Question

Как сигнал преобразовывается в информацию:звук,видео,картинки,изображение?

Каким образом расшифровывается информация в виде сигналов?

Что такое аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП и АЦП) и как они работают?

Answer 1

Теперь насчет звука. Когда мы в микрофон чота говорим, аль микрофоном ловим какие другие звуки, то микрофон преобразует эти звуки в электрический сигнал. Ежель у вас был бы осциллограф, вы бы могли микрофон к нему подсоединить, и увидели бы сложную форму звукового сигала. Ну, относительно сложную. Самая простая форма будет у чистой буквы У. Это практически синусоида.

Отступление. Кстати, таким образом ловят шпионов. Их просят произнести букву У. И только у россиян эта буква является чистой синусоидой. У шпионов американского, английского или какого другого происхождения, буква У является синусоидой грязной, и даже вовсе не синусоидой, а почти тангенсом! Но это так, к слову и к вопросу о спектральном анализе кепстра сигнала.

Возвращаясь к теме. Звуки с микрофона проходят на АЦП, который начинает измерять напряжение сигнала каждые 10 микросекунд (условно). Сотни тысяч измерений напряжения сигнала каждую секунду! А потом каждое измерение преобразует в цифру. Видели бы вы восстановленное из этого цифрового потока сигнал! Он же весть в ступеньках! Бррр! Но этих ступенек сотни тысяч в каждой секунде! Но это вблизи, при большом увеличении. А если посмотреть издалека, то ступенек вроде и не видно вовсе! Точно также, как и с изображением - если смотреть на картинку на мониторе издалека, то отдельных пикселей не видно! Вот и со звуком та же историю - ЦАП преобразует цифровой поток в звук и мы слышим звук почти такого же качества, как и без преобразования! Вот меломаны, музыканты, люди с хорошим слухом, могут отличить аналоговый звук от цифрового. Но и то, если преобразование выполнено не совсем качественно. Если же применены уникальные качественные АЦП и ЦАП, то даже специалисты на слух не заметят различия.

Господи, время третий час ночи, а я тут стараюсь, чота пишу. Зачем эта всё, ежель есть учебники, популярные книги, энциклопедии и толстые фолианты по цифровой обработке сигнал. Там рассмотрено всё, начиная от системы мгновенной выборки сигнала, методов преобразования и восстановления, до математической обработке цифрового сигнала на этапе восстановления, дабы на слух не было слышно специфических искажений. Джиттер, интерполяция, дискретизация, нормирование, быстрое преобразование Фурье, вейвлеты, корреляционная обработка, дельта-сигма преобразования и прочее, и прочее, и несть числа специальным терминам и методам обработки. И это все в третьем часу ночи, когда у меня еще помидора не посажена и огород не полит, и денег нет на хлеб! И никто не понимает моих намеков, все весело улыбаются и пишут слова благодарности, а лучше бы рубль прислали несчастному инвалиду, на него можно карамельку купить. От карамельки пользы больше! Вот кстати, сейчас, в период разгула пандемии, очень важно иметь под подушкой карамельку, быть спокойным и хорошо кушать. Ежель коронавирус ко мне придет, он с моим здоровьем не сладит! Но, это, канешна, ежель я сытый буду. А ежедь, к примеру, буду голоден, вряд ли я его победю. И такие тут грустные мысли пришли мне в голову, что взяла меня досада о том, что человеки по своему разуму очень далеки от инопланетных цивилизаций. Настолько далеки, что инопланетяне, когда речь заходит о человеках на окраине галактики, ... они сразу становятся скучными и только невпопад замечают, что в этом несчастном случае с человеками никто не виноват. Ну, просто не судьба! Да и так понятно, что ежель кто проживает на свалке галактики, ну какой разум может быть у таких людей? Так, водород с углеродом голове, припудренный галактической пылью и прочим мусором, выброшенным из центральный районов скромной галактики. Кстати, вся элита живет в шаровых скоплениях. Отгородились от всех. Гордые и глухие к просьбам простых цивилизаций. Но, между нами говоря, инопланетяне и шаровики с завистью посматривают на Слоановскую Великую стену. Вот где настоящие цивилизации живут! Но туда к ним не добраться! Кишка тонка у инопланетян. Мог бы помочь изобретатель телепортации, Топоров Виктора Алексеевич, но увы, он родился у человеков! А человекам, как известно, плевать на всё. В общем, вся вселенная профукала ... эх, какой шанс был. Потому и не любят в галактике человеков и обходят их стороной, что они всю вселенную подвели!

А, о чем тут говорить. надо чаю попить перед сном. Врачи говорят, что это успокаивает.

Answer 2

На такой вопрос существуют сотни вариантов ответов, которые зависят от цели вопроса и предполагаемой подготовки читателей, которые будут интересоваться ответом на него.

Если отвечать в самой простейшей форме, то ответ будет такой.

Звук, картинки, видео, преобразуются в электрический сигнал соответствующими для этого устройствами. Как правило, этот сигнал существует в аналоговой форме. То есть, он изменяется непрерывно, в отличие от цифрового сигнала, который изменяется "скачкообразно". И вот аналого-цифровые преобразователи (АЦП) как раз для того и предназначены, чтобы преобразовать аналоговый сигнал в цифровую форму. Другое устройство, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), выполняет обратную операцию - преобразует цифровой сигнал в аналоговую форму.

Самый простой способ понять, как из цифровой формы получается красивая картинка, это посмотреть на экран монитора через увеличительное стекло. Вы увидите только точки трех цветов, имеющие разную яркость. Но на экране монитора таких "точек" (пикселей) миллионы. И когда смотришь на монитор на расстоянии, все вместе они образуют ту самую красивую картинку. Даже и не подумаешь, что такая красивая картинка слагается из миллионов "цифровых точек".

Другие варианты ответа на данный вопрос, занимают сотни страниц специальной литературы. На этом сайте, точно, места не хватит их перепечатать.

Answer 3

Ну, для начала - чем цифровой сигнал отличается от аналогового.

На аналоговый можно посмотреть воочию - например, это звуковая канавка на грампластинке. Или линия на экране осциллографа. Или вообще любой график на бумажке (почти любой). Это аналоговый сигнал, в нём каждому моменту времени соответствует какое-то определённое и, вообще говоря, любое значение сигнала.

Цифровой сигнал - это совокупность нулей и единиц (цифр), обозначающих какое-то число. Вот это число и соответствует значению сигнала в некоторый момент времени. В другой момент времени будет уже другое число.

И даже из этого примитивного введение понятны две вещи: во-первых, цифровой сигнал дискретен по времени: его отсчёты соответствуют только определённым моментам времени. Во все другие он предполагается неизменяющимся с момента последнего измерения. Во-вторых, он дискретен по амплитуде: мы же не можем представить цифровые данные с бесконечно высокой точностью, значит, там какое-то конечное число разрядов. А раз так, то этим ограниченным числом разрядом можно представить только ограниченное число возможных значений. Ну вот если у нас есть всего три десятичных разряда, то можно представить числа только от 0 до 999, всё. Чем точнее мы хотим иметь цифровые данные, тем больше нам нужно разрядов.

На практике это означает, что шкала преобразования (как Ц-А, так и А-Ц) всегда конечна - есть какой-то максимальный сигнал, который можно преобразовать. Всё, что больше, либо непредставимо (выходит за рязрядность устройства, если это цифра), либо не может быть адекватно преобразовано (если это аналоговый сигнал: он превышает максимально допустимый для данного АЦП).

Теперь к сабжу. Сперва - как из цифры получить (восстановить) аналоговый сигнал.

Для этого каждому разряду цифрового слова надо поставить в соответствие какой-то электрический сигнал с определённым "весом". Самому старшему разряду мы сопоставим сигнал, равный половине шкалы, следующему - равный четверти шкалы, ну и так далее, каждый следующий разряд вдвое меньше предыдущего. И тогда, если у нас есть какой-то двоичный код, то по нему, как по шаблону, можно взять нужные кирпичики и тем самым сгенерировать любой выходной аналоговый сигнал в пределах шкалы (полная шкала - когда все двоичные разряды - единицы).

Вот пусть есть такая цепь:

Она называется R-2R лестницей. Предположим, что все нижние концы находятся под потенциалом земли (это и на самом деле так; физическая реализация этого трюка сейчас не важна). Тут можно элементарно доказать, что ток, который протекает через каждый следующий резистор 2R, ровно вдвое меньше, чем через предыдущий.

Тогда понятно, что выбирая, какие ключи замкнуты, а какие разомкнуты, можно в выходной шине Iout1 создать любой ток (конечно, только из допустимого дискретного набора) в пределах от 0 до максимально возможного, который будет почти что равен Uref/2R. "Почти что" - потому что от Uref/2R он будет отличаться на ток, протекающей через самое последнее звено лестницы.

Вот таким замысловатым способом можно восстановить аналоговый сигнал из цифрового, и тем точнее, чем больше у нас звеньев лестницы (чем больше разрядов преобразования). Если цифровой код меняется достаточно быстро (гуглим теорему Котельникова), а разрядов достаточно много - например, 16 (как в CD), - то восстановление будет достаточно точным. А если после этого ЦАП поставить фильтр нижних частот, то он сгладит ступеньки в выходном сигнале.

Конечно, можно и по-другому реализовать цифро-аналоговое преобразование (например, иметь набор готовых токов, отличающихся в 2 раза, и суммировать эти токи - опять же через токовые ключи). Это будет токовый ЦАП, у него есть определённые плюсы.

<hr />

Теперь к обратной задаче: как из аналогового сигнала сделать цифровой.

Для начала - что такое компаратор. Это схемка, у которой есть два аналоговых входа (обозначаемых обычно + и -) и один цифровой выход. Работает он просто: если сигнал на входе + превышает сигнал на входе "-", то на выходе - лог. 1. Если меньше - лог. 0.

А-Ц преобразование делается сравнением входного сигнала с каким-то опорным. Самый простой метод - это АЦП прямого счёта. Вот пусть у нас есть интегратор, на который подаётся опорное напряжение, и счётчик импульсов от тактового генератора. Запустим в какой-то момент времени и интегратор, и счётчик. Выход интегратора будет линейно изменяться со временем (интеграл от константы). И компаратор сравнивает этот линейно изменяющийся сигнал с входным, аналоговым. В какой-то момент линейно нарастающий сигнал превысит входной, и опа! - компаратор сработает и остановит счётчик. Тем самым на счётчике заторчит код, который будет соответствовать значению входного сигнала.

Вуаля, задачка решена.

Конечно, тут сразу видны ограничения такого метода. Во-первых, он медленный. Всё то время, пока интегратор интегрирует, а счётчик считает, входной сигнал не должен меняться. Если у нас входной сигнал шустрый, быстро меняющийся (= с широкоим спектром), то реализовать такой АЦП практически невозможно.

Во-вторых, он неточный. Его точность зависит от параметров интегратора, а они зависят от температуры. Поэтому на практике применяют метод двойного интегрирования, когда сначала интегрируется входной сигнал, а потом на тот же интегратор подаётся опорный сигнал, но с противоположным знаком, и счётчик считает на этом обратном ходе. В момент, когда напряжение интегратора станет равным нулю, срабатывает компаратор.

Этот метод ещё медленее, но ровно так устроены АЦП почти всех мультиметров. Потому что там некуда торопиться :)

Для преобразования реальных сигналов звука или изображения применяются другие способы. Самые быстрые АЦП - это АЦП прямого преобразования. Вот рассмотрим ещё одну схемку:

Лестница из резисторов формирует набор уровней сравнения. На линейку компараторов (их до фига: для 10-разрядного преобразования нужно 1023 компаратора) поступают вот эти уровни сравнения - и входной сигнал. Понятно, что все компараторы, для которых входной сигнал превышает какой-то уровень, будут в состоянии "1", а все прочие - в состоянии "0". Такой код называется термометрическим. Поскольку на выходе нужен привычный двоичный код - ну, там, 8 или 10 разрядов, - то этот термометрический код нужно преобразовать - чем и занимается блок преобразователя кода.

Что тут можно сказать: что это самый быстрый способ преобразования. Цифровой код на выходе появляется через время задержки компаратора и время задержки преобразователя кода. Кроме того, тут не нужна никакая тактовая частота - код появляется и изменяется сам (на практике выходной цифровой сигнал тактируется, но по другим причинам). Но этот же способ и самый сложный - ведь с повышением разрядности на 1 сложность схемы (и мощность потребления!) увеличивается вдвое. Поэтому такие АЦП применяются крайне редко, когда скорость преобразования важнее цены, которую за это приходится платить.

Ну и масса разных прочих схем - АЦП с последовательным приближением, конвейерные, сигма-дельта... но подробный рассказ про это тут вряд ли уместен.

Да и 7000 знаков закончились...