Bagaimana saya bisa 'meregangkan' sinyal dalam waktu menggunakan komponen analog?

9

Bagaimana suatu sinyal (mis. Sinyal radio analog) dapat 'direntangkan' dalam waktu, sehingga frekuensinya dibelah dua dan sinyalnya memakan waktu dua kali lebih banyak? Sangat mudah dilakukan di komputer, tetapi dapatkah ini dilakukan dengan komponen analog?

Transformasi yang saya cari sama dengan merekam kaset audio dan kemudian memutarnya dengan kecepatan setengah, jadi menerjemahkan sinyal input misalnya contoh sinyal input

untuk

contoh sinyal keluaran

(Ini berbeda dari apa yang dilakukan oleh penerima radio heterodyne: ia menggeser sinyal dari frekuensi tinggi ke frekuensi lebih rendah, tetapi sinyal masih membutuhkan jumlah waktu yang sama.)

Merekam dan membaca kembali dengan kecepatan lebih lambat akan menjadi salah satu cara untuk melakukan ini, tetapi itu akan membutuhkan komponen mekanis yang lambat dan tidak dapat menangani sinyal yang lebih cepat.

Latar Belakang: Saya tidak membangun apa pun yang saya perlukan ini, tetapi saya bertanya-tanya apakah sesuatu seperti multiplexing pembagian waktu dapat bekerja di era pra-digital atau apa yang diperlukan untuk membuatnya. Itu juga mengapa metode seperti merekam ke kaset dan memperlambat pemutaran tidak akan berhasil. Jika potongan-potongan sinyal multiplexing pendek, sistem mekanis sebuah kaset tidak akan mampu mengikutinya.

Sunting Hubungan dengan multiplexing pembagian waktu: Saya berpikir bahwa tdm dapat diimplementasikan dengan teknik seperti itu. Ambil dua sinyal kontinu, pisahkan menjadi (katakanlah) mikrodetik interval, peras setiap mikrodetik menjadi setengah mikrodetik (meningkatkan frekuensi), kemudian interleave segmen sinyal terjepit dari kedua aliran. Untuk mendemodulasi, balikkan proses dengan meregangkan interval ganjil atau genap.

analog signal-processing JanKanis
sumber
7
1. Bagaimana desain Anda memutuskan (di dunia nyata) jam berapa "t = 0"? 2. Apa pun jenis teknologi yang digunakan, menghasilkan output pada (misalnya) t = 100 memerlukan mengingat apa inputnya pada t = 50. Jadi dibutuhkan semacam memori. Dan memori tidak pernah terbatas. Jadi berapa lama Anda perlu ini bekerja sebelum kehabisan memori?
The Photon
1
Juga, saya tidak jelas bagaimana pertanyaan ini berhubungan dengan multiplexing pembagian waktu; dapatkah Anda mengatakan lebih banyak tentang mengapa menurut Anda ada hubungannya?
The Photon
25
Mainkan kembali dari kendaraan yang menjauh dari Anda di Mach 0,5.
Brian Drummond
1
Bandwidth audio layanan telepon tradisional ~ 3,3 kHz, dengan tingkat sampel Nyquist yang sesuai 6,6 kSps. Jika Anda melakukan TDM dengan divisi skala kami, selama Anda memberi setiap saluran slot setidaknya setiap 150 kami, sinyal dapat direproduksi secara langsung dengan penyaringan low-pass tanpa memerlukan ide peregangan waktu ini.
The Photon
2
Ada sistem radio di Jerman yang benar-benar menggunakan brigade ember untuk membuka "slot waktu" pendek dalam sistem analog. Ini menggunakan beberapa penerima dan pemancar yang disinkronkan untuk membangun jaringan radio yang sangat besar yang beroperasi pada pasangan frekuensi pengirim / penerima tunggal. Slot waktu digunakan untuk mengirimkan data operasi (kekuatan sinyal dan info lainnya) dalam pita dengan audio. Jika berhasil, Anda memiliki jangkauan yang luas tanpa mengubah saluran. Jika itu tidak berhasil, Anda masih memiliki cakupan, tapi itu terdengar seperti Anda mencoba berteriak melihat meja.
JRE

Jawaban:

16

Ada satu teknologi analog yang dapat digunakan untuk melakukan pekerjaan ... garis penundaan "ember brigade" CCD .

IS IS analog, tetapi memiliki banyak kesamaan dengan teknik digital dalam hal itu adalah sistem data-sampel.

Garis keterlambatan CCD pada umumnya memiliki kapasitor 512 atau 1024, dan jaringan CMOS beralih untuk menghubungkannya. Ini kira-kira berfungsi sebagai berikut:

  1. Isi daya satu kapasitor hingga tegangan pada pin input,
  2. Pegang tegangan itu, dan isi kapasitor kedua hingga tegangan yang pertama,
  3. Pegang tegangan itu, dan isi Cap 3 dari Cap 2 saat mengisi Cap 1 dari pin input.
  4. Ulangi, isi daya genap dari ganjil, dan ganjil dari genap, hingga sampel pertama muncul pada pin keluaran.

Gagasan umum adalah seperti barisan orang yang saling melempar ember, mencoba melawan api.

Pada titik ini, jika Anda ingin mengubah nada, Anda perlu menyimpan data baru ke dalam CCD kedua pada laju sampel input, sementara Anda mengosongkan yang pertama pada laju sampel baru (dalam kasus Anda, setengah dari laju jam asli) .

Karena CCD kedua penuh sedangkan yang pertama hanya setengah kosong, Anda sekarang memiliki masalah: Anda harus membuang beberapa data. Jika Anda memiliki lebih dari 2 garis keterlambatan CCD, Anda dapat "menyembunyikan" gabungan dengan memudarkan dari satu ke yang lainnya, sambil mengisi yang ketiga, tetapi itu bukan teknik yang sempurna.

CCD memiliki spesifikasi noise dan distorsi yang sangat buruk, bersama dengan semua masalah spektral dan aliasing dari audio digital, sehingga Anda tidak akan mendengar banyak tentang mereka di sisi ini pada tahun 1980.

Salah satu contohnya adalah SAD1024 (datasheet di sini) digunakan sebagai pitch shifter (dengan pitch yang terus bervariasi, alias flanger) di sini

Brian Drummond
sumber
Wow, itu temuan yang bagus!
peufeu
4
"Anda tidak akan mendengar banyak tentang mereka di sisi tahun 1980 ini." Seperti biasa, musisi memiliki preferensi yang tidak masuk akal dari sudut pandang EE. BBD tidak benar-benar diproduksi lagi, tetapi perangkat delay dan pitch yang dibangun di sekitar BBD masih sangat populer di kalangan musisi dan produser, sehingga BBD sendiri sangat dihargai. Setidaknya ada sepuluh atau lebih perangkat penundaan berbasis BBD yang cukup banyak tersedia dari pengecer alat musik, dan sebagai orang yang memiliki beberapa penundaan BBD dan beberapa model digital penundaan BBD, saya dapat mengatakan bahwa hal yang nyata lebih baik.
Todd Wilcox
1
Memang, gerakan "instrumen asli" dimulai dengan menciptakan kembali instrumen Abad Pertengahan dan Renaisans, suara gemilang dari karung dan kulit jagung, dan ... tampaknya beralih ke instrumen analog Moog dan Fairlight! Menilai dari harga yang saya lihat untuk SAD1024 di eBay kemarin, mungkin sudah waktunya untuk mencari-cari melalui kotak sampah saya ...
Brian Drummond
Mengapa Anda menyebutnya CCD bukan BBD? CCD adalah perangkat pencitraan khusus yang menggabungkan BBD dalam silikon.
OrangeDog
1
Karena Bucket Brigades biasanya diimplementasikan sebagai Perangkat yang Digabungkan Dengan Biaya. Dalam "sensor CCD", CCD bukanlah sensor pencitraan itu sendiri tetapi brigade ember yang digunakan untuk membacakan setiap baris pemindaian. Jenis analog Paralel Dalam Serial Out register geser (meskipun kapasitor juga dapat menjadi fotodetektor, saya tidak yakin). Nama CCD tentu saja lebih dulu digunakan dalam sensor gambar.
Brian Drummond
11

Saya sarankan merekam sinyal pada kaset dan memutarnya setengah kecepatan.

Saya tidak bisa mengikuti alasan mengapa itu tidak memuaskan Anda. Tentu saja Anda dapat menggunakan media lain (misalnya kabel, disk, dll.); prinsip dasarnya sama.

Jika tidak ada yang baik untuk Anda, Anda harus menentukan persyaratan lebih lanjut.

Dadih
sumber
Anda tidak dapat memiliki bagian rekaman yang sama pada satu kecepatan dan memutar pada kecepatan yang berbeda, jadi jika penanya ingin memproses secara waktu nyata, pita tidak akan bekerja sama sekali.
Todd Wilcox
2
@Todd Wilcox: tentu saja Anda bisa! Memutar ulang dengan kecepatan setengah hanya berarti bahwa kaset akan menumpuk di antara kepala rekaman dan kepala putar ulang (Tetapi Anda memiliki masalah yang sama dengan teknologi lainnya; bahkan teknologi digital: dalam hal ini memori akan penuh). Akibatnya, Anda harus berhenti merekam untuk sementara waktu, sementara pemutaran ulang berlanjut. Tapi inilah yang diinginkan OP. Selama perekaman, jeda dalam pembagian waktu multiplexing saluran lainnya aktif.
Curd
Hmm .. Poin bagus. Atau Anda dapat memiliki dua sistem pita dan beralih dari satu ke yang lain sementara yang pertama telah menghilangkan kendur.
Todd Wilcox
@Odd Wilcox: ya. Saya pikir pada kenyataannya lebih dari satu tape (per saluran) akan diperlukan karena akselerasi tidak dapat instan (tape / kawat / disk memerlukan beberapa waktu untuk mempercepat / memperlambat) ... tetapi semua pertimbangan tersebut menyangkut implementasi yang praktis dan Saya pikir pertanyaannya adalah murni teori.
Curd
5

Selain menembakkan roket yang bergerak dengan kecepatan setengah cahaya dan merentangkan sinyal yang diterima, Anda membutuhkan sesuatu yang menyimpan sampel dari apa yang Anda terima dan kemudian memutarnya kembali dengan kecepatan yang lebih lambat. Pada akhirnya ini berarti Anda tidak pernah mengejar apa yang semula ditransmisikan yaitu Anda harus menyimpan dan memutar ulang pada tingkat yang lebih lambat. Pita analog melakukan ini dengan baik tetapi jika Anda ingin ini dalam bentuk IC maka metode penyimpanan digital adalah cara terbaik.

Andy alias
sumber
2
Benar itu akan melanggar konservasi sesuatu, karena penumpukan informasi yang masuk :-)
vicatcu
Saya tidak tahu apakah saya melewatkan beberapa efek relativistik atau jika Anda hanya bermaksud mengetik setengah kecepatan suara.
jalalipop
2
@jalalipop: Saya pikir dia menyinggung merah / blueshift (efek doppler).
jbord39
Saya menyinggung itu.
Andy alias
4
Ups. Aku juga, tetapi karena suatu alasan aku menganggap gelombang suara. Saya punya perangkat keras RF yang berjalan di meja saya, tetapi saya lupa bahwa gelombang EM ada, doh
jalalipop
3

Ada cara untuk melakukan ini: pulsa laser 'kicau' dan serat kompensasi dispersi. Indeks bias serat (dan karenanya kecepatan di mana cahaya merambat ke serat tersebut) adalah fungsi dari panjang gelombang cahaya. Ini disebut dispersi karena menghasilkan pulsa sempit yang terdispersi dalam waktu. Serat kompensasi dispersi dirancang untuk memiliki dispersi negatif yang sangat tinggi sehingga dapat 'membatalkan' dispersi dengan panjang serat normal yang jauh lebih lama.

Mulailah dengan pulsa laser berkicau yang menyapu dalam panjang gelombang. Ini dapat dihasilkan dengan mengambil pulsa wideband yang sangat sempit dan mengirimkannya melalui panjang serat kompensasi dispersi. Kemudian amplitudo memodulasi denyut nadi dengan sinyal yang ingin Anda regangkan. Kemudian kirim pulsa termodulasi melalui sepotong panjang serat kompensasi dispersi yang bagus.

Ini benar-benar teknik untuk rentang waktu yang sangat singkat, membutuhkan beberapa km serat kompensasi dispersi untuk meregangkan pulsa dari beberapa detik ns. Dispersi dalam serat kompensasi dispersi biasanya berada pada urutan -50 ps / nm / km.

alex.forencich
sumber
1
Lucu ... tetapi ingin memberi panjang pada serat yang Anda butuhkan untuk, katakanlah, milidetik dispersi?
Brian Drummond
1
Ini tidak ada relevansinya dengan pertanyaan sama sekali. "Kicau" akan mengonversi pulsa pita lebar berdurasi pendek menjadi sinyal yang memiliki nilai puncak-ke-rata-rata yang lebih kecil (dan kembali lagi), tetapi itu tidak akan mengompres waktu sinyal sewenang-wenang dengan cara apa pun yang dapat dipulihkan. Jika Anda mencoba untuk AM pulsa berdenyut, serat kompensasi akan mengubahnya menjadi bentuk gelombang sempit di mana informasi aktual dikodekan dalam "noise" yang datang sebelum dan sesudah pulsa utama. Sama sekali tidak berguna untuk TDM.
Dave Tweed
2
Ini sebenarnya adalah teknik nyata yang memiliki sejumlah aplikasi, lihat en.wikipedia.org/wiki/Time_stretch_analog-to-digital_converter , en.wikipedia.org/wiki/Serial_time-encoded_amplified_microscopy
alex.forencich
2

Benar-benar tidak ada koneksi ke TDM. Meskipun PSTN adalah digital sebelum TDM diadopsi, konsep yang sama bekerja dengan sampel analog.

Anda hanya perlu memilih tingkat sampel yang menangkap informasi yang Anda inginkan. Melanjutkan dengan contoh PSTN, itu akan menjadi tingkat sampel 8000 Hz, yang menangkap audio yang jatuh di kisaran 300-3400 Hz.

Untuk interleave N saluran suara, Anda memerlukan saluran komunikasi yang dapat menangani 8000 × N sampel / detik. Anda mengirim satu sampel dari masing-masing saluran suara, berturut-turut, dan kemudian memulai seluruh urutan lagi 1/8000 detik (125 μs) nanti.

Anda dapat mengambil sampel semua saluran suara secara bersamaan dan kemudian menunda sampel dengan sebagian kecil dari 125 μs berdasarkan nomor saluran mereka, atau Anda dapat dengan mudah menggeser fase pengambilan sampel untuk setiap saluran untuk memulai (yang merupakan peralatan PSTN yang paling banyak). tidak).

Intinya adalah, tidak perlu untuk "kompresi waktu" jika frame rate TDM cocok dengan laju sampel yang diperlukan untuk masing-masing saluran.

Dave Tweed
sumber
2

Ini benar-benar tidak dapat dilakukan analog. Sementara orang-orang telah membuang banyak ide yang rapi dan menarik, sirkuit analog pasif hanya dapat (1) fase pergeseran dan (2) menipiskan. Semua yang dapat mereka lakukan terbatas pada hal ini, yang dapat diekspresikan secara matematis oleh fungsi transfer (yang akan melipatgandakan semua informasi dalam domain frekuensi dengan fungsi kompleks yang menggeser sudut dan melemahkan amplitudo).

Jika Anda menggunakan amplifikasi sebagai tambahan aktif analog, jelas Anda juga dapat meningkatkan beberapa frekuensi - tetapi sebenarnya hanya itu yang Anda dapatkan lebih dari itu.

Ada ide-ide seperti brigade ember, tetapi seperti yang disebutkan ini benar-benar digital (atau setidaknya kuasi-digital). Di masa lalu, gagasan untuk merekam dengan satu kecepatan pada kaset dan memutar dengan kecepatan setengah benar-benar satu-satunya pendekatan praktis.

Hal semacam ini jauh lebih mudah dilakukan secara digital. Namun, bahkan di sana, Anda harus jelas tentang apa yang Anda inginkan. Jika Anda ingin memulai pada t = 0 dan merentangkan sinyal yang menuju ke t = 1 dan membuatnya keluar dua kali dari waktu pada waktu awal yang sama (jadi, output 0

eSurfsnake
sumber
3
Perhatikan bahwa "analog" tidak selalu menyiratkan LTI (linear, time-invariant). Pernyataan Anda berlaku untuk yang terakhir, bukan yang pertama.
Dave Tweed
1
Anda terlihat seperti memposting sebagian kalimat.
wizzwizz4
1
@ DaveTweed: Katanya komponen analog pasif . Transistor umumnya dianggap aktif, bukan? Saya kira pada skala yang cukup kecil hampir semua hal akan perilaku aneh, tetapi untuk tujuan praktis apakah dia benar tentang komponen pasif yang memiliki batasan ini?
user541686
1
Data sampel tidak menyiratkan digital maupun "quasi-digital" (apa pun artinya). Meskipun benar bahwa sebagian besar sistem digital adalah sistem data sampel, kebalikannya belum tentu benar. Dan pertanyaannya tidak mengandung penyempitan pada komponen pasif.
Brian Drummond
Ya untuk Dave Tweed. Dalam kebanyakan kasus, ketika orang memikirkan hal-hal seperti ini, berpikir, itu adalah peregangan yang 'halus' atau semacamnya. Dan mereka berharap bisa melakukannya dengan sirkuit klasik. Saya mengabaikan ide-ide yang bukan LTI karena LTI memberikan intuisi nyata.
eSurfsnake
1

Tampaknya Anda sendiri yang memberikan jawaban terbaik. Anda menyatakan, "Ini mudah dilakukan di komputer." Yang Anda butuhkan adalah konverter AD yang "sesuai" untuk memberi makan sinyal ke komputer, dan kemudian konverter DA untuk memberi Anda sinyal terakhir. Komputer akan memberi Anda semua fleksibilitas yang mungkin Anda perlukan untuk memproses sinyal.

Guill
sumber