Digitale lydkilder

fiskerendk skrev: Sidebemærkning efter at have læst alt det her :) Giver det overhoved mening at snakke om Digitale signaler. Sidst jeg tjekkede var der INTET i denne verden der var digitalt.

Uddyb gerne?

fiskerendk skrev: Kampus skrev: fiskerendk skrev: Sidebemærkning efter at have læst alt det her :) Giver det overhoved mening at snakke om Digitale signaler. Sidst jeg tjekkede var der INTET i denne verden der var digitalt. Uddyb gerne?   Så gerne. 0 og 1 er jo kun et udtryk for om en bit er sat eller ej. En bit kan kun sættes på en måde og det er analogt via en spænding/lys eller andet analog.   En bit kan ej heller overføres digitalt hvordan vil man gøre det? ja man kan gøre det via "Digital"-kabel en spænding. Eller man kan gøre det via Optisk (Lys) som jo også er analog :).   Man kan endvidere overfører via Trådløst som jo er Frekvenser eller lyd om i vil :)   Så alt i alt, digitalt er kun et analog signal pakket ind i ekstra analoge informationer, sammenlignet med et brev. Du sender brevet (analog-signal) i en kuvert (header) hvorpå der er destination (modtager) og på bagsiden source (afsender) hvis man er heldig :) vægten (number of bytes) afspejler dit frimærke. Også har vi til sidst en checksum som et anbefalet brev :)

Det fatter jeg nada

fiskerendk skrev: Det kan vel ik være så svært at forstå :) der er intet i din eller min verden der er digital :)

Jo, det er der skam masser af ting der er. Alt hvad der er kvantiseret er digitalt, dvs. alt du kan tælle (1, 2, 3, 4 osv.). Et antal mennesker i et tog, antal biler på vejene osv.

fiskerendk skrev: hvordan vil du få digitalt til din øjne eller øre :) Alt hvad du ser og hører er jo analog.

Alt hvad du ser er digitalt. Fotoner er kvantefysisk afgrænsede kvanta energi, som elektroner i vore øjne absorberer. Deres individuelle energi (frekvens) måles af øjet og forstås i hjernen som et lysinput med en given farve (fotonens frekvens korreleres til en farve). Antallet af modtagne fotoner med den givne frekvens forstås som lysintensiteten af denne farve.

Det er målt, og anses for bevist, at der kun er helt bestemte energispring mulige i denne verden. Vores verden er på det kvantefysiske plan digital. Det er det analoge der ikke findes i virkeligheden. Vi mennesker opfatter så vores omverden analogt, og har beskrevet den sådan i årtusinder, fordi det er sådan verden opleves makroskopisk. Vi kan ikke se vores hånd bevæge sig i ryk, vi ser den flytte sig i en glidende bevægelse. Nutildags forstår vi den underliggende kvantefysik bedre, men den analoge model er stadig den vi tildeler vores dagligdag af rent praktiske årsager. Og så propper vi i nogle situationer en ny digital model ind over dele af vores verden som et endnu højere abstraktionslag. Keine hexerei.

fiskerendk skrev: Nu var min kommentar også bare ment som en sidebemærkning til alt det digital ævl og bævl som ingen alligevel kan bruge til noget. Det der må være afgørende er om man kan hører eller se forskel. Kan man ikke det må man antage at det er det samme.

Det er jo en holdning man kan tillægge sig, men hvorfor så deltage i en debat for folk der har truffet det valg at vi gerne vil fordybe os i det emne? At et fagområde er vanskeligt at forstå (for en given person) betyder ikke at det ikke findes.

"Digitalt" findes skam. At vi beskriver analog lyd digitalt er jo en abstraktion som gør nogle ting mulige som ellers ikke ville være mulige (eller som ville være særdeles vanskelige i hvert fald). Tænk bare på operationer som opbevaring af lyd (så vi kan høre det senere), transport af lyd (over store afstande), behandling af lyd (tillægge effekter, fjerne støj, uddrage specifik information etc.). Alt sammen noget der er meget sværere i det analoge domæne. Og så findes der rigtigt meget kvantiseret matematik (altså i det digitale domæne) som man kan benytte sig af. Det ækvivalente analoge matematik er meget kompliceret, både på papiret og for en computer at skulle regne på.

Der findes jo analoge computere, men de har masser af ulemper. En forstærker er eksempelvis en analog multiplikator/delefunktion - men den er jo ufattelig vanskelig (umulig) at lave lineær over hele frekvensspektret.

At det er vanskeligt at transportere og opbevare digital information betyder ikke at det vil være bedre at gøre det hele analogt. De analoge fejlkilder forsvinder jo ikke - tværtimod gør den digitale repræsentation informationsoverførslen mere robust (deterministisk). Men det kan godt gøres forkert, så modtageren misforstår den digitale datastrøm. Det kan man også med analog data.

Den digitale repræsentation gør den utællelige lydbølge tællelig, hvilket giver mange fordele men også nogle ulemper. Fidusen er at gøre ulemperne så små at vi mennesker ikke kan kende nok forskel på den digitale repræsentation til at kunne skelne den fra den originale analoge repræsentation. Det er ikke alle der mestrer den opgave lige godt.

Og jo, analog data er bestemt også forsinket. Her er det bare vanskeligt at vurdere hvor meget. Med digital data kan du beregne denne forsinkelse lettere.

Nu findes der så denne tråd, som er et indspark i den evigt gående debat om forskellene på digital data når det er forklædt på den ene eller anden facon. Dét er det hele den drejer sig om. Ikke om der bør være noget der hedder digitalt overhovedet. Det bør der naturligvis.

Mvh
Steen

Redigeret af Sschmidt - 15-Juli-2013 kl. 12:19

fiskerendk skrev: Sschmidt skrev: Jo, det er der skam masser af ting der er. Alt hvad der er kvantiseret er digitalt, dvs. alt du kan tælle (1, 2, 3, 4 osv.). Et antal mennesker i et tog, antal biler på vejene osv. Ikke helt rigtigt. Lad os blot tage en sinuskurve som er en enkelt lyd den bliver jo aldrig digital. En sinus lyd er jo uendelig og indeholder uendeligt mange punkter.

Ahh, det her bliver lidt vanskeligt. Det skal du ikke være ked af, det er fordi du ikke er så stærk i kvantefysikken. ;-)

Det følgende er helt off topic, men nu er jeg jo startet lidt på denne vej, så lad os tage et sidste skridt. Hvis ikke du tror på mine udsagn omkring den ikke-analoge verden, så må du selv lige give dig tid til at læse lidt op på kvanteteori, eller også tage mit ord for det. Det rækker alt for vidt at komme med beviser og henvisninger i dette forum;

Alt i denne verden er kvantiseret. En lydbølge er en såkaldt skalarbølge (til forskel fra en elektromagnetisk bølge som er en vektor-bølge). En egenskab ved skalarbølger er at de beskrives ved én enkelt parameter, nemlig bølgeamplituden, som i hvert enkelt punkt beskriver kompressionen af bølgemediet (i dette tilfælde luft). Kompression af et fysisk medie som luft kan kun ske i kvantiserede trin á minimum Planck-længde. Planck-længden (ca. 1,6x10^-35 m) er den mindste længde-enhed i vores verden, og fremkommer kort sagt ved at der er en øvre grænse for udbredelseshastigheden af lys. Hvis du kan godtage dette, kan du også se at lydbølgen ikke kan bølge kontinuert ("analogt") med dets medie, men derimod "stepper" frem og tilbage med mediet i trin á Planck-størrelse - luftens molekyler kan ikke ændre position med trin af kortere længde end dette, altså en kvantisering af bevægelsen. Det er ganske vist meget små steps (Planck-længden er ca. 10^20 gange mindre end diameteren af en proton), men ikke desto mindre har det den konsekvens at vores verden ikke er analog når du bevæger dig allerlængst ned.

Jeg vil ikke skrive mere om kvantefysik her, da vi afsporer debatten totalt ved det, og det var blot en ret underordnet sidebemærkning fra min side at vores verden faktisk ikke er analog. I alle de praktiske applikationer vi her taler om kan vi sagtens antage at vores verden er analog. Det er en tæt nok approksimation i hvert fald.

fiskerendk skrev: Det er derfor os mennesker der kvantisere lyden for at kunne genskabe den så godt som muligt og det gør vi ved at inddele kurven i punkter og gemme de værdier. F.eks. 16bit giver os muligheden for at inddele i alt 65536 værdier (2^16). Så ved 16bit kan vi i princippet få 65536 forskellige kurver eller lyde om du vil i sekundet. Dvs her har vi tilføjet tid (sekunder) og tilføjet antal værdier (kvanti). Som så betyder at vi kan genskabe denne lyd næsten som det oprindelig er.

Der er noget galt i dit billede af kvantisering. En 16-bit kvantisering af en analog kurveform giver dig ikke 2^16 punkter af denne kurve, det reducerer udvalget af muligheder for en given amplitude på et vilkårligt punkt af denne kurve til 2^16 forskellige værdier vs. det (næsten) uendelige antal mulige værdier amplituden af en analog kurve kan antage.

Der sker altså en forringelse af den oprindelige kurveform ved kvantisering. Denne forringelse kan udtrykkes bl.a. ved en stigning i den harmoniske forvrængning. Det er hvor præcist hvert af de 2^16 niveauer repræsenteres hver især, samt hvor præcist til hvilken tid man aflæser en given værdi, der afgør hvor stabil den digitale repræsentation forbliver hele vejen igennem kæden.

Der er altså to hovedkategorier af fejl når man laver A->D->A konvertering:

1) Hvilken kvantisering vælger man? Jo flere bit jo mindre potentiel afvigelse fra den analoge kurve.

2) Hvor stabil er den digitale repræsentation igennem den digitale kæde? Det er muligt at holde denne komponent 100% fejlfri, men det gøres ikke altid.

Det er punkt 2) ovenfor der er omgærdet med mest mystik, og det er her mange mennesker fejlagtigt antager at alt er helt i orden.

fiskerendk skrev: Og selvfølgelige har analog også forsinkelse og også sine ulemper. Den har bare ikke så mange forsinkelsesled og eller mulige fejlkilder.

Hvad bygger du det på? Lad os tage et eksempel hvor vi sammenligner analog vs. digital transport af et analogt lydsignal over en afstand på 1000 km. Jeg beskriver to løsningsmodeller med hver sine restriktioner; A) Signalerne skal holdes i det originale medium (luft) hele vejen, og B) Signalerne må gerne transporteres i en ledning undervejs.

A) Det analoge lydsignal transporteres akustisk fra en lydgiver til et øre 1000 km væk. Dette kræver en meget meget kraftig lyd for at signalet er hørbart 1000 km væk, da der er massiv dæmpning af signalet undervejs. Kan du forestille dig de fejlkilder der vil påvirke denne enorme, dæmpede, lydbølge undervejs igennem 1000 km luft? Dette analoge akustiske signal forsinkes ca. 49 minutter (givet ved transporttiden for lyd i luft under standardforhold).

Den digitale løsning; Alternativt optager man den analoge lyd, ved lydgiveren, med en meget præcis mikrofon. Så konverterer man den til et digitalt signal der transmitteres med laser til en modtager 1000 km væk. Ved modtageren afspilles signalet igennem en High-end DAC i et par high-end høretelefoner. Den digitale transport er 100% tabsfri, kun de to konverteringer fra lyd til lys og tilbage giver et beskedent fejlpotentiale. Forsinkelsen for det digitale signal er i øvrigt ca. 5 millisekunder (givet ved transporttiden for lys i luft under standardforhold + lidt konverteringstid).

B) Det analoge lydsignal optages ved lydgiveren med en meget præcis mikrofon, forstærkes op, og sendes som et analogt elektrisk signal via en tyk 1000 km lang ledning. Jeg vil antage ca. 2000 forstærkere er nødvendigt undervejs (for at minimere frekvensspredning), med hver deres fejlbidrag uden mulighed for at genskabe det originale signal (det er jo en egenskab ved det analoge signal, du ved ikke hvilken værdi det var meningen amplituden skulle være, du kan kun lave en så lineær forstærker som overhovedet muligt). Det analoge signal vil være forsinket ca. 1 sekund (hver af de 2000 analoge forstærkere vil nok bidrage med en forsinkelse på omkring 500 us + den elektriske transmissionstid på et par ms).

Det digitale signal sendes i stedet via en optisk fiber med 5 optiske forstærkere undervejs. Der er ingen nævneværdig forsinkelse i de optiske forstærkere, og det digitale signal genskabes i hver af dem 100% som det originale (her ved vi jo at amplituden altid enten er 0 eller 1-niveau, så det kan genskabes perfekt til forskel fra det analoge signal). Det digitale signal vil være forsinket ca. 5 ms ligesom under A.

I begge tilfælde oplever det digitale signal altså markant mindre forsinkelse og et langt mindre kvalitetstab. Men selv ved meget kortere transmissionsafstande er der ækvivalente problemstillinger - det digitale signal kan bibeholdes eksakt, imens der konstant vil akkumuleres et kvalitetstab i det analoge signal.

Kan der snart koges mere suppe herpå?

Mvh
Steen

Redigeret af Sschmidt - 15-Juli-2013 kl. 17:00

strandvasker skrev: Med andre ord, jeg kan save et kosteskaft over så det er 14 billiarder og 8 træatomer langt. Du kan save et tilsvarende kosteskaft over så det er 14 billiarder og 9 træatomer langt. Men ingen af os kan save et kosteskaft så det er 14 billiarder og 8,5 træatomer langt. Så på en måde er længden af vores oversavede kosteskafter "digitale" i trin af et træatoms bredde?

Dét er nemlig også et tilfælde af kvantisering ;-)

strandvasker skrev: Hvad angår det der med 65536 mulige lydstyrker ved et bestemt punkt i musikken, så er analoge opdelinger næppe meget bedre. Hvis man forestiller sig en alm. klassisk volumenknap på en forstærker, så kan den i teorien indstilles på uendeligt mange lydstyrker da den er trinløs. I praksis er potmeteret langt fra så trinløst da det er begrænset hvor god opløsning man kan opnå ved at trække en metalbøjle hen over en kulbane. I praksis vil en 16 bit, 65536 trins digital volumenknap nok være bedre opløst end et trinløst, analogt potmeter, også selvom den er trinbaseret.

Det "dårlige" kulbane-potmeter har nok nærmere den egenskab at det er noget nær umuligt at ramme den samme værdi igen, når først man er drejet væk fra den.

Men hvis vi lader volumen-potmeteret stå på én fast stilling, så vil den analoge musik kunne spille op og ned i langt flere forskellige niveauer end de 65536 som et 16-bit digitalt signal kan tilbyde. Dér er der en forskel.

Hvor lille en forskel det menneskelige øre så er i stand til at opfange er jo spørgsmålet (og dermed hvor få eller hvor mange bit kan vi klare os med i det digitale domæne), men her kommer der rigtigt mange fagområder i spil - bl.a. psykologi. Det er ikke ligemeget hvad bittene bliver brugt til.

Men denne tråd gik oprindeligt ikke på sammenligningen imellem analog og digital, men derimod på om digital X altid forbliver samme digital X :-) Og det gør det ikke nødvendigvis...

Mvh
Steen

Redigeret af Sschmidt - 16-Juli-2013 kl. 21:18

FLarsen skrev: Allan Olesen skrev: Kandersen skrev: Hvad er ægte digitalt? (og dermed uægte). Min egen hjemmelavede definition: Hvis det skal være ægte digitalt, må det analoge output efter D/A-converteren ikke kunne påvirkes af kvaliteten eller timingen af de enkelte bits. D/A-converteren skal populært sagt være ligeglad med, om den ser et stort eller lille 1-tal, om et 0 er helt rundt, og om de ankommer i den helt rigtige takt. 1-tallerne og 0'erne skal bare være tydeligt genkendelige som 1-taller og 0'er. Hvis 1 er 0,75 og modtageren ser det som 0 og ikke 1 har man en fejl læsning af niveauet men signalet er jo stadigt (ægte) digitalt.

Du svarer på noget andet, end jeg skrev. Jeg skriver ikke om fejllæsning. Faktisk skrev jeg helt specifikt "1-tallerne og 0'erne skal bare være tydeligt genkendelige som 1-taller og 0'er.". Hvis de fejllæses, er de ikke tydeligt genkendelige.

Jeg prøver igen:

1'erne og 0'erne i et digitalt signal gemmes og overføres som en eller anden analog værdi. Det kan f.eks. være et spændingsniveau eller længden af en fordybning på en CD. Denne analoge værdi har en eller anden tilladelig margen.

Lad os for eksempel antage, at et 0 er repræsenteret ved en spænding mellem 0,4 og 0,6 volt, og et 1-tal er repræsenteret ved en spænding mellem 0,9 og 1,1 volt. Et apparat, som ser en spænding indenfor disse grænser, skal kunne tolke spændingen korrekt som et 0 eller 1-tal. Det kan man i princippet gøre gennem uendeligt mange led. Men på et eller andet tidspunkt skal det omdannes til analog igen i en D/A-konverter.

En D/A-konverter skal kunne omdanne en talværdi bestående af en række 0'er og 1'ere til en analog spænding på udgangen. I princippet skal den give præcist samme spænding ud, uanset om alle 0'erne og 1'erne ligger i den høje eller den lave ende af deres tilladte interval. Men hvad nu, hvis noget af den indkommende spænding "flyder igennem" og påvirker udgangsspændingen?

For mange år siden så jeg f.eks. en hjemmebygget D/A-konverter, som sendte de enkelte bits ud parallelt på 16 ben som et digitalt spændingsniveau. Hvert af benene var koblet til modstande, som var arrangeret som spændingsdelere, så den lavest betydende bit gav et eller andet bidrag til den samlede udgangsspænding, den næstlaveste betydende bit gav et dobbelt så højt bidrag til den samlede udgangsspænding osv.

Denne implementation var rasende afhængig af, at de 16 ben havde et stabilt spændingsniveau, og at forholdet mellem spændingsniveauerne for 0 og 1 var som forventet. Da der i sidste ende sidder analog elektronik i den kreds, der paralleliserede de 16 bit, er det nærliggende at antage, at variationer i indkommende digitale spændingsværdier også påvirkede spændingerne på de 16 ben. Så er vi i hvert fald langt fra "ægte digitalt".

Derudover har vi timingsproblemet, som jeg omtalte, men det har du også selv nævnt i dit svar til Sschmidt, så der er vi vist på bølgelængde.


Redigeret af Allan Olesen - 17-Juli-2013 kl. 18:40