Como posso esticar um sinal no tempo usando componentes analógicos?

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Como um sinal (por exemplo, um sinal de rádio analógico) pode ser "esticado" no tempo, para que a frequência seja reduzida pela metade e o sinal demore o dobro do tempo? É simples de fazer em um computador, mas isso pode ser feito com componentes analógicos?

A transformação que estou procurando é o mesmo que gravar uma fita de áudio e reproduzi-la na metade da velocidade, traduzindo, por exemplo, um sinal de entrada

para

(Isso é diferente do que um receptor de rádio heterodino faz: muda um sinal de uma frequência alta para uma mais baixa, mas o sinal ainda leva a mesma quantidade de tempo.)

Gravar e ler em velocidade mais lenta seria uma maneira de fazer isso, mas isso exigiria componentes mecânicos lentos e não seria capaz de lidar com sinais mais rápidos.

Antecedentes: não estou construindo nada para o qual preciso disso, mas estou imaginando se algo como a multiplexação por divisão de tempo poderia funcionar na era pré-digital ou o que seria necessário para criá-la. É também por isso que um método como gravar em fita e desacelerar a reprodução não funcionaria. Se as peças de sinal multiplexadas forem curtas, os sistemas mecânicos de uma fita não seriam capazes de acompanhar.

Editar A relação com a multiplexação por divisão de tempo: eu estava pensando que o tdm poderia ser implementado com essa técnica. Pegue dois sinais contínuos, divida-os em intervalos de (digamos) microssegundos, aperte cada microssegundo em meio microssegundo (aumentando a frequência) e, em seguida, intercale os segmentos espremidos do sinal de ambos os fluxos. Para desmodular, inverta o processo esticando os intervalos ímpares ou pares.

analog signal-processing

— JanKanis
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1. Como o seu design decidirá (no mundo real) a que horas é "t = 0"? 2. Independentemente do tipo de tecnologia usada, produzir a saída em (por exemplo) t = 100 exige lembrar qual era a entrada em t = 50. Portanto, é necessário algum tipo de memória. E a memória nunca é ilimitada. Por quanto tempo você precisa disso para trabalhar antes de ficar sem memória?

— O fóton

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Além disso, não estou claro como essa questão se relaciona à multiplexação por divisão de tempo; você pode dizer mais sobre por que você acha que há uma conexão?

— O fóton

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Reproduza-o de um veículo se afastando de você em Mach 0.5.

— Brian Drummond

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A largura de banda de áudio do serviço telefônico tradicional é de ~ 3,3 kHz, com taxa de amostragem Nyquist correspondente de 6,6 kSps. Se você fizesse TDM com divisões na escala US, desde que você desse a cada canal um slot pelo menos a cada 150 nós, o sinal poderia ser reproduzido diretamente pela filtragem passa-baixo, sem a necessidade dessa ideia de alongamento de tempo.

— O fóton

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Havia um sistema de rádio na Alemanha que realmente usava uma brigada de baldes para abrir "intervalos de tempo" curtos em um sistema analógico. Usou vários receptores e transmissores sincronizados para construir uma rede de rádio muito grande que operava em um único par de frequência de transmissão / recepção. Os horários foram utilizados para transmitir dados operacionais (intensidade do sinal e outras informações) em banda com o áudio. Se funcionasse direito, você teria uma cobertura enorme sem mudar de canal. Se não funcionasse direito, você ainda tinha a cobertura, mas parecia que estava tentando gritar uma serra de mesa.

— JRE

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Existe uma tecnologia analógica que pode ser usada para fazer o trabalho ... a linha de atraso da "brigada de balde" do CCD .

É analógico, mas tem muito em comum com as técnicas digitais, pois é um sistema de dados amostrados.

Uma linha de atraso típica do CCD possui 512 ou 1024 capacitores em uma linha e uma rede de comutadores CMOS para interconectá-los. Funciona aproximadamente da seguinte maneira:

Carregue um capacitor até a tensão no pino de entrada,
Mantenha essa tensão e carregue o segundo capacitor até a tensão do primeiro,
Mantenha essa tensão e carregue a tampa 3 da tampa 2 enquanto carrega a tampa 1 do pino de entrada.
Repita, carregando pares de ímpares e ímpares de pares até que a primeira amostra apareça no pino de saída.

A idéia geral é como uma fila de pessoas passando baldes umas para as outras, para tentar combater um incêndio.

Nesse ponto, se você quiser alterar o tom, precisará armazenar novos dados em um segundo CCD na taxa de amostragem de entrada, enquanto esvazia o primeiro na nova taxa de amostragem (no seu caso, metade da taxa de clock original) .

Como o segundo CCD está cheio enquanto o primeiro está apenas meio vazio, agora você tem um problema: você precisa despejar alguns dos dados. Se você tiver mais de duas linhas de atraso do CCD, poderá "ocultar" as junções através do desbotamento de uma para a outra, enquanto preenche uma terceira, mas não é uma técnica perfeita.

Os CCDs têm especificações de ruído e distorção muito ruins, juntamente com todos os problemas espectrais e de aliasing do áudio digital, portanto você não ouvirá muito sobre eles neste lado de 1980.

Um exemplo é o SAD1024 (datasheet aqui) usado como um shifter de pitch (com pitch continuamente variável, também conhecido como flanger) aqui

— Brian Drummond
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Uau, essa é uma boa descoberta!

— peufeu 28/08

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"você não ouvirá muito sobre eles neste lado de 1980." Como sempre, os músicos têm preferências que não fazem sentido do ponto de vista de EE. Os BBDs não são mais fabricados, mas os dispositivos de delay e pitch construídos em torno dos BBDs ainda são muito populares entre músicos e produtores, portanto, os próprios BBDs são altamente valorizados. Existem pelo menos dez ou mais dispositivos de atraso baseados em BBD que são amplamente disponíveis nos varejistas de instrumentos musicais e, como uma pessoa que possui alguns atrasos no BBD e alguns modelos digitais de atrasos no BBD, posso dizer que o real é melhor.

— Todd Wilcox

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De fato, o movimento "instrumentos originais" começou com a recriação de instrumentos medievais e renascentistas, os sons gloriosos de sacos e cornetas e ... parece estar passando para os instrumentos analógicos Moog e Fairlight! A julgar pela serra preço I para uma SAD1024 no eBay ontem, talvez seja hora de vasculhar minha caixa de lixo ...

— Brian Drummond

Por que você está chamando de CCD em vez de BBD? Os CCDs são dispositivos de imagem específicos que incorporam um BBD em silício.

— OrangeDog

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Porque as brigadas de balde são normalmente implementadas como dispositivos acoplados a carga. Em um "sensor CCD", o CCD não é o próprio sensor de imagem, mas a brigada de balde usada para ler cada linha de varredura. Tipo de registro de deslocamento analógico Parallel In Serial Out (embora os capacitores também possam ser os fotodetectores, não tenho certeza). O nome CCD certamente antecede seu uso em sensores de imagem.

— Brian Drummond

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Eu sugiro gravar o sinal em uma fita e reproduzi-lo na metade da velocidade.

Não posso seguir a razão pela qual isso não satisfaz você. Claro que você pode usar outras mídias (por exemplo, fios, discos etc.); o princípio básico é o mesmo.

Se nada disso for bom para você, você precisará especificar mais os requisitos.

— Coalhada
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Você não pode ter o mesmo pedaço de fita gravada em uma velocidade e reproduzindo em uma velocidade diferente; portanto, se o solicitante quiser processar em tempo real, a fita não funcionará.

— Todd Wilcox

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@Odd Wilcox: é claro que você pode! A reprodução a meia velocidade significa que a fita se acumulará entre a cabeça de gravação e a cabeça de reprodução (mas você tem o mesmo problema com qualquer outra tecnologia; até mesmo com a tecnologia digital: nesse caso, a memória fica cheia). Como resultado, você terá que parar a gravação por um tempo, enquanto a reprodução continua. Mas é exatamente isso que o OP deseja. Durante essa pausa de gravação na multiplexação por divisão de tempo, o outro canal está ativo.

— Coalhada

Hmm .. Bom ponto. Ou você pode ter dois sistemas de fita e alternar de um para o outro enquanto o primeiro tem a folga removida.

— Todd Wilcox

@Odd Wilcox: sim. Eu acho que na realidade mais de uma fita (por canal) seria necessária, pois a aceleração não pode ser instantânea (fita / fio / disco requer algum tempo para acelerar / desacelerar) ... mas todas essas considerações são relativas a uma implementação prática e Eu acho que a pergunta é pura teórica.

— Coalhada

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Se o sinal for periódico, você sempre poderá usar um osciloscópio de amostragem .

Quero dizer, você pode usar qualquer ADC, desde que a janela de abertura e a instabilidade sejam pequenas o suficiente, mas você pediu analógico, então você terá que usar o amostrador de ponte de diodos antigo como os assistentes de antigamente ...

DC-14 GHz com peças de furo passante soldadas à mão .

Verifique a data, 1968;)

— peufeu
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Além de disparar um foguete que viaja à metade da velocidade da luz e, assim, estende o sinal recebido, você precisa de algo que armazene uma amostra do que você recebe e depois o reproduza mais lentamente. Em última análise, isso significa que você nunca alcança o que foi originalmente transmitido, ou seja, você precisa armazenar e reproduzir em uma velocidade mais lenta. Uma fita analógica faz isso muito bem, mas se você quiser isso na forma de IC, os métodos de armazenamento digital são a melhor maneira.

— Andy aka
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Direito violaria conservação de alguma coisa, porque o acúmulo de informações de entrada :-)

— vicatcu

Não sei dizer se estou perdendo algum efeito relativístico ou se você apenas digitou metade da velocidade do som.

— Jalalipop

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@jalalipop: Eu acho que ele está fazendo alusão ao vermelho / blueshift (efeito doppler).

— precisa saber é o seguinte

Estou aludindo a isso.

— Andy aka

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Opa Eu também estava, mas por alguma razão eu raciocinei que estava assumindo uma onda sonora. Eu tenho hardware RF correndo na minha mesa ainda Esqueci-me que as ondas EM existir, doh

— jalalipop

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Existe uma maneira de fazer isso: pulsos de laser 'chilrear' e fibra de compensação de dispersão. O índice de refração da fibra (e, portanto, a velocidade com que a luz se propaga pela referida fibra) é uma função do comprimento de onda da luz. Isso é chamado de dispersão, pois resulta na dispersão de pulsos estreitos no tempo. A fibra de compensação de dispersão é projetada para ter uma dispersão negativa muito alta, de modo que possa "desfazer" a dispersão de um comprimento muito mais longo da fibra normal.

Comece com um pulso de laser chilreado que varre no comprimento de onda. Isso pode ser gerado pegando um pulso de banda larga muito estreito e enviando-o através de um comprimento de fibra de compensação de dispersão. Em seguida, a amplitude modula o pulso sonoro com o sinal que você deseja esticar. Em seguida, envie o pulso modulado através de um bom pedaço longo de fibra de compensação de dispersão.

Essa é realmente uma técnica para escalas de tempo muito curtas, exigindo vários quilômetros de fibra de compensação de dispersão para esticar pulsos de alguns 10s de ns. A dispersão na fibra de compensação de dispersão é geralmente da ordem de -50 ps / nm / km.

— alex.forencich
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Bonito ... mas cuidado em colocar um comprimento na fibra que você precisa para obter, digamos, um milissegundo de dispersão?

— Brian Drummond

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Isso não tem nenhuma relevância para a questão. O "chilrear" converterá um pulso de banda larga de curta duração em um sinal que tenha um valor menor do pico à média (e vice-versa), mas não comprimirá um sinal arbitrário de maneira recuperável. Se você tentar AM o pulso chirped, a fibra de compensação transformará isso em uma forma de onda estreita na qual a informação real é codificada no "ruído" que vem antes e depois do pulso principal. Não é de todo útil para TDM.

— Dave Tweed

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Essa é realmente uma técnica real que possui vários aplicativos, consulte en.wikipedia.org/wiki/Time_stretch_analog-to-digital_converter , en.wikipedia.org/wiki/Serial_time-encoded_amplified_microscopy

— alex.forencich em

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Realmente não há conexão com o TDM. Embora o PSTN fosse digital antes da adoção do TDM, o mesmo conceito funciona com amostras analógicas.

Você só precisa escolher uma taxa de amostragem que capture as informações desejadas. Continuando com o exemplo PSTN, seria uma taxa de amostragem de 8000 Hz, que captura o áudio que cai no intervalo de 300 a 3400 Hz.

Para intercalar N canais de voz, você precisa de um canal de comunicação capaz de lidar com 8000 × N amostras / segundo. Você envia uma amostra de cada um dos canais de voz, em sucessão, e depois inicia a sequência inteira novamente 1/8000 segundos (125 µs) depois.

Você pode amostrar todos os canais de voz simultaneamente e atrasar as amostras em uma fração de 125 µs, de acordo com o número do canal, ou pode simplesmente mudar a fase da amostragem de cada canal para começar (que é o que a maioria dos equipamentos PSTN faz).

A conclusão é que não há necessidade de "compactação de tempo" se a taxa de quadros do TDM corresponder à taxa de amostragem necessária para os canais individuais.

— Dave Tweed
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Isso realmente não pode ser feito analógico. Enquanto as pessoas lançam um monte de idéias legais e interessantes, os circuitos analógicos passivos podem apenas (1) mudar de fase e (2) atenuar. Tudo o que eles podem fazer é limitado a isso, que pode ser expresso matematicamente pela função de transferência (que multiplicará todas as informações no domínio da frequência por uma função complexa que muda o ângulo e atenua a amplitude).

Se você optar pela amplificação como uma adição ativa analógica, obviamente também poderá aumentar algumas frequências - mas, na verdade, isso é tudo que você obtém.

Existem idéias como brigadas de balde, mas, como observado, isso realmente está se tornando digital (ou pelo menos quase digital). Antigamente, a idéia de gravar em uma velocidade na fita e reproduzir a meia velocidade é realmente a única abordagem prática.

Esse tipo de coisa é muito mais fácil de fazer digitalmente. Mesmo lá, no entanto, você precisa ser claro sobre o que deseja. Se você deseja iniciar em t = 0 e esticar um sinal que vai para t = 1 e fazer com que ele saia duas vezes mais ao mesmo tempo inicial (portanto, a saída 0

— eSurfsnake
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Observe que "analógico" não implica necessariamente LTI (linear, invariável no tempo). Suas declarações se aplicam ao último, não ao primeiro.

— Dave Tweed

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Parece que você postou parcialmente uma frase.

— Wizzwizz4

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@ DaveTweed: Ele disse componentes analógicos passivos . Transistores são geralmente considerados ativos, certo? Suponho que, em uma escala pequena o suficiente, qualquer coisa terá um comportamento estranho, mas, para fins práticos, ele está correto quanto aos componentes passivos que têm essa limitação?

— user541686

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Os dados amostrados não implica nem digital nem "quase-digital" (o que isso significa). Mesmo que seja verdade que a grande maioria dos sistemas digitais são sistemas de dados amostrados, o inverso não é necessariamente verdadeiro. E a pergunta não continha constrição para componentes passivos.

— Brian Drummond

Sim para Dave Tweed. Na maioria dos casos, quando as pessoas pensam em coisas como essa, pensamos que é um alongamento "suave" ou algo do tipo. E eles esperam fazê-lo com um circuito clássico. Eu encobri idéias que não são LTI, pois a LTI dá a verdadeira intuição.

— eSurfsnake 12/09

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Parece que você está fornecendo a melhor resposta a si mesmo. Você declara: "É fácil fazer isso em um computador". Tudo o que você precisa é um conversor AD "apropriado" para alimentar o sinal no computador e, em seguida, um conversor DA para fornecer o sinal final. O computador fornecerá toda a flexibilidade necessária para processar o sinal.

— Guill
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