифровому сигналу тоже нужно подбавлять силы по мере его продвижения по сверхмарафонским линиям дальней связи. Но для этой цели используются уже не усилительные, а значительно более простые регенерационные пункты — усилитель аналогового сигнала должен всегда создавать точную его копию, а регенератор должен лишь обеспечить порядок чередования импульсов и пауз. Фактически в регенераторе приходящий цифровой сигнал управляет работой шифратора, и он выпускает в линию новенькие, с иголочки комбинации импульсов-пауз. Еще одно важное достоинство «цифры»— она позволяет сравнительно просто создавать в одном проводе большое число каналов связи. В аналоговых системах это тоже делается, причем давно и эффективно — разные каналы сосуществуют в одном
проводе, поскольку передача идет но разных частотах и на конечной станции фильтры отделяют один канал от другого.
В цифровых системах задача решается иначе— импульсы разных каналов передаются поочередно, то есть в разные моменты времени, а в месте приема быстродействующий электронный переключатель направляет каждый импульс точно к его адресату. В нынешних системах радиовещания каждая передающая станция работает на своей частоте и передает одну программу, а в приемнике из тысячечастотного аккорда радиосигналов, добравшихся до антенны, мы с помощью перестраиваемых резонансных фильтров выделяем сигналы нужной нам станции, принимаем другую, желаемую программу. В цифровое радиовещании один передатчик нагружен большим количеством программ, они представлены в цифровом виде, и их импульсы, Так, скажем, в трехпрограммной системе передается сначала импульс (или пауза) цифрового сигнала первой программы, затем импульс (пауза) второй программы, затем третьей, после этого снова первой, второй и третьей, затем опять первой, второй и третьей и т. д. В приемнике все тот же быстродействующий переключатель выбирает и направляет к громкоговорителю, разумеется, через ЦАП, усилитель и ряд других устройств, импульсы только одной, выбранной вами программы. Изменив режим переключателя, можно заставить его выбирать другую программу, другие комплекты импульсов, например, не первые из каждой тройки, а вторые или третьи и таким образом перейти с одной программы на другую.
Специалисты, разрабатывающие системы цифрового вещания, видят в нем много достоинств, о некоторых наверняка интересно будет узнать потенциальному владельцу цифрового приемника. Приемник этот может оказаться простым и надежным, во всяком случае, вместо нынешних сложных частотных фильтров и системы настройки на станцию — катушки индуктивности, переключатели диапазонов, конденсаторы переменной емкости — перестройку с одной программы на другую в нем будет выполнять одна микросхема быстродействующего переключателя. Предполагается, что в цифровые сигналы будут легко втиснуты (не мешая самой радиопередаче) и важные для слушателя сведения — прогноз погоды, время, программы передач, последние известия, деловая информация. В приемнике все эти сведения будут высвечиваться на небольшом полупроводниковом экране, для их передачи достаточно будет занять один из разрядов в 16-разрядных словах основного цифрового сигнала. Ну и, конечно, цифровое радиовещание, как и звукозапись на компакт-дисках, обеспечит очень высокое качество звучания, некоторые уже полученные здесь качественные показатели для аналоговых систем просто недостижимы.
В этом коротком описании промелькнуло еще одно важное достоинство цифровых сигналов — их можно хранить о стандартных микросхемах полупроводниковой компьютерной памяти. Если не гоняться за высоким качеством, то даже в микросхему средней емкости можно записать 20-минутный разговор. Увлекшись знакомством с цифровыми системами, показанными на выставке, и планами Цифры-предлагателя, мы совсем упустили из виду, что у зтого придуманного нами героя есть не только союзники, но и критики. И к тем и к другим полезно прислушаться, размышляя о максималистских предложениях Цифры — навсегда забыть о мастерстве Аналога, оставить истории достижения аналоговой электроники, и в конечном итоге повсеместно переходить на цифровые системы. "
|
|