Дискретизация, квантование, кодирование

Размещено на http://www.allbest.ru/

Дискретизация, квантование, кодирование

Аналоговый сигнал

Любые способы технической регистрации и передачи информации, которые существовали в докомпьютерную эру и продолжают успешно функционировать, основаны на аналоговых технологиях. Эти устройства называются аналоговыми, потому что уровни оригинального сигнала, например звука, похожи на уровни электрического тока, с помощью которого сигнал передается (один сигнал «аналогичен» по форме другому). Если выразиться максимально обобщенно, то непрерывные значения одного сигнала задаются непрерывно изменяющейся физической величиной другого сигнала.

Поэтому аналоговую технологию отличает, прежде всего, непрерывный континуум информации (в процессе передачи нет дискретных элементов, нет разрывов, даже в моменты «тишины»). Примерно также непрерывно мы воспринимаем информацию с помощью органов зрения или слуха.

Передача звука состоит в том, что в микрофоне под влиянием колебаний воздуха мембрана колеблется и «трясет» пьезоэлемент, в котором механическое воздействие создает электрический потенциал. В цепи появляется ток, уровень которого соответствует уровню звука в данный момент. Таким образом, с помощью микрофона звуковые волны преобразовываются в электрические сигналы.

Когда сигнал достигает телефона, он вызывает колебание другой мембраны: она притягивается или отталкивается электромагнитами, тем самым создавая колебания воздуха, а следовательно, обеспечивая условия восприятия звука человеком. Характерно, что ухо человека воспринимает такой сигнал практически неотличимо от ситуации, если бы источник звука располагался в непосредственной близости.

В процессе преобразования естественного сигнала в электрический, а затем электрического снова в естественный, форма сигнала сохраняется аналогичной исходному.

Достоинством аналогового способа передачи информации является ее естественность и непрерывность, т.е. способность в данный момент максимально полно представлять непрерывный поток поступающей информации.

У аналогового принципа передачи информации есть существенные недостатки, из которых следует упомянуть два наиболее важных: способность к затуханию и чувствительность к помехам.

Затухание аналогового сигнала.

Когда сигнал передается по линии связи, он представляется в форме электрического тока. А поскольку в любых проводниках существует сопротивление, которое необходимо преодолевать, вследствие этого неизбежного процесса сигнал постепенно затухает. В результате через определенное расстояние на устройстве воспроизведения полезный сигнал заметно уменьшается или вовсе снижается до уровня шума.

Поэтому электрический сигнал требует регулярного усиления в пунктах, далеко отстоящих от уровня своего полного затухания.

Человеческий голос, также преодолевая сопротивление воздушной среды, не может распространяться бесконечно. Поэтому, если требуется передача сигнала голосом, то можно, например, выстроить цепочку людей на таком расстоянии друг от друга, которое бы обеспечивало «слышимость», исключающую ситуацию «испорченного телефона». Впрочем, голос - очень ненадежный источник сигнала, чаще используют зрительные сигналы: флажки, фонари, семафоры или светофоры. Примерно такая же идея положена в устройство телефонных линий. Когда вы говорите в трубку дома, и, скажем, в Самарканде вас прекрасно слышат, то это вовсе не потому, что вы так громко кричите. Понятно, что сигнал на пути в несколько сотен километров периодически усиливается, предотвращая естественное затухание.

Чувствительность к помехам

Когда форма сигнала в каждый данный момент изменяется, всевозможные помехи (среди них наиболее характерны атмосферные или индустриальные - работа мощных станков или даже систем зажигания автомобилей, а также собственные шумы системы) в процессе передачи постоянно влияют на характер сигнала. В результате форма сигнала искажается, что препятствует «чистой» передаче.

Влияние помехи на условный синусоидальный сигнал, который в результате сложения совокупности частот изменяет свою идеальную форму, что, безусловно, придает «звучанию» иную (дополнительную) тембральную окраску.

Влияние помехи на передаваемый сигнал (а - полезный сигнал, b - излучение помехи, с - сумма колебаний, т.е. сигнал с помехой)

Если не очень по душе пример с абстрактными волнами, стоит представить, как влияют на различение звуков голоса порывы ветра или помехи в телефонной трубке.

Проблемы копирования. Причина потери качества.

Затухание и подверженность к помехам, помимо уже упомянутой необходимости усиливать сигнал, имеют еще одно весьма неприятное следствие. А именно, при каждом копировании аналоговой информации ее качество довольно резко ухудшается. Эффект накопления искажений, присущий всем аналоговым системам, ограничивает количество перезаписей, которые могут быть сделаны на аналоговом аудио - и видеомагнитофоне, буквально несколькими копиями.

Схема «оригинал - копия 1», «копия 1 - копия 2», «копия 2 - копия 3», «копия 3 - копия 4» и т.д. не работает после определенного, причем очень небольшого, числа этапов. При этом всем ясно, что каждая последующая копия по качеству заметно хуже предыдущей.

Поэтому в аналоговых системах копирование информации происходит по другой схеме: «оригинал - копия 1», «копия 1 - копия 2», «копия 1 - копия 3», «копия 1 - копия 4» и т.д. Тем самым обеспечивается следующее условие: между источником информации и конечным его потребителем должно быть как можно меньше промежуточных этапов, т.к. каждый из них неизбежно вносит свои помехи и погрешности.

Такой порядок, безусловно, сдерживает копирование и распространение информации «цепочным» способом. Причем следует заметить, что этот недостаток является принципиальным и, как говорится, «исправлению не подлежит».

Если отбросить очень сложные технические подробности, причина состоит в том, что исходное (эталонное) состояние передаваемой аналоговой информации не фиксируется. По линии связи распространяется такой сигнал, который реально существует в каждый данный момент. И усилители «поднимают» сигнал не до исходного уровня, а лишь увеличивают его в том виде, какой до них «дошел». Если, например, вместо полезного сигнала до усилителя докатился треск и шум, то он вынужден усиливать и их или только их.

Если передается, допустим, конкретный звуковой сигнал с определенной громкостью и если в момент воспроизведения уровень тока ниже, чем тот, при котором была произведена передача, то громкость результирующего сигнала сможет настолько снизиться, что тихие звуки совсем пропадут (хотя сигнал может и вовсе исчезнуть). При этом нет никакой практической возможности убедиться, что сигнал не соответствует исходному (может быть, и в самом деле передаваемые звуки должны быть тихими или в это время «передается» пауза). Разумеется, если бы была какая-либо техническая возможность в самом начале сохранить данные о том, какими должны быть передаваемые сигналы, а на входе в другое устройство можно было проверить, соответствуют ли они этой информации (идеальному сигналу), то только тогда можно гарантировать их абсолютно точное воспроизведение.

В этом заключается суть принципиального ограничения, которое невозможно каким-либо способом преодолеть. Передаваемая аналоговая информация представляет собой непрерывный континуум непрерывного сигнала. При этом сигнал в каждый данный момент ни с каким эталоном не сравнивается, а только соотносится (в нашем восприятии) с предыдущим уровнем сигнала.

Особенности аналоговых сигналов.

Аналоговый сигнал можно сравнить с мелодией - повышением и понижением голоса. Мелодия может сохраняться на более высоких или более низких тонах, если отношение тонов относительно друг друга будет соблюдаться. Поэтому перед выступлением камерные певцы, учитывая состояние своего голоса, договариваются с концертмейстером об уровне (тональности) исполнения. Аналоговый способ передачи информации обладает важными достоинствами: соответствием исходному сигналу, непрерывностью, отсутствием необходимости хранить информацию о сигнале. Но у аналогового способа существуют и не менее значительные недостатки: подверженность помехам и способность к затуханию.

Представление об аналоговых сигналах необходимо иметь хотя бы потому, что в объективной реальности это, видимо, единственный способ передачи какой бы то ни было информации. Все органы чувств человека имеют дело с аналоговыми сигналами. Любая информация, используемая в технических системах, также начинается и заканчивается аналоговым сигналом.

И даже те технические устройства, которые связывают обычную информацию с цифровыми технологиями, также требуют знания принципов аналоговой передачи и, следовательно, в дальнейшем преобразования их в цифровую форму. Изложенной выше информации достаточно для представления сущности аналоговых сигналов.

Цифровой сигнал

1. Импульсный сигнал. Преодоление затухания.

Другим принципом передачи и записи информации является импульсная форма сигнала. Эта форма получила такое название потому, что сигнал передается короткими одинаковыми импульсами тока. В каждый данный момент ток может иметь два уровня.

Справка. Слово «импульс» (от латинского слова «impulsus», что переводится как «удар» или «толчок») в отношении электрических сигналов означает кратковременное отклонение напряжения или силы тока от некоторого постоянного значения.

Такой способ передачи сигналов дает возможность преодолеть указанные выше недостатки аналогового сигнала.

2. Преодоление затухания

Стоит заметить (не касаясь технических подробностей), что значительный диапазон между двумя уровнями сигнала (или даже между наличием и отсутствием сигнала) создают условия, уменьшающие затухание и повышающие различение сигналов, например в случае общего понижения напряжения в сети.

В самом деле, довольно основательный запас «прочности» позволяет устройствам приема, передачи и воспроизведения легко «разобраться», какой из уровней в данный момент поступает в обработку. Кроме того, эти два уровня имеют заранее известные (стандартные) значения, которые не трудно проконтролировать и легко восстановить.

3. Возможность контроля сигнала

Если импульсный сигнал сравнивать с аналоговым сигналом (для которого характерно непрерывное и разнообразное изменение уровня тока), может сложиться впечатление полной скуки, поскольку по такому сигналу нельзя получить никакой даже приблизительной информации о сигнале: громкий он или тихий, быстрый или медленный, с повышающимся или понижающимся тоном и т.д. Однако не стоит делать опрометчивых выводов. У скучных импульсов есть одно весьма существенное преимущество: импульсы можно сосчитать! Поэтому такой вид называют еще импульсно-цифровым способом передачи информации. (Понятно, что при всех красотах аналоговые «извивы» сосчитать невозможно).

В начале посылки совокупности таких сигналов можно указать количество импульсов и, тем самым, проконтролировать достоверность передачи. Если в результате передачи их количество не совпадает, происходит повторная передача. И, следовательно, сигнал не может потеряться или измениться, т.к. всегда имеется возможность проверить исходное состояние.

Если же, например, на линии происходит сбой и в какой-либо период времени передача невозможна, то при ее восстановлении совокупность сигналов повторяется.

4. Ограниченные возможности копирования.

Самые впечатляющие преимущества импульсного способа передачи связаны с копированием информации. Вспомним схему копирования аналоговой информации и сравним ее со схемой копирования при импульсном способе передачи информации, которая имеет следующий характер: «оригинал - копия 1», «копия 1 - копия 2», «копия 2 - копия 3», «копия 3 - копия 4»,…, «копия 999 - копия 1000» и так до бесконечности. В самом деле, любая копия, даже если она сотая, а может быть, и миллионная, абсолютно идентична оригиналу. Почему? Потому что копирование состоит в передаче относительно простых и (главное!) сосчитанных импульсов.

Впрочем, у этого потрясающего достоинства есть и неприятные последствия, т.к. оно представляет идеальную почву для пиратства и присвоения чужой интеллектуальной собственности.

5. Общая характеристика импульсного сигнала

Импульсный способ передачи информации интересен прежде всего тем, что обладает важными достоинствами:

ь устойчивостью к затуханию и помехам;

ь возможностью контроля передаваемого сигнала на его соответствие исходному сигналу.

Даже этих свойств достаточно, чтобы понять, почему импульсная природа взята в качестве основы компьютерных технологий.

Пример-метафора

Этап передачи между АЦП и ЦАП - это импульсно-цифровой этап, или короче цифровой. В самом деле, с помощью последовательности импульсов передаются некие числа, которые представляют собой не сигнал как таковой (например, звук или изображение), а только его шифрованную форму (коды). Проще говоря, любая информация, которая передается последовательностью совершенно одинаковых импульсов, не может быть «аналогичной» (совпадать по форме) исходной. Совокупность импульсов - это последовательность кодов.

На первый взгляд, усложнение схемы двумя дополнительными устройствами может показаться большим недостатком. На самом деле, в этом кроется колоссальное достоинство, которое всегда несет с собой унификация, особенно в технических системах и на производстве.

Стоит сравнить перевозку разнообразных предметов индивидуально и унифицировано. Одно дело - каждой вещи создавать свою особенную упаковку, совсем другое - предусмотреть один-два стандартных ящика, которые легко складировать, перемещать и учитывать. Особенно стоит обратить внимание на возможность «учета». В свое время мы об этом вспомним.

Компьютерные технологии не обладают органами чувств и мышлением, которыми природа снабдила человека. Для их функционирования требуется самый простой и однообразный вид сигнала, каковым является импульсный.

Импульсный сигнал характеризуется прежде всего тем, что одинаковые импульсы нетрудно сосчитать и передать их количество вместе с информационным сигналом. Это позволяет абсолютно достоверно осуществлять копирование информации.

Далее, каким образом происходит кодирование самых разных форм информации, откуда эти коды берутся, как мы их можем получать, доставлять и использовать, т.е. рассмотреть в предельно популярном виде основы кодирования.

Но прежде необходимо от технических вопросов передачи информации перейти к математическим основам кодирования.

6. Дискретизация аналогового сигнала.

Первое, на что стоит обратить внимание, это - изменение амплитуды вдоль одной оси. Можно условиться, что это ось времени (хотя в принципе это несущественно для абстрактного примера).

7. Разбиение на равные интервалы

В качестве первой операции необходимо разбить эту ось на определенные интервалы, возможно, это и будут интервалы по времени.

Цель такого разбиения проста - это единственный способ получения дискретных элементов, причем стоит обратить внимание, что применяется искусственный прием, который ранее мы определяли как «принудительная» дискретизация.

В самом деле, выбранные интервалы принципиально никак не учитывают содержание сигнала, а хладнокровно «режут по живому» - в этом суть процесса «принудительной» дискретизации.

В данном конкретном случае дискретизация является линейной, т.к. используется всего одна координата (одна линия, вдоль которой происходит разбиение на равные интервалы).

В общем случае интервалы могут быть и разными, но тогда придется ответить на два вопроса: во-первых, как попасть в нужные, смысловые точки, а во-вторых, как передать с каждым дискретным интервалом значения разных длительностей. Не стоит забывать, что все указанные действия ориентированы на техническую реализацию. А техника «склонна» выполнять механические и однозначные действия.

Полученные интервалы очень полезно каким-либо образом «пометить», например пронумеровать с помощью натурального ряда чисел: 0, 1, 2, 3 и т.д.

Можем ли мы считать, что процесс дискретизации закончен? Отнюдь нет. Ведь кривая аналогового сигнала, подвергнутая «принудительной дискретизации», нисколько не изменилась, получить какие бы то ни было элементы пока не удалось.

В самом деле, только количества «дискретов», на которое разделяется сигнал, явно недостаточно. Поскольку в этом случае (по количеству «дискретов») могут казаться равными все сигналы одинаковой длины, ведь они составляются из одинакового количества «дискретных интервалов», хотя внутри интервалов сигналы будут абсолютно разными.

сигнал аналоговый импульсный помеха

Размещено на Allbest.ru