АЦП № 2. Как аналоговые сигналы становятся цифровыми данными: объяснение квантования и кодирования.

Плейлист «Аналогово-цифровое преобразование (АЦП) и цифро-аналоговое преобразование (ЦАП)». https://www.youtube.com/watch?v=w_YTNCOw-Is&list=PLFxhgwM1F4yy5tz-HjDezfo-xySBnbRgc&index=1 Для доступа к материалам этой презентации требуется подписка: Мне нужен презентационный материал. Отправил(а) мне письмо на адрес Technologies.Discussion@gmail.com Если вам нужен весь плейлист, напишите мне, и мы обсудим. Дайте мне немного времени, чтобы ответить. Спасибо. Представьте, что вы хотите создать цифровую мозаику прекрасного, непрерывно меняющегося заката. Сэмплирование — это как решать, как часто вы будете смотреть на закат, чтобы сделать снимок. Несколько взглядов (низкая частота дискретизации): вы упустите множество тонких изменений цвета. Итоговая мозаика будет прерывистой и неточной. Частые взгляды (высокая частота дискретизации): вы улавливаете практически каждое едва заметное изменение. Итоговая мозаика получается гладкой и очень детальной. Квантование похоже на выбор коробки с мозаичными плитками (цветовой палитры). Всего 4 цвета (низкая квантизация): вам нужно приблизить оранжевый цвет неба к «красному» или «жёлтому». Результат получается блочным и «постеризированным». 256 цветов (высокая квантизация): вы можете выбрать оттенок оранжевого, который гораздо ближе к реальному небу. Результат получается гладким и реалистичным. Кодирование — это процесс фактического размещения плиток на сетке в соответствии с вашими образцами и выбором цвета, а затем запись инструкций, чтобы кто-то другой мог воссоздать точно такую же мозаику. Дискретизация В двух словах: измерение амплитуды аналогового сигнала через регулярные промежутки времени. Что делает: делает «снимки» или «сэмплы» непрерывного сигнала. Аналоговый сигнал непрерывен во времени, то есть существует значение для каждого отдельного момента времени. Дискретизация выбирает конкретные, дискретные точки для измерения. Ключевой параметр: Частота дискретизации (или частота дискретизации) — количество отсчетов в секунду. Измеряется в герцах (Гц). Пример: Аудио компакт-диски используют частоту дискретизации 44 100 Гц, что означает, что звуковая волна измеряется 44 100 раз в секунду. Риск: Если частота дискретизации слишком низкая, высокочастотная информация теряется, и возникают искажения, называемые наложением спектров (например, колесо телеги на видео кажется вращающимся в обратном направлении). Правило: Теорема Найквиста-Шеннона гласит, что для точного представления сигнала частота дискретизации должна быть как минимум вдвое больше самой высокой частоты, присутствующей в сигнале. Квантование В двух словах: присваивание амплитуды каждого сэмпла ближайшему доступному уровню из конечного набора. Что происходит: в то время как сэмплирование работает со временем (созданием моментальных снимков), квантование работает с амплитудой (измерением высоты волны). Аналоговый сигнал имеет бесконечное число возможных значений амплитуды. Квантование округляет каждый сэмпл до ближайшей «ступеньки» на фиксированной «лестнице» значений. Ключевой параметр: Разрядность — определяет количество возможных уровней квантования. Формула: Количество уровней = 2ⁿ, где n — разрядность. Пример: 8-битное квантование обеспечивает 2⁸ = 256 возможных уровней. 16-битное квантование (используемое в аудио-CD) обеспечивает 2¹⁶ = 65 536 уровней — гораздо более высокое разрешение. Риск: Процесс округления вносит постоянную небольшую ошибку, называемую ошибкой квантования. Она проявляется в виде низкоуровневого шума, называемого шумом квантования. Чем меньше битовая глубина, тем более «разреженным» и неточным становится цифровой сигнал. Кодирование В двух словах: представление каждого квантованного значения в виде двоичного числа (битов). Что происходит: это последний шаг, на котором создается фактический цифровой поток данных. Каждому дискретному уровню на этапе квантования присваивается уникальный двоичный код (последовательность нулей и единиц). Как это работает: В нашем 8-битном (256-уровневом) примере самому низкому уровню амплитуды может быть присвоен двоичный код 00000000, следующему уровню — 00000001 и так далее, до самого высокого уровня 11111111. Кодер принимает каждый квантованный отсчет и выводит соответствующий ему двоичный код. Результат: длинная последовательность двоичных цифр (битовый поток), которую можно сохранить на цифровом носителе (например, на CD, SSD или жестком диске) или передать по цифровой сети.