Устройства обработки аналоговых сигналов

Устройства обработки аналоговых сигналов

Введение

Современная бытовая радиоэлектронная аппаратура (БРЭА), без преувеличения, преобразила жизнь людей. Постоянный напряженный поиск ученых и инженеров позволяет готовить производство все новых, еще более совершенных изделий БРЭА.

Объемы, число фирм, занятых производством БРЭА, в странах мира постоянно растут. Идут процессы специализации, национальной и межнациональной кооперации, развивается международное техническое сотрудничество. Вместе с тем, как в любой другой области, нарастают тенденции соперничества, борьбы, конкуренции за новые рынки сбыта. Успех приходит тогда, когда наиболее полно учитывается вся совокупность новых возможностей, правильно определяются запросы и нужды потребителя, обеспечиваются высокие параметры аппаратуры, качество и приемлемые цены. В бытовой электронике сейчас нет авторитетов, нет систем и моделей, которые могли бы обеспечить безоблачные горизонты их производства, и сбыта на много лет вперед.

И все же сейчас в этой области обозначались и интенсивно развиваются несколько основополагающих тенденций, без понимания и учета которых трудно определить перспективные пути исследований, разработок и производства БРЭА. К таким тенденциям, в первую очередь, следует отнести неуклонное движение к интеграции устройств для приема, обработки, хранения и воспроизведения звуковой информации.

Другой тенденцией, тесно связанной с предыдущей, следует считать все более широкое и разнообразное использование в бытовой электронной аппаратуре элементов вычислительной техники и автоматики, микропроцессорных устройств, встроенных ЭВМ и персональных компьютеров, позволяющих дополнить прием, запись и воспроизведение аудиоинформации.

Третья тенденция, во многом являющаяся технической основой для первых двух, - это переход от аналоговых методов представления и обработки информации к цифровым. Эта тенденция является общей для всей радиоэлектронной техники и базируется на фундаментальных принципах информатики.

Переход к цифровой обработке и хранению информации обоснован различием аналогового и цифрового сигнала. Аналоговый, или непрерывный, сигнал может принимать любое значение в пределах динамического диапазона системы звуковоспроизведения. Такой сигнал является аналогом некоторого физического процесса. Это может быть, например, напряжение на выходе микрофона, изменяющееся пропорционально изменению звукового давления, воздействующего на его вход.

В процессе передачи от микрофона к слушателю сигнал претерпевает многочисленные преобразования: многократная перезапись и монтаж мастер-ленты, запись на диск-оригинал или компакт-кассету, передача программы с помощью радиовещательного передатчика, тиражирование пластинок и т.д. К исходному сигналу при этом неизбежно добавляются посторонние воздействия, искажающие его форму: шумы усилительных устройств и носителя записи, помехи эфира, нелинейные искажения, помехи в виде фона, “рокота” и т.д. Неравномерность перемещения носителя записи, отличие скорости при записи и воспроизведении приводят к временным искажениям сигнала. Поскольку исходная форма аналогового сигнала заранее не известна, то все эти искажения устранить практически невозможно.

Иначе дело обстоит с цифровыми, или дискретными, сигналами. В отличие от аналоговых дискретные сигналы принимают лишь строго определенные значения.

Аналоговой звукозаписи присущи следующие недостатки: недостаточный динамический диапазон, особенно в области верхних звуковых частот, повышенные (по современным понятиям) нелинейные искажения, детонация и модуляционные шумы, увеличение всех видов искажений при каждой последующей перезаписи или дублировании.

Каждый из перечисленных недостатков может быть снижен в аналоговом магнитофоне ниже уровня заметности. Однако борьба с каждым из них и в особенности попытка одновременного преодоления их совокупности приводят к недопустимому удорожанию аппаратуры массового потребления. Можно сказать, что аналоговые магнитофоны в лучших своих моделях реализовали все резервы дальнейшего совершенствования. Поэтому в последнее время основное внимание уделяется разработке цифровой технике.

Целью данного курсового проекта является разработка устройства преобразования для цифрового магнитофона.

Обзор литературы

Магнитная звукозапись была изобретена В. Паульсоном в 1898 году. В 1898 году звуковые сигналы записывались на проволоку. В качестве магнитного носителя проволока имела следующие недостатки: она размагничивалась; присутствовало влияние соседних витков друг на друга; зачастую скручивалась. В тридцатые годы была решена проблема записи на магнитную ленту. Развитие магнитной записи имеет очевидное сходство с развитием механической записи. С одной стороны, вся история магнитной записи представляет собой непрерывную гонку за возможно более широким диапазоном частот записи, с другой стороны, - неизменное стремление уменьшить расход носителя (магнитной ленты) за счет увеличения плотности записи на единицу его поверхности.

Однако возможности улучшения качества записи ограничиваются свойствами канала записи-воспроизведения. Как и в случае механической аналоговой записи, дальнейшее улучшение параметров сопровождается непропорционально большими затратами, ведущими к резкому повышению цен на аппаратуру. Все это говорило о том, что развитие звукозаписи находилось на таком уровне, когда нельзя добиться существенного улучшения качества записи с одновременном уменьшении магнитной ленты, используя традиционные методы аналоговой магнитной звукозаписи. Именно эта причина побудила перейти к цифровой записи звука на магнитной ленте.

История магнитной цифровой звукозаписи началась в 1965 года, когда японской радиовещательной корпорацией NHK были начаты исследования, а в 1967 году были проведены опыты по цифровой звукозаписи. Данные работы получили широкую оценку, и было признано целесообразным, продолжать исследования в этом направлении.

В 1970 году началось ускоренное внедрение цифровой звукозаписи в студиях. В основном это были модифицированные видеомагнитофоны формата U-matic с лентой шириной 19 мм. В том же году в ряде стран была начата разработка цифровых магнитофонов с неподвижными головками, обладающих повышенной надежностью по сравнению с видеомагнитофонами благодаря низкой скорости движения ленты относительно головки.

В 1975 году фирмой Sony начаты работы по исследованию возможности цифровой записи звука на бытовой видеомагнитофон. Что позволило на бытовой видеомагнитофон записывать вместо видеопрограммы высококачественную звуковую программу. В 1977 такая приставка, получившая название ИКМ-процессора, поступила в продажу. Через год был выпущен ИКМ-процессор, предназначенный для профессионального использования.

Комбинация из ИКМ процессора и видеомагнитофона получила широкое распространение в профессиональной и полупрофессиональной сфере. Но широкого бытового распространения система не получила. С одной стороны высокая стоимость, с другой большой расход дорогой видеоленты для звукозаписи. Кроме того, большая кассета формата VHS позволяет создавать только стационарные, но не портативные магнитофоны, имеющие наибольшую популярность. Возникла необходимость создания такой системы магнитной цифровой записи, которая обеспечила существенный скачок в уменьшении расхода ленты, а значит, и размеров кассеты при реализации всех преимуществ, какие дает цифровая звукозапись.

В июне 1983 года состоялась конференция по системам цифровой магнитной записи бытового применения. Непременным условием для создания новой системы ставилось значительное уменьшение расхода ленты и размеров кассеты по сравнению с компакт-кассетой. В работе конференции приняла участие 81 фирма, из которых 60 японских. Для выработки требований к системе были созданы две рабочие группы, задачей которых была разработка этих требований к цифровым магнитофонам со стационарной (S-DAT) и с вращающимися (R-DAT) головками.

Цифровая система звукозаписи требует представления входного аналогового сигнала в цифровом виде, а выходного цифрового сигнала - в аналоговом. Преобразование аналогового сигнала в цифровой называется аналогово-цифровым преобразованием, а устройство осуществляющее это преобразование - аналогово-цифровым преобразователем (АЦП). При преобразовании непрерывный аналоговый сигнал переводится в ряд дискретных отсчетов, каждому из которых ставится в соответствие число, характеризующее аналоговый сигнал в этой точке с определенной точностью. Числа, соответствующие отсчетам, переводятся в двоичную систему счисления для представления сигнала в цифровом виде.

Точность представления сигнала зависит от разрядности АЦП. Переход от дискретного сигнала к цифровому, т.е. операция квантования осуществляется в общем случае с ошибкой. Погрешность квантования зависит от разрядности АЦП.

Число уровней квантования и число двоичных разрядов АЦП определяют динамический диапазон преобразования. Динамический диапазон (в дБ) от числа разрядов АЦП или ЦАП определяется выражением:

D=6n + 1,8;

где n - число двоичных разрядов.

Задаваясь требуемым динамическим диапазоном цифровой системы звукозаписи, можно определить необходимое число разрядов преобразования. Чтобы исключить все проблемы, связанные с искажениями и шумами квантования, желательно иметь 18-разрядные ЦАП и АЦП. При этом динамический диапазон составит 110 дБ, а шумы квантования и искажения окажутся за порогом слышимости. Но увеличение разрядности АЦП требует повышения скорости передачи цифрового сигнала, а это, в свою очередь, требует расширения полосы частот записи. К тому же техническая реализация 18-разрядных преобразователей достаточно сложна. С учетом психофизиологических факторов восприятия звуковой информации достаточным является значение динамического диапазона в 90 дБ, что обеспечивается 16-разрядным преобразователем.

Таким образом 14-16 разрядные АЦП и ЦАП позволяют решить задачу высококачественного преобразования аналогового сигнала. Наша промышленность АЦП и ЦАП такой разрядности широко не выпускает. Но не только это заставляет искать пути снижения количества разрядов преобразования, но и стремление к снижению объема запоминающих устройств и уменьшению скорости передачи информации. Такую возможность дает, например, дифференциальный способ преобразования, предусматривающий преобразование разности двух соседних отсчетов сигналов. Однако этот способ имеет существенные недостатки, один из которых - сложность восстановления исходного сигнала при появлении серии ошибок в процессе передачи или записи цифрового сигнала, поэтому он не нашел широкого практического применения.

Недостатки такой дифференциальной импульсно-кодовой модуляции можно в значительной степени устранить, воспользовавшись устройством, в котором в цифровую форму преобразуется сумма входного сигнала и усиленная разность входного сигнала и сигнала, восстановленного после цифрового преобразования.

Об выше написанном можно более подробнее прочитать в литературе [1]. В данной книге описан новый тип радиоэлектронной техники - цифровой звуковой магнитофон. Приведены сведения о принципах работы, схемотехнические и конструктивные особенности, технические и потребительские характеристики цифровых магнитофонов. В доступной и сжатой форме описаны цифровые методы обработки и представления информации. В книге рассказано о структуре и принципах работы цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей.

В литературе [2] рассмотрены основные требования к параметрам бытовых усилителей звуковой частоты и эквалайзеров, предназначенных для высококачественного воспроизведения музыкальных программ. Приведены основные технические характеристики и современные методы их реализации.

В литературе [3] приведены электрические параметры и эксплуатационные характеристики отечественных микроэлектронных цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей (ЦАП и АЦП). Подробно рассмотрены особенности развития и применения больших и сверхбольших микросхем ЦАП, АЦП и систем обработки информации. Рассмотрены принципиальные и функциональные схемы преобразователей, а также основные электрические параметры данных микросхем. Уделено внимание методам измерения контроля параметров преобразователей.

Приведен сравнительный анализ цифровых и аналоговых методов звукозаписи и показаны преимущества цифровых методов в литературе [4]. Еще в данной литературе рассмотрены специфические особенности, способы и форматы цифровой магнитной записи. Изложены вопросы коррекции, синхронизации и формирования воспроизведенных сигналов. Даны анализ и рекомендации по повышению эффективности систем цифровой звукозаписи, рассмотрены перспективы их развития и применения. Описана структура канала цифровой звукозаписи, основные особенности тракта магнитной записи-воспроизведения и дополнительные источники шумов и помех в этом канале. Рассмотрены способы цифровой магнитной звукозаписи, формирование сигналов и обработка воспроизведенных сигналов.

В литературе [5] приведены общие сведения о цифровых интегральных микросхемах и конструктивных особенностях. Описаны интегральные схемы транзисторно-транзисторной логики, наиболее распространенные цифровые интегральные схемы на основе КМДП-транзисторов, самые быстродействующие микросхемы на основе эмитарно-связанной логики. Одна из глав книги посвящена интегральной инжекционной логике. Приведены основные параметры рассматриваемых интегральных схем, которые сведены в таблицы по разделам. Для полного понимания работы микросхем среднего уровня интеграции во многих случаях приводятся их структурные схемы, а также принципиальные схемы основных элементов.

В литературе [6] рассматриваются современные и перспективные средства цифровой записи звука. Описываются принципы действия цифровых магнитофонов, комплектов цифровой записи звука на аналоговых видеомагнитофонах, устройств цифровой оптической записи и воспроизведения звука. Излагаются вопросы цифровой записи звука, электронного монтажа цифровых фонограмм, а также применение перспективной цифровой аппаратуры записи звука. Приводятся структурные и принципиальные схемы устройств и их отдельных узлов.

Изложение основных положений единой системы конструкторской документации (ЕСКД) приведено в литературе [9]. В данной книге также описаны общие правила выполнения схем, чертежей изделий, изготовляемых с применением электрического монтажа. Приведены условные графические обозначения электрических схем, что в значительной мере упрощает поиск нужной информации, а также черчение схем.

В литературе [7], [8] приведены электрические параметры, габаритные предельные эксплуатационные размеры и другие характеристики отечественных серийно выпускаемых интегральных схем широкого применения. Даны новые схемы включения, указаны зарубежные аналоги.

В литературе [10] рассматриваются вопросы цифровых (комбинационных и последовательностных на основе микросхем) и аналоговых (на базе операционных усилителей) устройств различного функционального назначения; методы синтеза этих устройств, используемых в инженерной практике. Приводятся программы по изучению ряда таких устройств.

Описание работы структурной схемы

Структурная схема цифрового канала звукозаписи изображена в приложении.

Источник информации, например, микрофон, формирует случайное сообщение. Сообщение подается на фильтр низкой частоты, который обрезает высокочастотную составляющую. Далее сообщение поступает на преобразователь источника, где преобразуется в случайную цифровую последовательность. В наиболее простом виде преобразователь источника представляет собой аналого-цифровой преобразователь. В более общем случае он является устройством для отображения выборок в слова, т. е. в последовательность цифр или символов. Преобразователь источника может быть предназначен, например, для уменьшения избыточности, почти неизменно присутствующей в необработанных данных.

Затем сообщение поступает на перекодер, который может и отсутствовать. Кодер тракта магнитной записи-воспроизведения предназначен для того, чтобы внести избыточность в передаваемое сообщение. Это позволяет правильно его опознать на приемном конце, несмотря на некоторые ошибки, которые могут произойти при передаче или при порче носителя информации.

Если кодированию подвергается каждый символ сообщения, то кодер называют поэлементным, если кодированию подвергается группа символов - групповым.

Страницы: 1, 2