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Sai come il ritardo di fase influisce sulla qualità del suono?
Nell'elaborazione del segnale, il ritardo di gruppo e il ritardo di fase sono funzioni che descrivono il tempo di ritardo di ciascun componente di frequenza sinusoidale di un segnale quando passa attraverso un sistema lineare tempo-invariante (come un microfono, un cavo coassiale, un amplificatore, un altoparlante, un sistema di comunicazione, ecc.). Sfortunatamente, questi ritardi tendono a dipendere dalla frequenza, il che significa che diverse componenti di frequenza sinusoidale subiscono ritardi temporali diversi. Di conseguenza, le forme d'onda del segnale vengono distorte mentre attraversano il sistema, il che può comportare una bassa fedeltà nel video e nell'audio analogico o tassi di errore di bit elevati nei flussi di bit digitali.
Sfondo
Secondo l'analisi di Fourier, un segnale può essere rappresentato dalla somma di componenti di frequenza sinusoidali con ampiezza e fase fisse. I sistemi lineari tempo-invarianti elaborano ciascuna componente sinusoidale in modo indipendente e le loro proprietà lineari fanno sì che soddisfino il principio di sovrapposizione.
Introduzione
Le caratteristiche del ritardo di gruppo e del ritardo di fase di un sistema lineare tempo-invariante sono funzioni della frequenza e descrivono il tempo di transito dei componenti di frequenza tra l'ingresso e l'uscita del sistema. Tali risposte di fase variabili sono comunemente osservate in una varietà di dispositivi come microfoni, amplificatori, altoparlanti, registratori, ecc.
Ritardo di fase
Il ritardo di fase misura direttamente il ritardo temporale di ciascun componente di frequenza sinusoidale di un dispositivo o sistema. Quando la funzione di ritardo di fase di una certa frequenza ha una relazione proporzionale costante all'interno dell'intervallo di frequenza considerato, il sistema avrà proprietà ideali di ritardo di fase piatta, cioè fase lineare.
Se il grafico del ritardo di fase devia da piatto, rivelerà differenze di ritardo temporale tra le singole componenti di frequenza sinusoidale del segnale e queste differenze causeranno la distorsione del segnale.
Ritardo di gruppo
Il ritardo di gruppo è una metrica utile per valutare la linearità della fase rispetto alla frequenza in un sistema modulato. Per i segnali modulati, l'informazione del segnale è completamente trasportata dai pacchetti d'onda.
Questo perché il ritardo di gruppo opera solo sui componenti di frequenza originati dall'inviluppo. Pertanto, un calcolo accurato del ritardo di gruppo e del ritardo di fase può riflettere le caratteristiche del ritardo temporale nella trasmissione del segnale.
Modulazione di ampiezza
Durante il processo di modulazione dell'ampiezza, le componenti di frequenza del segnale fondamentale vengono spostate su una gamma di frequenza più alta. Idealmente, il segnale di uscita è una versione ritardata del segnale di ingresso. Se il ritardo di gruppo del sistema interno è completamente piatto sulla gamma di frequenze di interesse, anche il ritardo di fase del sistema esterno sarà piatto, eliminando così la distorsione causata dalla risposta di fase.
Modulazione dell'angolo
Nei sistemi di modulazione angolare, come la modulazione di frequenza o la modulazione di fase, il segnale di modulazione viene analizzato in due canali indipendenti, ciascuno con la propria curva di inviluppo. Se il ritardo di gruppo di ciascun segnale di inviluppo è piatto, la qualità del segnale non sarà influenzata dalla distorsione.
Teoria
Secondo la teoria dei sistemi lineari tempo-invarianti, il segnale di uscita del sistema può essere determinato dalla convoluzione del segnale di ingresso e dalla risposta all'impulso del sistema. Questa relazione matematica descrive chiaramente le caratteristiche di risposta del sistema a diverse frequenze.
Risposta del sistema LTI ai pacchetti wave
Se un sistema è guidato da un pacchetto d'onda costituito da un'onda sinusoidale e un inviluppo di ampiezza, il segnale di uscita mostrerà gli effetti del ritardo di gruppo e del ritardo di fase. L'esistenza di questi ritardi fa sì che la forma d'onda del segnale cambi durante il processo di trasmissione, influenzando così la qualità del suono finale in uscita.
Definizione matematica di ritardo di gruppo e ritardo di fase
Il ritardo di gruppo e il ritardo di fase sono funzioni dipendenti dalla frequenza che possono essere calcolate da sfasamenti non confezionati. Il ritardo di gruppo e il ritardo di fase a frequenze specifiche possono influenzare il ritardo complessivo del sistema, che è fondamentale per la trasmissione del segnale.
Come sappiamo, il ritardo di fase e il ritardo di gruppo sono indicatori molto importanti nell'elaborazione del segnale. Non solo influenzano la qualità del segnale, ma creano anche diverse esperienze di qualità del suono nelle applicazioni pratiche. Quindi, hai mai notato l'effetto di ritardo dietro diverse qualità del suono?
