Există o tendință puternică în electronică pentru înlocuirea circuitelor analogice cu algoritmi digitali. Conversia datelor este un exemplu excelent în acest sens. Luați în considerare proiectarea unui înregistrator digital de voce, un sistem care va digitiza un semnal vocal, va stoca datele în formă digitală, iar apoi va reconstrui semnalul pentru redare. Pentru a reda discursul inteligibil, sistemul trebuie să capteze frecvențele între aproximativ 100 și 3000 de hertzi. Dar, semnalul analogic produs de microfon conține, de asemenea, frecvențe mult mai mari, de exemplu până la 40 kHz. Abordarea forței brute este de a trece semnalul analogic printr-un filtru Chebyshev trece-jos cu opt poli la 3 kHz, apoi se eșantionează la 8 kHz. În celălalt capăt, DAC reconstituie semnalul analogic la 8 kHz, cu o zeroth order hold. Un alt filtru Chebyshev la 3 kHz este utilizat pentru a produce semnalul vocal final.

Figura 3-15 Trei opțiuni de filtru antialias pentru semnale codificate în domeniul timp.

Scopul este de a elimina frecvențele înalte (care vor produce alias pe durata eșantionării) în timp ce se reține simultan forma ascuțită a frontului (care transportă informația). Figura (a) arată un exemplu de semnal analogic ce conține fronturi ascuțite și o explozie (burst) de zgomot de înaltă frecvență. Figura (b) arată un semnal digitizat ce utilizează un filtru Chebyshev. În timp ce frecvențele înalte au fost efectiv eliminate, fronturile au fost puternic distorsionate. Filtrul Bessel, arătat în (c) oferă o netezire delicată a frontului în timp ce elimină frecvențele înalte. Figura (d) arată semnalul digitizat fără a folosi filtru antialias. În acest caz, fronturile au revenit perfect ascuțite; dar explozia de înaltă frecvență a produs alias în câteva eșantioane lipsite de sens.

Există multe beneficii utile în eșantionarea mai rapidă decât această analiză directă. De exemplu, imaginați reproiectarea înregistratorului de voce digital utilizând o rată de eșantionare de 64 kHz. Filtrul antialias are acum o sarcină mai ușoară: trece toate frecvențele de sub 3 kHz, rejectând toate frecvențele de peste 32 kHz. O simplificare similară apare și pentru filtrul de reconstrucție. Pe scurt, rata de eșantionare mai mare permite înlocuirea filtrelor cu opt poli cu rețele RC simple. Problema este că sistemul digital este înecat acum cu date de la rata de eșantionare mai mare.

Următorul nivel de sofisticare implică tehnici multirată, utilizând mai mult de o rată de eșantionare în același sistem. Funcționează astfel pentru exemplul înregistratorului de voce digitală. În primul rând, treceți semnalul vocal printr-un simplu filtru RC trece-jos și eșantionați datele la 64 kHz. Datele digitale rezultate conțin banda vocală dorită între 100 și 3000 hertzi, dar are și o bandă inutilizabilă între 3 kHz și 32 kHz. În al doilea rând, eliminați aceste frecvențe inutilizabile în software, utilizând un filtru trece-jos digital la 3 kHz. În al treilea rând, reeșantionați semnalul digital de la 64 kHz la 8 kHz prin aruncarea pur și simplu a fiecare șapte din opt eșantioane, o procedură numită decimare. Datele digitale rezultate sunt echivalente cu cele produse de filtrare analogică agresivă și de eșantionarea directă de 8 kHz.

Tehnicile multirată pot fi folosite și în partea de ieșire a sistemului din exemplul nostru. Datele de 8 kHz sunt extrase din memorie și convertite la o rată de eșantionare de 64 kHz, o procedură numită interpolare. Aceasta implică plasarea a șapte eșantioane, cu o valoare zero, între fiecare dintre eșantioanele obținute din memorie. Semnalul rezultat este un tren de impulsuri digital, care conține banda vocală dorită între 100 și 3000 hertzi, plus duplicări spectrale între 3 kHz și 32 kHz. Reveniți la Fig. 3-6a și b să înțelegeți de ce acest lucru este adevărat. Orice peste 3 kHz este apoi eliminat cu un filtru digital trece-jos. După conversia la un semnal analogic printr-un DAC, o rețea RC simplă este tot ceea ce este necesar pentru a produce semnalul vocal final.

Conversia datelor multirată este valoroasă din două motive: (1) înlocuiește componentele analogice cu software, un avantaj economic clar în producția produselor în masă și (2) poate atinge nivele mai ridicate de performanță în aplicații critice. De exemplu, sistemele audio compact-disc utilizează tehnici de acest tip pentru a obține cea mai bună calitate a sunetului. Această performanță crescută este rezultatul înlocuirii componentelor analogice (precizie 1% ), cu algoritmi numerici (precizie de 0,0001% față de eroarea de rotunjire). După cum s-a discutat în capitolele viitoare, filtrele digitale depășesc filtrele analogice de câteva sute de ori în zonele cheie.

Secțiunea următoare: Conversia datelor cu un singur bit