Почему при использовании аналоговой техники передача. Почему аналоговая технология все еще жива в цифровом мире? Ностальгия по аналогу

Аналоговым называется сигнал, изменяющийся непрерывно. Самым распространенным является изменение во времени. На уровне макромира все сигналы об окружающем мире имеет аналоговый характер и именно в аналоговой форме они фиксируются соответствующими датчиками и преобразуются в сигналы другой природы, чаще всего в электрические. (Правда, из школьного курса известно, что в атомах все переходы происходят скачком, квантовано, но отдельные атомы к нашему рассмотрению не относятся).

В компьютере мы имеем дело с двоичным цифровым сигналом, который принимает только два дискретных значения, одному значению приписывается 0, а другому 1 .

В процессоре и оперативной памяти это соответствует наличию или отсутствию электрического заряда в элементарной ячейке памяти (или, что то же самое, наличию или отсутствию напряжения). Кстати, в компьютерах сигналу, где есть напряжение, приписывается значение 0, а отсутствие напряжение – это сигнал 1. Хотя на первый взгляд логичнее было бы наоборот.

На жестком диске 0 отвечает намагниченность участка диска в одну сторону, а 1 – в противоположную. На компакт дисках двоичный код вводится штамповкой углублений в пластмассе, а на записывающих дисках CD-R и CD-RW двоичный код образуется за счет потемнения информационного слоя под лучом лазера. А самая первая запись двоичного кода осуществлялась пробиванием отверстий в картоне. Есть отверстие – это 0 гладкая бумага – это 1.

То есть неважно, каким образом создается двоичный сигнал, лишь бы получилось два хорошо отличающихся друг от друга уровня.

Двоичный цифровой сигнал в природе не встречается, он создается человеком. Человеку удобно работать с информацией, записанной в цифровой форме. Можно сказать, что мы присутствуем при создании человечеством своей собственной цифровой Вселенной. Человеческое общество создало множество дискретных вещей. Например, текст – он состоит из отдельных дискретных букв, и никакой непрерывности здесь нет. Для текста и других дискретных материалов, созданных человеком, цифровые компьютерные технологии лучше подходят, чем аналоговые.

Если сравнить цифровую и аналоговую электронику, то цифровые устройства обработки видео и звука – это всегда аппаратура более высокого класса, чем аналоговые устройства. Цифровая техника становится все более качественной и престижной.

По сравнению с аналоговым, цифровой сигнал имеет два плюса и один минус. Рассмотрим их по порядку.

1. С помощью аналогового сигнала в принципе нельзя передать информацию без искажений, цифровой сигнал позволяет передать информацию полностью без искажений.

Почему так происходит? В ходе передачи в линии связи всегда возникают какие-то помехи, искажающие передаваемый сигнал (пунктирные линии на рисунке). Не возникает помех только в идеальном случае, который, как всякий идеал, недостижим. А приемник не может восстановить исходный сигнал, поскольку информацией об исходном сигнале владеет только передатчик.

Совершенно другая ситуация наблюдается с цифровым сигналом. Здесь тоже при передаче возникают помехи – куда же от них денешься (пунктирные линии на рисунке). Но на приеме стоит задача распознать каждый сигнал как 0 или 1 – середины нет. И если все 0 и 1 распознаны правильно, то это значит, что информация передана без искажений.

Помехи могут возникать не только при передаче информации на большие расстояния. Внутри какого-нибудь устройства (телевизор, компьютер и пр.) тоже могут возникать сильные наводки и помехи.

Из сказанного следует два важных вывода.

а) Цифровая техника работает более надежно.

б) Ипульсный (цифровой) способ передачи информации позволяет создать неограниченное число абсолютно идентичных копий.

В аналоговом сигнале каждая стадия копирования будет сопровождаться появлением помех, с ростом стадий последовательного копирования качество сигнала становится все хуже, в конце концов информация совсем перестает читаться.

В цифровом сигнале помехи можно устранить, поскольку известно, что надо устранять – все, что отличается от 0 и 1. И с каждой последующей копии можно делать новую копию, точно так же, как и с оригинала. Правда это достоинство имеет неприятные последствия, поскольку создает почву для пиратства и несанкционированного использования чужой интеллектуальной собственности.

Сигналами называют информационные коды, которые применяются людьми для того, чтобы передавать сообщения в информационной системе. Сигнал может подаваться, но его получение не обязательно. Тогда как сообщением можно считать только такой сигнал (или совокупность сигналов), который был принят и декодирован получателем (аналоговый и цифровой сигнал).

Одними из первых методов передачи информации без участия людей или других живых существ были сигнальные костры. При возникновении опасности последовательно разводились костры от одного поста к другому. Далее мы будем рассматривать способ передачи информации при помощи электромагнитных сигналов и подробно остановимся на рассмотрении темы аналоговый и цифровой сигнал .

Любой сигнал может быть представлен в виде функции, которая описывает изменения его характеристик. Такое представление удобно для изучения устройств и систем радиотехники. Помимо сигнала в радиотехнике есть еще шум, который является его альтернативой. Шум не несет полезной информации и искажает сигнал, взаимодействуя с ним.

Само понятие дает возможность отвлечься от конкретных физических величин при рассмотрении явлений, связанных с кодированием и декодированием информации. Математическая модель сигнала в исследованиях позволяет опираться на параметры функции времени.

Типы сигналов

Сигналы по физической среде носителя информации делятся на электрические, оптические, акустические и электромагнитные.

По методу задания сигнал может быть регулярным и нерегулярным. Регулярный сигнал представляется детерминированной функцией времени. Нерегулярный сигнал в радиотехнике представлен хаотической функцией времени и анализируется вероятностным подходом.

Сигналы в зависимости от функции, которая описывает их параметры могут быть аналоговыми и дискретными. Дискретный сигнал, который был подвергнут квантованию называется цифровым сигналом.

Обработка сигнала

Аналоговый и цифровой сигнал обрабатывается и направлен на то, чтобы передать и получить информацию, закодированную в сигнале. После извлечения информации ее можно применять в разных целях. В частных случаях информация подвергается форматированию.

Аналоговые сигналы подвергаются усилению, фильтрации, модуляции и демодуляции. Цифровые же помимо этого еще могут подвергаться сжатию, обнаружению и др.

Аналоговый сигнал

Наши органы чувств воспринимают всю поступающую в них информацию в аналоговом виде. К примеру, если мы видим проезжающий мимо автомобиль, мы видим его движение непрерывно. Если бы наш мозг мог получать информацию о его положении раз в 10 секунд, люди бы постоянно попадали под колеса. Но мы можем оценивать расстояние куда быстрее и это расстояние в каждый момент времени четко определено.

Абсолютно то же самое происходит и с другой информацией, мы можем оценивать громкость в любой момент, чувствовать какое давление наши пальцы оказывают на предметы и т.п. Иными словами, практически вся информация, которая может возникать в природе имеет аналоговый вид. Передавать подобную информацию проще всего аналоговыми сигналами, которые являются непрерывными и определены в любой момент времени.

Чтобы понять, как выглядит аналоговый электрический сигнал, можно представить себе график, на котором будет отображена амплитуда по вертикальной оси и время по горизонтальной оси. Если мы, к примеру, замеряем изменение температуры, то на графике появится непрерывная линия, отображающая ее значение в каждый момент времени. Чтобы передать такой сигнал с помощью электрического тока, нам надо сопоставить значение температуры со значением напряжения. Так, например, 35.342 градуса по Цельсию могут быть закодированы как напряжение 3.5342 В.

Аналоговые сигналы раньше использовались во всех видах связи. Чтобы избежать помех такой сигнал нужно усиливать. Чем выше уровень шума, то есть помех, тем сильнее надо усиливать сигнал, чтобы его можно было принять без искажения. Такой метод обработки сигнала затрачивает много энергии на выделение тепла. При этом усиленный сигнал может сам стать причиной помех для других каналов связи.

Сейчас аналоговые сигналы еще применяются в телевидении и радио, для преобразования входного сигнала в микрофонах. Но, в целом, этот тип сигнала повсеместно вытеснен или вытесняется цифровыми сигналами.

Цифровой сигнал

Цифровой сигнал представлен последовательностью цифровых значений. Чаще всего сейчас применяются двоичные цифровые сигналы, так как они используются в двоичной электронике и легче кодируются.

В отличие от предыдущего типа сигнала цифровой сигнал имеет два значения «1» и «0». Если мы вспомним наш пример с измерением температуры, то тут сигнал будет сформирован иначе. Если напряжение, которое подается аналоговым сигналом соответствует значению измеряемой температуры, то в цифровом сигнале для каждого значения температуры будет подаваться определенное количество импульсов напряжения. Сам импульс напряжения тут будет равен «1», а отсутствие напряжения – «0». Приемная аппаратура будет декодировать импульсы и восстановит исходные данные.

Представив, как будет выглядеть цифровой сигнал на графике, мы увидим, что переход от нулевого значения к максимальному производится резко. Именно эта особенность позволяет принимающей аппаратуре более четко «видеть» сигнал. Если возникают какие-либо помехи, приемнику проще декодировать сигнал, нежели чем при аналоговой передаче.

Однако цифровой сигнал с очень большим уровнем шума восстановить невозможно, тогда как из аналогового типа при большом искажении еще есть возможность «выудить» информацию. Это связано с эффектом обрыва. Суть эффекта в том, что цифровые сигналы могут передаваться на определенные расстояния, а затем просто обрываются. Этот эффект возникает повсеместно и решается простой регенерацией сигнала. Там, где сигнал обрывается, нужно вставить повторитель или уменьшить длину линии связи. Повторитель не усиливает сигнал, а распознает его изначальный вид и выдает его точную копию и может использоваться сколь угодно в цепи. Такие способы повторения сигнала активно применяются в сетевых технологиях.

Помимо всего прочего аналоговый и цифровой сигнал различается и возможность кодирования и шифрования информации. Это является одной из причин перехода мобильной связи на «цифру».

Аналоговый и цифровой сигнал и цифро-аналоговое преобразования

Следует еще немного рассказать о том, как аналоговая информация передается по цифровым каналам связи. Вновь прибегнем к примерам. Как уже говорилось звук – это аналоговый сигнал.

Что происходит в мобильных телефонах, которые передают информацию по цифровым каналам

Звук, попадая в микрофон подвергается аналого-цифровому преобразованию (АЦП). Этот процесс состоит из 3 ступеней. Берутся отдельные значения сигнала через одинаковые отрезки времени, этот процесс называется дискретизация. По теореме Котельникова о пропускной способности каналов, частота взятия этих значений должна быть вдвое выше, чем самая высокая частота сигнала. То есть, если в нашем канале стоит ограничение на частоту в 4 кГц, то частота дискретизации будет составлять 8 кГц. Далее все выбранные значения сигнала округляются или, иначе говоря, квантуются. Чем больше уровней при этом будет создано, тем выше будет точность восстановленного сигнала на приемнике. Затем все значения преобразуются в двоичный код, который передается на базовую станцию и затем доходит до другого абонента, являющегося приемником. В телефоне приемника происходит процедура цифро-аналогового преобразования (ЦАП). Это обратная процедура, цель которой на выходе получить сигнал как можно более идентичный исходному. Далее уже аналоговый сигнал выходит в виде звука из динамика телефона.

Цифровая электроника в настоящее время все более и более вы-тесняет традиционную аналоговую. Ведущие фирмы, произво-дящие самую разную электронную аппаратуру, все чаще заяв-ляют о полном переходе на цифровую технологию.

Успехи в технологии производства электронных микросхем обеспечили бурное развитие цифровой техники и устройств. Использование цифровых методов обработки и передачи сигналов позволяет существенно повысить качество линий связи. Цифровые методы обработки и коммутации сигналов в телефонии позволяют в несколько раз сократить массогабаритные характеристики устройств коммутации, повысить надежность связи, ввести дополнительные функциональные возможности.

Появление быстродействующих микропроцессоров, микросхем оперативной памяти больших объемов, малогабаритных устройств хранения информации на жестких носителях больших объемов позволило создать достаточно недорогие универсальные персональные электронные вычислительные машины (компьютеры), нашедшие очень широкое применение в быту и производстве.

Цифровая техника незаменима в системах телесигнализации и телеуправления, применяемых в автоматизированных производствах, управлении удаленными объектами, например, космическими кораблями, газоперекачивающими станциями и т. п. Цифровая техника также заняла прочное место в электро-радиоизмерительных системах. Современные устройства регистрации и воспроизведения сигналов также немыслимы без применения цифровых устройств. Цифровые устройства широко используются для управления в бытовых приборах.

Очень вероятно, что в будущем цифровые устройства займут доминирующее положение на рынке электроники.

Для начала дадим несколько базовых определений .

Сигнал — это любая физическая величина (например, тем-пература, давление воздуха, интенсивность света, сила тока и т. д.), изменяющаяся со временем. Именно благодаря этому изменению во времени сигнал может нести в себе какую-то ин-формацию.

Электрический сигнал — это электрическая величина (на-пример, напряжение, ток, мощность), изменяющаяся со време-нем. Вся электроника в основном работает с электрическими сигналами, хотя в последнее время все больше используются световые сигналы, которые представляют собой изменяющуюся во времени интенсивность света.

Аналоговый сигнал — это сигнал, который может прини-мать любые значения в определенных пределах (например, на-пряжение может плавно изменяться в пределах от нуля до деся-ти вольт). Устройства, работающие только с аналоговыми сиг-налами, называются аналоговыми устройствами.

Цифровой сигнал — это сигнал, который может принимать только два значения (иногда — три значения). Причем разреше-ны некоторые отклонения от этих значений (рис. 1.1). Напри-мер, напряжение может принимать два значения: от 0 до 0,5 В (уровень нуля) или от 2,5 до 5 В (уровень единицы). Устройства, работающие исключительно с цифровыми сигналами, называ-ются цифровыми устройствами.

В природе практически все сигналы аналоговые, то есть они изменяются непрерывно в некоторых пределах. Именно поэто-му первые электронные устройства были аналоговыми. Они преобразовывали физические величины в пропорциональные им напряжение или ток, выполняли над ними какие-то операции и затем выполняли обратные преобразования в физические вели-чины. Например, голос человека (колебания воздуха) с помощью микрофона преобразуется в электрические колебания, затем эти электрические сигналы усиливаются электронным усилителем и с помощью акустической системы снова преобразуются в колебания воздуха, в более громкий звук.

Рис. 1.1. Электрические сигналы: аналоговый (слева) и цифровой (справа).

Все операции, производимые электронными устройства-ми над сигналами, можно условно разделить на три большие группы:

Обработка (или преобразование);

Передача;

Хранение.

Во всех этих случаях полезные сигналы искажаются пара-зитными сигналами — шумами, помехами, наводками. Кроме того, при обработке сигналов (например, при усилении, фильт-рации) еще искажается и их форма из-за несовершенст-ва, неидеальности электронных устройств. А при передаче на большие расстояния и при хранении сигналы к тому же ослаб-ляются.

Рис. 1.2. Искажение шумами и наводками аналогового сигнала (слева) и циф-рового сигнала (справа).

В случае аналоговых сигналов все это существенно ухуд-шает полезный сигнал, так как все его значения разрешены (рис. 1.2). Поэтому каждое преобразование, каждое промежу-точное хранение, каждая передача по кабелю или эфиру ухуд-шает аналоговый сигнал, иногда вплоть до его полного унич-тожения. Надо еще учесть, что все шумы, помехи и наводки принципиально не поддаются точному расчету, поэтому точноописать поведение любых аналоговых устройств абсолютно не-возможно. К тому же со временем параметры всех аналоговых устройств изменяются из-за старения элементов, поэтому харак-теристики этих устройств не остаются постоянными.

В отличие от аналоговых, цифровые сигналы, имеющие все-го два разрешенных значения, защищены от действия шумов, наводок и помех гораздо лучше. Небольшие отклонения от разрешенных значений никак не искажают цифровой сигнал, так как всегда существуют зоны допустимых отклонений (рис. 1.2). Именно поэтому цифровые сигналы допускают гораздо более сложную и многоступенчатую обработку, гораздо более дли-тельное хранение без потерь и гораздо более качественную передачу, чем аналоговые. К тому же поведение цифровых устройств всегда можно абсолютно точно рассчитать и пред-сказать. Цифровые устройства гораздо меньше подвержены старению, так как небольшое изменение их параметров никак не отражается на их функционировании. Кроме того, цифро-вые устройства проще проектировать и отлаживать. Понятно, что все эти преимущества обеспечивают бурное развитие циф-ровой электроники.

Однако у цифровых сигналов есть и крупный недостаток. Дело в том, что на каждом из своих разрешенных уровней циф-ровой сигнал должен оставаться хотя бы в течение какого-то минимального временного интервала, иначе его невозможно будет распознать. А аналоговый сигнал может принимать любое свое значение бесконечно малое время. Можно сказать и иначе: аналоговый сигнал определен в непрерывном времени (то есть в любой момент времени), а цифровой — в дискретном времени (то есть только в выделенные моменты времени). Поэтому мак-симально достижимое быстродействие аналоговых устройств всегда принципиально больше, чем цифровых устройств. Ана-логовые устройства могут работать с более быстро меняющи-мися сигналами, чем цифровые. Скорость обработки и передачи информации аналоговым устройством всегда может быть сде-лана выше, чем скорость ее обработки и передачи цифровым устройством.

Кроме того, цифровой сигнал передает информацию только двумя уровнями и изменением одного своего уровня на другой, а аналоговый передает информацию еще и каждым текущим значением своего уровня, то есть он более емкий с точки зрения передачи информации. Поэтому для передачи того объема по-лезной информации, который содержится в одном аналоговом сигнале, чаще всего приходится использовать несколько цифро-вых сигналов (обычно от 4 до 16).

К тому же, как уже отмечалось, в природе все сигналы ана-логовые, то есть для преобразования их в цифровые сигналы и для обратного преобразования требуется применение специальной аппаратуры (аналого-цифровых и цифро-аналоговых преоб-разователей). Так что ничто не дается даром, и плата за пре-имущества цифровых устройств может порой оказаться непри-емлемо большой.

Продолжение. См. № 5, 6/2009

Методическое пособие

Во всех авторских вариантах школьного курса информатики центральным системообразующим понятием выступает понятие информации. Фундаментальная составляющая информатики - это наука об информации и информационных процессах. Профильный курс информатики для старших классов дает бoльшие возможности для раскрытия этого фундаментального содержания, чем курс в основной школе. Тому способствует, во-первых, пропедевтика, пройденная в предыдущих классах, во-вторых, более высокий уровень математической и физической подготовки учеников.

Раздел, посвященный кодированию информации, является центральным в теоретической составляющей курса. В нем находят отражение основные идеи представления и преобразования информации, которые лежат в основе информационных технологий. Понимание этих идей способствует глубинному пониманию сути ИКТ для профессионального пользователя и, что еще более важно, для будущего разработчика компьютерных систем.

Более подробно, чем в основной школе, здесь пойдет речь об особенностях аналоговой и цифровой форм передачи информации. Достаточно подробно объясняется суть АЦП - аналого-цифрового преобразования сигнала.

Ключевое понятие раздела - кодирование получает многостороннее разъяснение. Код - это символьная последовательность, заключающая в себе некоторую информацию. Кодирование - это процесс построения кода. Все варианты кодирования можно поделить на две группы:

1) преобразование из аналоговой формы в дискретную, символьную форму;

2) преобразование из одной символьной системы в другую.

Способы второй группы кодирования зависят от цели. Здесь могут быть следующие варианты: переход от одного стандарта представления к другому; сокращение объема данных (сжатие, упаковка); засекречивание информации (шифрование) и обратная процедура - расшифровка; обеспечение контроля ошибок при передаче данных. Во всех случаях используются определенные алгоритмы кодирования, за которыми часто стоят математические модели. Учитель должен формировать системное представление учащихся о задачах кодирования и способах их решений.

Занятия по информатике делятся на теоретические уроки и компьютерный практикум (безусловно, та и другая формы работы могут объединяться и в рамках одного учебного часа). В данном курсе авторы предлагают еще одну форму организации занятий - урок-исследование. Материал для такого урока содержится в §5 “Численные эксперименты по обработке звука”. Работа состоит в том, что учитель демонстрирует численные эксперименты, выполняемые в среде электронной таблицы, используя компьютер и проекционные средства. Ученики могут параллельно повторять эти же расчеты на своих ПК, но затем они получают задания на самостоятельное продолжение эксперимента. Результаты коллективно обсуждаются.

В рамках раздела кодирования ученики продолжают углублять свои навыки работы с электронными таблицами и программирования на Паскале.

Человек воспринимает информацию из внешнего мира с помощью своих органов чувств. Большая часть информации принимается нами через зрение и слух.

Органы слуха воспринимаютзвуковые сигналы, к оторые переносятся звуковыми волнами. Органы зрения воспринимают зрительные сигналы, природа которых - электромагнитные волны в определенном диапазоне частот. Всякий сигнал - это изменение какой-то физической величины, передающее информацию принимающему объекту (живому существу или техническому устройству). Звуковой сигнал связан с изменением давления воздуха, порожденным звуковой волной и воздействующим на орган слуха. Зрительный сигнал связан с изменением параметров электромагнитного светового излучения, воспринимаемого органами зрения.

Многие века люди могли слышать звуки только на расстоянии естественной слышимости от источника, видеть объекты, находящиеся в поле зрения. Развитие науки и техники позволило человеку выйти за эти естественные границы восприятия.

В течение двух последних столетий ученые и изобретатели достигли больших результатов в создании средств связи для передачи информации на расстояние. Различные технические средства связи обеспечивают передачу сигналов двух видов: аналоговых и дискретных.

Синонимом слову “аналоговый” является “непрерывный”. Например, звук - это непрерывный волновой процесс, происходящий в атмосфере или другой сплошной среде. Термин “дискретный” означает “разделенный”, состоящий из отдельных частиц, элементов, квантов. Первые в истории технические средства связи предназначались для передачи текстов в дискретной форме.

XIX век был великим веком технических изобретений. В 1831 году Майкл Фарадей открывает явление электромагнитной индукции. После этого начинается бурное развитие электротехники: изобретается электрический генератор, создаются средства передачи электроэнергии на расстояние. Электричество находит множество применений. Важнейшие из них: электрическое освещение и отопление, электрический двигатель, электросвязь - передача информации с помощью электричества. Идея передачи информации по проводам по тем временам казалась фантастической: появилась возможность передавать текст со скоростью переноса электрического сигнала - близкой к скорости света.

Первый электромагнитный телеграф создал российский ученый Павел Львович Шиллинг в 1832 году. В 1837 году американец Сэмюэл Морзе запатентовал свою конструкцию электромагнитного телеграфного аппарата. Им же был разработан телеграфный код , известный под названием азбуки Морзе.

Телеграфное сообщение представляет собой последовательность электрических сигналов, переносимых от одного телеграфного аппарата по проводам к другому телеграфному аппарату. Эти технические обстоятельства привели С.Морзе к идее использования всего двух видов сигналов - короткого и длинного - для кодирования сообщения, передаваемого по линиям телеграфной связи.

В азбуке Морзе каждая буква алфавита кодируется последовательностью коротких сигналов (точек) и длинных сигналов (тире). В таблице на рис. 1 показана азбука Морзе применительно к латинскому и русскому алфавитам.

Рис. 1. Кодовая таблица азбуки Морзе

Самым знаменитым телеграфным сообщением является сигнал бедствия “SOS” (S ave O ur S ouls - спасите наши души). Вот как он выглядит в коде азбуки Морзе:

- - -

Три точки обозначают латинскую букву S, три тире - букву О. Две паузы отделяют буквы друг от друга. Телеграфист, передававший сообщение на азбуке Морзе, “выстукивал” его с помощью телеграфного ключа: точка - короткий сигнал, тире - длинный сигнал, после каждой буквы - пауза. На принимающем аппарате сообщение записывалось на бумажной ленте в виде графических точек, тире и пробелов, которые визуально прочитывал телеграфист.

Азбука Морзе является неравномерным кодом , поскольку у разных букв алфавита длина кода изменяется от одного до шести символов (точек и тире). По этой причине необходим третий символ - пауза для отделения букв друг от друга.

Равномерный телеграфный код был изобретен французом Жаном Морисом Бодо в 1870 году. В нем использовалось всего два разных вида сигналов. Не важно, как их назвать: точка и тире, плюс и минус, ноль и единица. Это два отличающихся друг от друга электрических сигнала.

В кодовой таблице Бодо длина кодов всех символов алфавита одинакова и равна пяти. В таком случае не возникает проблемы отделения букв друг от друга: каждая пятерка сигналов - это знак текста.

Благодаря идее Бодо удалось автоматизировать процесс передачи и печать букв. В 1901 году был создан клавишный телеграфный аппарат. Нажатие клавиши с определенной буквой вырабатывает соответствующий пятиимпульсный сигнал, который передается по линии связи. Принимающий аппарат под воздействием этого сигнала печатает ту же букву на бумажной ленте.

Телеграфы Морзе и Бодо - это дискретные способы передачи информации.

Следующим важным событием в технике связи стало изобретение телефона. В 1876 году американец Александер Белл получил патент на его изобретение. Годом позже Томас Алва Эдисон изобрел телефонный аппарат с угольным микрофоном, который и до сих пор можно встретить в употреблении. По телефонной связи на расстояние передается звук посредством непрерывного электрического сигнала, модулированного с частотой звуковых колебаний. В микрофоне говорящего человека создается переменное электрическое напряжение, а в наушнике слушающего оно преобразуется в звуковые колебания. Телефонная связь - это аналоговый способ передачи звука.

Благодаря открытию в 1888 г. Генрихом Герцем электромагнитных волн стало возможным изобретение радиосвязи. Почти одновременно в 1895 году Александром Поповым в России и в 1896 г. итальянцем Г.Маркони были изобретены первые радиопередатчики и радиоприемники. Современники изобретения называли радио беспроводным телефоном. Принцип передачи звука по радиосвязи заключается в переносе через пространство высокочастотных (несущих) электромагнитных волн, модулированных по амплитуде низкочастотными звуковыми колебаниями. В радиоприемнике звуковые колебания отделяются от несущей частоты и преобразуются в звук. Радиосвязь - это аналоговый способ передачи звука.

В ХХ веке с изобретением телевидения стала возможной передача на расстояние изображения. Телевизионный электромагнитный сигнал - это также аналоговый способ передачи звуковой и видеоинформации.

Во второй половине ХХ века происходит переход к преимущественно дискретной форме представления информации для ее хранения, передачи и обработки. Этот процесс начался с изобретением цифровой вычислительной и измерительной техники. В настоящее время компьютерная обработка становится элементом всех систем связи: телефонной, радио и телевизионной. Развивается цифровая телефония, цифровое телевидение. Интернет как универсальная система связи основан исключительно на дискретной цифровой технологии хранения, передачи и обработки информации.

Вопросы и задания

1. Что такое сигнал?

2. Обоснуйте правильность употребления фразы “сигнал светофора”.

3. Приведите примеры аналоговых сигналов в природе, передающих информацию.

4. Как вы считаете, человеческая речь - это аналоговая или дискретная форма передачи информации?

5. Перечислите основные события в истории изобретения технических средств связи.

6. Почему в последнее время цифровые технологии связи вытесняют аналоговые?

§2. Кодирование текста

Что такое кодирование

Кодирование - это представление информации в виде комбинации символов. Кодирование происходит по определенным правилам. Правила кодирования зависят от назначения кода, т.е. от того, как и для чего он будет использоваться.

Письменность - это способ кодирования речи на естественном языке. Письменный текст (его также называют письменной речью) предназначен для передачи информации от одного человека к другим людям как в пространстве (письмо, записка), так и во времени (книги, дневники, архивы документов и пр.). Правила, по которым люди осуществляют письменное кодирование информации, называются грамматикой языка (русского, английского, китайского и др.), а человека, умеющего читать и писать, называют грамотным человеком.

Если запись речи называть кодированием, то чтение письменного текста - это его декодирование. Поскольку мы выражаем свои мысли в форме устной речи, то процесс письменного обмена информацией между людьми можно отобразить следующей схемой (см. схему).

При таком письменном способе обмена информацией в качестве носителя чаще всего используется бумага.

С изобретением технических средств связи появилась возможность быстрой передачи текстов на большие расстояния. Но этот процесс требует использования дополнительного уровня кодирования. Повторим еще раз данное выше утверждение: способ кодирования зависит от назначения кода. Если код предназначен для передачи текста по технической системе связи, то он должен быть приспособлен к возможностям этой системы. Примером такого “технического” кода является азбука Морзе.

Процесс передачи телеграфного сообщения с использованием азбуки Морзе можно отразить схемой:

Способы кодирования текста

Кодирование текста всегда происходит по следующему правилу: каждый символ алфавита исходного текста заменяется на комбинацию символов алфавита кодирования. Для азбуки Морзе эти правила представлены в таблице нарис. 1.

В таблице азбуки Морзе для кодирования 32 букв русского алфавита (буква Ё стала использоваться в письменном тексте только в середине ХХ века) применяются два символа: точка и тире. Однако при передаче слов из-за неравномерности кодов различных букв приходится применять еще пропуск между буквами: пауза во времени передачи или пробел на телеграфной ленте. Поэтому фактически алфавит телеграфного кода Морзе содержит три символа: точка, тире, пропуск.

Телеграфный код Бодо является двоичным равномерным пятиразрядным кодом. На его основе в 1932 году был разработан международный телеграфный код ITA2, кодовая таблица которого представлена на рис. 2.

Рис. 2. Телеграфный код ITA2

Двоичные коды символов свернуты в формат двузначных шестнадцатеричных чисел, в которых первая цифра принимает значения 0 или 1. Есть три типа символов: буквы (letters), цифры и знаки (figures), управляющие символы (control chars). Переключение в режим ввода букв происходит по коду 1F 16 (двоичная форма 1 1111). Буква A имеет код 03 16 (0 0011); код буквы R - 0A 16 (0 1010). Этот же код в режиме ввода цифр обозначает цифру 4. Слово “BODO” в шестнадцатеричной форме кодируется так: 19 18 09 18. Длина двоичного кода этого слова равна 20.

Во второй половине ХХ века создаются и распространяются компьютеры. Для компьютерной обработки текстов потребовалось создать стандарт кодирования символов. В 1963 году был принят стандарт, который получил название ASCII - Американский стандартный код для информационного обмена. ASCII - семиразрядный двоичный код, он приведен в табл. 1.

Код символа - это его порядковый номер в кодовой таблице. Он может быть представлен в десятичной, двоичной и шестнадцатеричной системах счисления. Код в памяти компьютера - семиразрядное двоичное число. В табл. 1 код ASCII представлен в свернутой шестнадцатеричной форме. При развертывании в двоичную форму коды представляют собой семиразрядные целые двоичные числа в диапазоне от 000 0000 2 = 00 16 = 0 до 111 1111 2 = 7F 16 = 127. Всего 2 7 = 128 символов.

Первые 32 символа (от 00 до 1F) называются управляющими. Они не отражаются какими-либо знаками на экране монитора или при печати, но определяют некоторые действия при выводе текста. Например, по коду 08 16 (BS) происходит стирание предыдущего символа; по коду 07 16 (BEL) - вывод звукового сигнала; код OD 16 (CR) означает переход к началу строки (возврат каретки). Эти символы унаследованы еще от кодировки для телетайпной связи , для которой первоначально и использовался ASCII, поэтому сохранились такие архаичные термины, как “каретка”.

Символы, имеющие графическое отображение, начинаются с кода 20 16 . Это пробел - пропуск позиции при выводе. Важным свойством таблицы ASCII является соблюдение алфавитной последовательности кодировки прописных и строчных букв, а также десятичных цифр. Это свойство чрезвычайно важно для программной обработки символьной информации, в частности, для алфавитной сортировки слов.

Расширение кода ASCII. Восьмиразрядная двоичная кодировка позволяет кодировать алфавит из 2 8 = 256 символов. Первая половина восьмиразрядного кода совпадает с ASCII. Вторая половина состоит из символов с кодами от 128 = 80 16 = 1000 0000 2 до 255 = FF 16 = 1111 1111 2 . Эта часть таблицы кодировки называетсякодовой страницей (CP - code page). На кодовой странице размещают нелатинские алфавиты, символы псевдографики и некоторые другие знаки, не входящие в первую половину.

В табл. 2, 3, 4 приведены кодовые страницы с русским алфавитом. CP866 используется в операционной системе MS DOS, CP1251 - в операционной сиcтеме Windows. Кодировка KOI8-R используется в операционной системе Unix. Ее первая половина совпадает с ASCII.

Обратите внимание на то, что не во всех кодировках соблюдается правило последовательного кодирования русского алфавита. Существуют и другие стандарты символьной кодировки, где присутствует русский алфавит.

16-разрядный стандарт UNICODE. В 1991 году был разработан шестнадцатиразрядный международный стандарт символьного кодирования Unicode, который позволяет закодировать 2 16 = 65 536 символов. В такую кодовую таблицу помещаются английский (латиница), русский (кириллица), греческий алфавиты, китайские иероглифы, математические символы и многое другое. Отпадает потребность в кодовых страницах. Диапазон кодов символов в шестнадцатеричной форме: от 0000 до FFFF.

В начале кодовой таблицы, в области от 0000 16 до 007F 16 , содержатся символы ASCII. Под символы кириллицы выделены области знаков с кодами от 0400 16 до 052F 16 , от 2DE0 16 до 2DFF 16 , от A640 16 до A69F 16 .

Учимся программировать

Рассмотрим программу на Паскале, по которой на экран будет выводиться таблица кодировки в диапазоне кодов от 20 до 255.

Program Tabl_code;

uses CRT; {Подключение библиотеки управления

символьным выводом}

var kod: byte; {Целые числа от 0 до 255}

clrscr; {Очистка экрана символьного вывода}

for kod:= 20 to 255 do

{Перебор кодов символов}

if (kod mod 10 = 0) then writeln;

{Перевод строки через 10 шагов}

write(chr(kod):3,kod:4);

{Вывод символа и его кода}

Оператор uses CRT подключает к программе библиотеку подпрограмм управления символьным выводом на экран монитора. Далее в программе используется процедура из этой библиотеки: clrscr - очистка экрана.

Переменная типа byte занимает 1 байт памяти и принимает множество целых положительных числовых значений в диапазоне от 0 до 255.

В программе используется стандартная функция chr(kod) , которая в качестве результата возвращает символ, десятичный код которого равен значению переменной kod .

Значения выводятся парами: символ - код. В одной строке располагается 10 таких пар. Вся таблица разместится в 24 строках.

Вопросы и задания

1. Определите понятия: код, кодирование, декодирование.

2. Приведите примеры кодирования и декодирования, о которых не говорилось в параграфе.

3. В чем разница между равномерным и неравномерным кодами?

4. Закодируйте слово COMPUTER, используя коды ITA2 и ASCII.

5. Как прочитается фраза “СПАРТАК - ЧЕМПИОН”, закодированная с использованием CP1251, если декодирование происходит по коду KOI8-R?

6. В кодировке KOI8-R было составлено письмо, начинающееся фразой: “Здравствуй, дорогой Саша!” Декодирование происходило по семиразрядному коду ASCII, в результате чего старший (восьмой) бит у всех символов был утерян. Напишите, какой текст получился в итоге. Сможет ли адресат понять содержание письма?

7. С помощью табличного процессора определите, какая именно кодовая страница используется на вашем компьютере. Например, в Excel имеется функцияСИМВОЛ(код), которая возвращает символ, соответствующий данному десятичному коду. Обратная к ней функция - КОДСИМВ(символ).

8. Реализуйте на компьютере программуTabl_code. Выполните ее.

9*. Составьте аналогичную программу, которая выводила бы двоичные коды символов.

10*. Составьте аналогичную программу, которая выводила бы шестнадцатеричные коды символов.

§3. Кодирование изображения

По некоторым оценкам, около 90% информации из внешнего мира человек воспринимает зрительным путем. Зрение человека - это природная способность к восприятию изображения объектов окружающего мира. Зрительная система воспринимает свет, отражаемый или излучаемый объектами наблюдения. Отражаемое изображение - это все, что мы видим при дневном или искусственном освещении. Например, читаем книгу, просматриваем иллюстрации в ней. Примерами излучаемых изображений являются изображения на экране телевизора или компьютера.

С древних времен люди научились сохранять и передавать изображения в форме рисунков. В XIX веке появилась фотография. Изобретение кино братьями Люмьер в 1895 году позволило передавать движущиеся изображения. В XX веке изобретают видеомагнитофон - средство записи и передачи изображения на магнитной ленте.

Приемыкодирования изображения разрабатываются с появлением цифровых технологий хранения, передачи и обработки изображений: цифровой фотографии, цифрового видео, компьютерной графики.

При кодировании изображения осуществляется его пространственная дискретизация и кодирование света, исходящего от каждого дискретного элемента изображения. В компьютерных технологиях пространственная сетка дискретных элементов, из которых строится изображение на экране монитора, называется растром. Сами дискретные элементы изображения на экране называются пикселями (рис. 3). Чем гуще сетка пикселей, тем выше качество изображения, тем меньше наши глаза замечают его дискретную структуру.

Видеоинформация - это двоичный код изображения, хранящийся в памяти компьютера. Весь совокупный видеокод состоит из кодов света, излучаемого отдельными пикселями.

Естественные изображения, которые мы видим вокруг себя, многоцветные. В технологиях хранения изображения используются способы получения монохроматических , т.е. одноцветных, и цветных (разноцветных) изображений. Как известно, сначала появились черно-белая фотография, черно-белое кино, а уже позже - цветная фотография и цветное кино. То же самое относится к телевидению. Первые компьютерные дисплеи имели черно-белые экраны, на современных компьютерах используются цветные мониторы.

Цветом (красный, желтый, зеленый и пр.) называют субъективное восприятие человеком окрашенности света. Объективное различие света разной окрашенности заключается в разной длине световых волн. Субъективный характер восприятия цвета подтверждается, например, тем фактом, что люди, страдающие дальтонизмом, вообще не различают некоторые цвета.

Кодирование монохроматического света

Слово “монохроматический” означает - одноцветный. Имеется одинфоновый цвет. Все изображение получается с помощью оттенков этого фонового цвета, различающихся яркостью (говорят также - прозрачностью). Например, если фоновый цвет черный, то путем его постепенного просветления можно перейти через оттенки серого к белому цвету (рис. 4). Такое непрерывное множество оттенков - от черного до белого - назовем черно-белым спектром. Из таких оттенков и получается изображение на черно-белой фотографии, на кино- и телеэкране. Все рисунки в данном учебнике исполнены в черно-белом изображении.

Рис. 4. Непрерывный черно-белый спектр

Однако фоновый цвет не обязательно должен быть черным. Он может быть коричневым, синим, зеленым и др. Такое бывает на тонированных фотографиях. Существовали монохромные мониторы с коричневым или зеленым фоновым цветом.

Код монохромного света обозначает уровень яркости фонового цвета. Для цифрового кодирования света в компьютере используются положительные целые двоичные числа. Размер двоичного кода в битах называется глубиной кодирования света.

При дискретном цифровом кодировании непрерывный спектр оттенков базового цвета разбивается на целое число отрезков, в пределах каждого из которых яркость считается постоянной.

Для естественного света количество оттенков фонового цвета бесконечно. При цифровом кодировании количество оттенков становится конечной величиной. Количество оттенков (К) и битовая глубина кодирования (b) связаны между собой по формуле:

Снова работает главная формула информатики!

Реальная яркость изображения зависит от физических условий его передачи: уровня освещенности от источника света при отраженном изображении или мощности светового потока от монитора при излучаемом изображении. Если максимальную яркость принять за единицу, то величина яркости света в диапазоне от черного до белого будет изменяться от нуля до единицы.

На рис . 5 показана дискретизация черно-белого спектра при b = 2. Это значит, что размер кода равен 2 битам и весь спектр разбивается на четыре уровня - 4 оттенка.

Рис. 5. Монохроматическое кодирование с глубиной 2

Естественный свет, яркость которого лежит в диапазоне от 0 до 1/4, будет представляться как черный цвет, десятичный код которого - 0, а двоичный код - 00. Далее идут два серых оттенка. Свет в диапазоне яркости от 3/4 до 1 представляется как белый, и код его: 3 = 11 2 . Если уровень яркости выражать в процентах, то правила черно-белого кодирования при b = 2 можно отразить в таблице:

На рис. 6 показана дискретизация черно-белого спектра при b = 4. Поскольку 2 4 = 16, то таким способом кодируется 16 различных черно-белых оттенков. Приведены десятичные и двоичные коды.

Пример. Рассмотрим модельный пример кодирования черно-белого изображения. Размер растра монитора - 8 х 8 пикселей. Глубина кодирования равна двум:
b = 2 бита. Изображение представлено на рис. 7. Цифры указывают нумерацию строк и столбцов растра. Каждая клетка - пиксель изображения.

На экране нарисована буква “П”. Три составляющие ее отрезка окрашены в разные оттенки фонового цвета: черный, темно-серый и светло-серый. Двоичный код изображения будет таким:

Рис. 7. Дискретный рисунок

Для наглядности двоичный код представлен в виде матрицы, строки которой соответствуют строкам растра на экране. На самом же деле память компьютера одномерна и весь код представляет собой цепочку нулей и единичек, расположенных в последовательных байтах памяти. Объем такой видеоинформации равен 16 байтам. Если перевести этот код в шестнадцатеричную форму, то он будет следующим:

FFFF D55F CFEF CFEF CFEF CFEF FFFF FFFF

При кодировании цветного изображения используются различные подходы, которые называются моделями цвета. Об этом подробно будет рассказано в разделе, посвященном технологиям компьютерной графики.

Вопросы и задания

1. Дайте определение понятиям: свет, цвет, изображение.

2. Чего нельзя увидеть и что можно увидеть в абсолютной темноте?

3. Что такое растр, пиксель?

4. Чем отличается монохромное изображение от цветного?

5. Что представляет собой черно-белый спектр?

6. Какая информация заключается в компьютерном коде изображения?

7. Какой объем будет иметь видеокод изображения, выводимого на экран, при размере растра 640х 480 и глубине кодирования 8 бит?

8. Какова глубина кодирования изображения, если объем видеокода равен 384 Кб, а размер растра - 1024х 768?

9. Объем видеокода равен 600 Кб, глубина кодирования - 16 бит. Какой используется размер растра для вывода изображения: 640х 480 или 1024 х 768?

10. На черно-белый “игрушечный” монитор с разрешением 8 х 8 пикселей (см. пример в параграфе) по очереди выводятся буквы: Н, А, Ш. Разработайте и запишите для каждого выводимого изображения его двоичный и шестнадцатеричный коды. Глубина кодирования равна двум. Разные элементы букв имеют разные цветовые оттенки.

11. Восстановите изображение на черно-белом “игрушечном” мониторе по шестнадцатеричному коду: F3F7 F3D7 F37F F1FF F3BF F3EF F3FB FFFF, - если глубина кодирования равна двум.

§4. Технология кодирования аналогового сигнала

В §1 было введено определение понятиям “аналоговый сигнал” и “дискретный сигнал”. Световой сигнал является аналоговым, поскольку он переносится непрерывным потоком электромагнитного излучения. Звуковой сигнал переносится акустической волной, порождающей непрерывный процесс изменения давления воздуха со звуковой частотой.

Для сохранения изображения и звука в цифровом формате соответствующие аналоговые сигналы должны быть закодированы, т.е. представлены в виде дискретной последовательности нулей и единичек - двоичных цифр. Процесс преобразования аналогового сигнала в дискретную цифровую форму называетсяаналого-цифровым преобразованием , или сокращенно - АЦП.

На рис . 8 представлена схема преобразования любого аналогового сигнала естественного происхождения в дискретный цифровой код.

Из данной схемы следует, что как световой, так и звуковой сигналы первоначально преобразуются в непрерывный электрический сигнал, который и подвергается аналого-цифровому преобразованию.

Оцифровка изображения происходит во время съемки на цифровые фото- и видеокамеры, а также при вводе изображения в компьютер с помощью сканера. В основе физического процесса преобразования света в электрический ток лежит явление возникновения электрического заряда в полупроводниковом приборе - фотодиоде под действием падающего на него света.

Величина возникающего на фотодиоде электрического потенциала пропорциональна яркости светового потока. Эта величина изменяется непрерывно вместе с изменением яркости света.

Аналого-цифровое преобразование заключается в измерении величины электрического сигнала.

Результаты измерений в цифровом формате сохраняются в устройстве памяти. Пространственная дискретизация происходит благодаря использованию матрицы фотодиодов, разделяющей изображение на конечное число элементов.

Кодирование звука

Рассмотрим подробнее процесс АЦП на примере кодирования звука при его вводе в компьютер. При записи звука в компьютер устройством, преобразующим звуковые волны в электрический сигнал, является микрофон. Аналого-цифровое преобразование производит электронная схема, размещенная назвуковой плате (звуковой карте) компьютера, к которой подключается микрофон.

Амплитуда и частота исходящего от микрофона и поступающего на звуковую плату электрического сигнала соответствует амплитудным и частотным свойствам акустического сигнала. Поэтому измерение электрического сигнала позволяет определить характеристики звуковой волны: ее частоту и амплитуду.

Аналоговый сигнал - это процесс непрерывного изменения амплитуды сигнала со временем (рис . 9).

Рис. 9. Дискретизация аналогового сигнала

Есть два основных параметра кодирования звука: частота дискретизации и битовая глубина кодирования. Измерение амплитуды сигнала производится через одинаковые промежутки времени. Величина такого временнoго интервала называется шагом дискретизации , который измеряется в секундах. Обозначим шаг дискретизации t (с). Тогда частота дискретизации выразится формулой:

H = 1/ t (Гц)

Частота измеряется в герцах. Один герц соответствует одному измерению в секунду: 1 Гц = 1 с –1 .

Чем выше частота дискретизации, тем более подробно числовой код будет отражать изменение амплитуды сигнала со временем. Хорошее качество записи звука получается при частотах дискретизации 44,1 кГц и выше (1 кГц = 1000 Гц).

Битовая глубина кодирования (b) - это размер двоичного кода, который будет представлять в памяти компьютера амплитуду сигнала. Битовая глубина связана с числом уровней разбиения амплитуды сигнала по формуле:

Процесс дискретизации амплитуды звука называют квантованием звука. Тогда величину К можно назвать количеством уровней квантования звука (рис . 10).

Рис. 10. Квантование аналогового сигнала

Значения измеряемой величины заносятся в регистр звуковой карты - специальную ячейку памяти прибора. Разрядность регистра равна b - битовой глубине кодирования. Далее эту величину также будем называть разрядностью квантования. Результат измерения представляется в регистре в виде целого двоичного числа.

Измеряемая физическая величина округляется до ближайшего к ней целого значения, которое может храниться в регистре звуковой карты.

На рис . 11 показано, как это происходит при трехразрядном квантовании аналогового сигнала. В графическом виде дискретизацию и квантование звука можно представить как переход от гладкой кривой к ломаной, состоящей из горизонтальных и вертикальных отрезков. Считается, что на каждом временнoм шаге значение измеряемой величины остается постоянным.

Рис. 11. Измерение переменной физической величины
с использованием трехразрядного регистра

В память компьютера результаты такого измерения будут записаны в виде последовательности трехразрядных двоичных чисел.

Объем записанной звуковой информации равен:

3 х 9 = 27 бит.

На самом деле трехразрядная дискретизация не используется на практике. Такой вариант рассмотрен здесь лишь в качестве учебного примера. Наименьший размер регистра у реальных приборов - 8 разрядов. В таком случае одно измеренное значение займет 1 байт памяти компьютера, а число уровней квантования равно 2 8 = 256. Измерения с таким регистром будут в 32 раза более точными, чем при трехразрядном регистре. При 16-разрядном регистре каждая величина в памяти займет 2 байта, а число уровней квантования:
2 16 = 32 768. Чем выше разрядность квантования, тем выше точность измерений физической величины. Но при этом растет и объем занимаемой памяти.

Дискретное цифровое представление аналогового сигнала тем точнее его отражает, чем выше частота дискретизации и разрядность квантования.

Теорема Найквиста – Котельникова. Человек слышит звуковые колебания приблизительно в диапазоне частот от 20 Гц до 20 кГц. Звук с частотами выше этого диапазона называетсяультразвуком , звук с меньшей частотой - инфразвуком. В теории связи известна теорема Найквиста – Котельникова, согласно которой частота дискретизации АЦП должна быть не менее чем в 2 раза выше частоты аналогового сигнала. Это значит, что если мы хотим сохранить в двоичном коде информацию о звуке с частотой 20 кГц, то частота дискретизации должна быть не меньше 40 кГц. В современном стандарте цифровой звукозаписи используется частота дискретизации 44,1 кГц.

Можно привести следующую образную аналогию этой теоремы. От размера ячейки рыболовной сети зависит размер рыб, которые будут в ней удерживаться. Чем меньше ячейки, тем мельче рыба удерживается сетью. Перефразированная на рыбацкий лад теорема Найквиста – Котельникова будет звучать так: длина стороны квадратной ячейки сети должна быть в два раза меньше поперечного размера самой мелкой рыбы, которую требуется поймать сетями. Например, если поперечный размер рыбы должен быть не меньше 10 см, то сторона квадратной ячейки рыболовной сети должна быть не больше 5 см. При выполнении АЦП “улавливаемые” гармоники подобны рыбам, попадающим в сети; шаг дискретизации подобен размеру ячеек сети. Подробнее о гармониках будет рассказано в следующем параграфе.

Задача 1. В течение 10 секунд производилась запись звука в компьютер. Определить объем записанной информации, если частота дискретизации была равна 10 кГц, а разрядность квантования - 16 бит.

Количество произведенных измерений звукового сигнала (N) при частоте дискретизации Н (Гц) за время t (с) вычисляется по формуле: N = H·t. Подставляя данные задачи, получим: N = 10 000·10 = 100 000 измерений. Разрядность квантования: 16 бит = 2 байта. Отсюда объем звуковой информации:

I = 100 000·2 = 200 000 б = 200 000/1024 Кб = 195,3125 Кб

Задача 2. В файле хранится записанный звук. Данные не подвергались сжатию. Объем файла равен 1 Мб. Известно, что запись производилась с частотой 22 кГц при разрядности квантования звука - 8 бит. Определить время звучания при воспроизведении звука, хранящегося в файле.

Из решения предыдущей задачи следует, что объем звуковой информации (I), частота дискретизации (H), разрядность квантования (b) и время записи звука (t) связаны между собой формулой:

Если воспроизведение записанного звука происходит без искажения, то время воспроизведения равно времени записи. Отсюда, искомая величина вычислится по формуле:

t = I/(Hb)

При вычислении переведем значения I и b в байты, а значение H - в герцы:

t = 1·1024·1024/(22 000·1) 47,66 c

Вопросы и задания

1. Назовите основные этапы технологии кодирования аналогового сигнала естественного происхождения.

2. В каких устройствах происходит кодирование света?

3. Какие технические устройства используются для кодирования звука?

4. Дайте определения понятиям: частота дискретизации, разрядность квантования, уровни квантования.

5. Определите объем цифрового кода при записи звука в течение 1 минуты, если частота дискретизации была равна 44,1 Гц, а разрядность квантования - 8 бит.

6. Определите частоту дискретизации при кодировании звука, если объем звукового файла оказался равным 500 Кб, время записи - 0,5 минуты, разрядность квантования - 16 бит. Файл получен после 50%-ного сжатия исходного кода.

График функцииY(x) - наглядное (графическое) отображение зависимости значения функции Y от значения аргумента x. График строится в пределах области определения функции (области изменения аргумента x) и области значений Y. Если у функции бесконечная область определения, то для построения графика выбирается тот ее отрезок, в пределах которого поведение функции наиболее характерно. График периодической функции, как минимум, должен отражать один период изменения значений функции.

Эксперимент 1: гармонические колебания

Рассмотрим способ построения графика периодической функции, описывающей гармонические колебания.Гармоническими колебаниями называются периодические изменения со временем некоторой физической величины, описываемые функциями синуса или косинуса. В общем виде они выглядят так:

Y = A·sin(2v t + j) или Y = A·cos(2 v t + j)

Здесь A - амплитуда колебаний; t - время (аргумент функции); v - частота колебаний, измеряемая в герцах; j - начальная фаза колебаний.

Период функций sin и cos равен 2. Значение функции (Y) изменяется в интервале от –А до +А. График функции синус называют синусоидой.

Звуковые колебания, описываемые гармонической функцией, называются гармоническими колебаниями . Чистые музыкальные тона: до, ре, ми и др. - представляют собой гармонические звуковые колебания разной частоты. Гармонические звуковые колебания издает камертон - эталонный источник музыкального тона. Гармонические колебания совершает математический маятник. В электрическом колебательном контуре сила тока периодически изменяется по гармоническому закону.

Рассмотрим способ построения графика гармонической функции в среде электронной таблицы. Покажем, как это делается, на примере табличного процессора MS Excel.

Работа происходит в два этапа:

1 - табулирование функции;

2 - построение графика функции.

Полученная электронная таблица представлена на рис . 12.

Рис. 12. Таблица и график гармонической функции.

Параметрами функции являются частота колебаний n и амплитуда А. Эти параметры вводятся, соответственно, в ячейки С1 и С2 . Значение начальной фазы j примем равным нулю.

Табулирование - это построение таблицы значений функции на некотором интервале значений аргумента с постоянным шагом. Шаг табулирования (t) записан в ячейке G1 .

Таблица помещена в ячейки А4:В25 . В столбце А расположены значения аргумента - времени t , в столбце В - значения функции Y=A·sin(2 v t ) . Изменение времени начинается со значения t = 0 (ячейка А5 ). В ячейке А6 записана формула: =A5+$G$1 . Далее эта формула копируется в следующие ячейки столбца А . Таким образом обеспечивается изменение времени с постоянным шагом, хранящимся в ячейке G1 .

В ячейку В5 заносится формула:

=$C$2*SIN(2*ПИ()*$C$1*A5).

По этой формуле вычисляется значение функции от аргумента, находящегося в ячейке А5 . Стандартная функция ПИ() возвращает значение числа Пифагора p. Формула из ячейки В5 копируется вниз по столбцу до ячейки В25 .

На рис . 12 показаны результаты табулирования функции для значений n = 10 Гц, A = 1. Шаг табулирования принят равным 0,005. При частоте 10 Гц период колебаний равен 1/10 = 0,1 с. При шаге табулирования 0,005 на одном периоде укладывается 20 шагов. Это вполне достаточное количество значений для построения графика функции.

Построение графика. Для графической обработки данных в табличном процессоре существует мастер построения диаграмм и графиков. Его вызов происходит через меню по командам: Вставка - Диаграммы. Дальнейшие шаги алгоритма следующие:

1 - выбрать тип диаграммы: стандартные - точечная, вид - сглаживающие линии

2 - задать диапазон данных (значений функции): в столбцах - В5:В25 ;закладка РЯД, значения Х: А5:А25

3 - определить заголовок: Y=A·sin(2 v t ) ; подписи под осями: t, Y; линии сетки; легенду (нет); подписи данных (нет).

4 - указать, на каком листе книги разметить диаграмму.

Нажмите ГОТОВО. График построен.

Толщину линий, цвет фона, вид координатной сетки можно настроить отдельно, используя контекстное меню (по правой кнопке мыши), задавая нужные форматы объектов.

Человек слышит звуковые колебания, в среднем, в диапазоне частот от 20 Гц до 20 кГц. Частота 10 Гц - это частота инфразвука. Некоторые животные воспринимают его на слух. Если же удвоить частоту, то будет достигнута нижняя частотная граница слышимости человека. Но тогда на временном интервале 0,1 секунды поместится два периода колебаний. Такой эксперимент легко выполнить на построенной электронной таблице. Измените значение частоты в ячейке С1 на 20, после чего будет пересчитана таблица, а график примет вид, представленный на рис . 13.

Рис. 13. График звуковых колебаний для n = 20 Гц

На интервале времени 0,1 секунды уложилось 2 периода функции. Следовательно, период колебаний равен 0,05 секунды.

Задания. Проведите несколько экспериментов с электронной таблицей для значений частоты: 5, 15, 30, 40 Гц. В каждом случае определите, сколько периодов колебаний укладывается в интервал 0,1 секунды.

Эксперимент 2: негармонические колебания

В разделе математики, который называется гармоническим анализом , доказано, что любую периодическую функцию Y(t) с частотой n можно представить в виде суммы гармонических (синусоидальных) функций с частотами n, 2n, 3n, 4n… Такие слагаемые называются гармониками , а представление функции в виде суммы гармоник называется ее гармоническим разложением:

Y(t) = A 1 sin(2v t + j 1) + A 2 sin(4v t + j 2) + A 3 sin(6v t + j 3) + …

Здесь А 1 , А 2 , … - амплитуды гармоник, j 1 , j 2 , …. - начальные фазы гармоник. Количество слагаемых для некоторых функций может быть конечным, но может быть и бесконечным.

Пример. Построим график негармонической периодической функции, представляемой в виде суммы двух гармоник:

Y(t) = A 1 sin(2v t) + A 2 sin(4v t)

Начальные фазы равны нулю. Выполним расчеты для следующих значений параметров: v = 20 Гц, A 1 = А 2 = 1. Как это было выше, вычисления будем производить на отрезке времени от 0 до 0,1 секунды, шаг табулирования - 0,005.

Для получения таблицы значений достаточно заменить содержимое ячейки В5 на следующую формулу:

=$C$2*SIN(2*ПИ()*$C$1*A5)+$C$2*SIN(2*ПИ()*2*$C$1*A5)

Затем скопировать эту формулу вниз по столбцу В.

Рис. 14. График негармонических колебаний

Построенный график представлен на рис . 14. Из графика видно, что период колебаний равен 0,05 с, т.е. равен периоду первой гармоники. Максимальная амплитуда колебаний увеличилась и стала равна приблизительно 1,54.

1. Получите график колебаний, который отличается от рассмотренных в примере тем, что амплитуда второй гармоники в два раза меньше, чем первой: A 2 = A 1 /2.

2. Получите график колебаний, складывающихся из трех гармоник со следующими параметрами: A 1 = 1,
v n 1 = 20 Гц; A 2 = A 1 /2, v 2 = 2v 1 Гц; A 3 = A 2 /2, v 3 = 2v 2 Гц. Начальные фазы равны нулю.

3. Получите график колебаний, складывающихся из двух гармоник с параметрами: A 1 = 1, v 1 = 20 Гц, j 1 = 0; A 2 = A 1 , v 2 = 2v 1 Гц, j 2 = p/2. Сравните полученный график с графиком на рис. 14. Как повлиял сдвиг фаз между гармониками на амплитуду колебаний, на период колебаний?

Эксперимент 3: дискретизация и квантование звуковых колебаний

В этом эксперименте моделируется процесс аналого-цифрового преобразования. АЦП включает в себя дискретизацию сигнала по времени и квантование значений амплитуды сигнала. Дискретизация по времени определяется значением частоты дискретизации H (Гц). Шаг по времени между двумя измерениями равен 1/Н секунд.

Процесс квантования амплитуды определяется параметром глубины квантования звука: b. Количество уровней квантования равно 2 b . Коды, определяющие амплитуду звукового сигнала, - это целые числа в диапазоне от 0 до 2 b – 1.

Модель процесса квантования звукового сигнала, реализованная в электронной таблице, представлена на рис. 15. Рассматривается гармонический сигнал с частотой n = 20 Гц. Значение частоты сигнала хранится в ячейке С1 . Частота дискретизации АЦП равна Н = 200 Гц (ячейка С2 ). Глубина квантования b = 8 бит (ячейка G2 ).

Столбец А содержит моменты времени измерений сигнала при выполнении АЦП. В ячейке А5 - начальный момент времени t = 0. Затем время увеличивается с шагом 1/H с. В ячейке А6 записана формула: =A5+1/$C$2 . Далее эта формула скопирована вниз по столбцу А .

Значение амплитуды аналогового сигнала вычисляется по формуле:

Y = 0,5(1+sin(2v t))

Такое преобразование синусоиды переносит ее в область неотрицательных значений Y в интервале от 0 до 1. Это сделано для упрощения описания дальнейшего процесса квантования. В ячейку В5 занесена следующая формула: =(1+SIN(2*ПИ()*$C$1*A5))/2 . Затем эта формула скопирована вниз по столбцу В .

В столбце С получены коды измерений амплитуды сигнала, представленные целыми десятичными числами. При записи в память компьютера они переводятся в двоичную систему счисления. В ячейку С5 помещена формула: =ЦЕЛОЕ(B5*2^$G$2) . Смысл ее следующий: поскольку Y лежит в диапазоне от 0 до 1, то значение выражения будет равно целым числам в диапазоне от 0 до 2 b . Здесь квадратные скобки обозначают выделение целой части числа.

При построении диаграммы “Кодирование сигнала” следует выбирать тип “Гистограмма”. Дискретный вид гистограммы наглядно отражает дискретный характер кода. Таблица построена в расчете на 21 измерение сигнала. При данных значениях n и Н удалось измерить два периода колебаний сигнала.

При изменениях трех параметров модели: v , Н и b - будет происходить автоматический пересчет таблицы. Например, если увеличить частоту дискретизации в 2 раза, т.е. занести в ячейку С2 число 400, то получим графики, представленные на рис. 16.

Рис. 15. Гармонический аналоговый сигнал и результаты квантования.

Рис. 16. АЦП с частотой дискретизации 400 Гц

Измерения произведены на одном периоде колебаний. Дискретный код теперь более подробно описывает колебательный процесс.

Рис. 17. АЦП с глубиной квантования 16 бит
и частотой дискретизации 400 Гц

Гистограмма квантования на рис. 17 получена для b = 16. Видно, что увеличился диапазон значений кода. Следовательно, кодирование дает более точную информацию о величине сигнала, чем при b = 8.

1. Проведите расчеты при значениях параметров:
v = 20 Гц, Н = 100 Гц, b = 8 бит. Сопоставьте с результатами на рис . 15. Сделайте выводы.

2. Проведите численные эксперименты по кодированию негармонических колебаний. Функции, описывающие негармонические колебания, возьмите из заданий к эксперименту № 2.

3*. Из теоремы Найквиста - Котельникова следует, что для восстановления по дискретному коду гармонических колебаний с частотойn частота дискретизации должна быть не меньше, чем 2v , т.е. должно выполняться условие: H 2v . Попробуйте проверить эту теорему на нашей модели. Попытайтесь объяснить получаемые результаты.

4. Составьте программу на Паскале, моделирующую процесс кодирования аналогового сигнала (без графики). Программа должна воспроизводить таблицы, которые были получены выше в среде табличного процессора.

§6. Сжатие двоичного кода

Любая информация в компьютере представляется в форме двоичного кода. Чем больше объем этого кода, тем больше места в памяти он занимает, тем больше времени требуется для его передачи по каналам связи. Все это сказывается на производительности компьютера, на эффективности использования компьютерных сетей.

Сокращение объема данных происходит путем сжатия двоичного кода. Возможны две ситуации при сжатии:

1) потеря информации в результате сжатия недопустима;

2) допустима частичная потеря информации в результате сжатия.

В первом случае сжатие , или упаковка , данных производится лишь для временного их хранения на носителях или передачи по каналам связи. Для работы с этими данными требуется их распаковка , т.е. приведение к первоначальному виду. При этом ни один бит не должен быть потерян. Например, если сжатию подвергается текст, то после распаковки в нем не должен быть искажен ни один символ. Сжатая программа также должна полностью восстанавливаться, поскольку малейшее искажение приведет ее в неработоспособное состояние. Сжатие без потери информации обычно используется при создании файловых архивов.

Упаковка с частичной потерей информации производится при сжатии кода изображения (графика, видео) и звука. Такая возможность связана с субъективными возможностями человеческого зрения и слуха.

Исследования ученых показали, что на наше зрение более существенное воздействие оказывает яркость точки изображения (пикселя), нежели ее цветовые свойства. Поэтому объем видеокода можно сократить за счет того, что коды цвета хранить не для каждого пикселя, а через один, два и т.д. пикселей растра. Чем больше такие пропуски, тем больше сжимаются видеоданные, но при этом ухудшается качество изображения.

При кодировании видеофильмов - динамичного изображения, учитывается свойство инерционности зрения. Быстро меняющиеся фрагменты фильма можно кодировать менее подробно, чем статические кадры.

Труднее всего сжатию поддается звуковой код. При хорошем качестве записи его объем в несжатом виде очень большой, а избыточность относительно мала. Здесь также используются психофизиологические особенности человеческого слуха. Учитывается, к каким гармоникам естественного звука наш слух более восприимчив, а к каким - менее. Слабо воспринимаемые гармоники отфильтровываются путем математической обработки. Сжатию способствует также учет нелинейной зависимости между амплитудой звуковых колебаний и восприятием нашим ухом громкости звучания.

Различные алгоритмы сжатия кодов изображения и звука используются для реализации различных форматов представления графики, видео и звука. Подробнее об этом будет рассказано в разделе, посвященном информационным технологиям.

Упаковка без потери информации. Существует два подхода к решению проблемы сжатия информации без ее потери. В основе первого подхода лежит использование неравномерного символьного кода. Второй подход основан на идее выявления повторяющихся фрагментов кода.

Рассмотрим способ реализации первого подхода. В восьмиразрядной таблице символьной кодировки (например, KOI-8) каждый символ кодируется восемью битами и, следовательно, занимает в памяти 1 байт. В разделе 1.2.3 нашего учебника рассказывалось о том, что частота встречаемости разных букв (знаков) в тексте разная. Там же было показано, что информационный вес символов тем больше, чем меньше его частота встречаемости. С этим обстоятельством и связана идея сжатия текста в компьютерной памяти: отказаться от кодирования всех символов кодами одинаковой длины. Символы с меньшим информационным весом, т.е. часто встречающиеся, кодировать более коротким кодом по сравнению с реже встречающимися символами. При таком подходе можно существенно сократить объем общего кода текста и, соответственно, места, занимаемого им в памяти компьютера.

Мы уже рассматривали азбуку Морзе, в которой применен принципнеравномерного кода. Если точку кодировать нулем, а тире - единицей, то это будет двоичный код. Правда, возникает проблема разделения букв друг от друга. В телеграфном сообщении она решается с помощью паузы - фактически третьего знака в азбуке Морзе.

Одним из простейших, но весьма эффективных способов построения двоичного неравномерного кода, не требующего специального разделителя, является алгоритм Д.Хаффмана (D.A. Huffman, 1952 г.). Вариант кодовой таблицы Хаффмана применительно к прописным буквам латинского алфавита приведен в табл. 5.

В этой таблице буквы расположены в порядке убывания частоты повторяемости в тексте. Самые часто используемые в текстах буквы Е и Т имеют коды размером 3 бита. А самые редкие буквы Q и Z - 10 бит. Чем больше размер текста, закодированного таким кодом, тем меньше его информационный объем по сравнению с объемом при использовании однобайтовой кодировки.

Особенностью данного кода является его так называемая префиксная структура. Это значит, что код любого символа не совпадает с началом кода всех остальных символов. Например, код буквы Е - 100. Посмотрите табл. 5. Там нет ни одного другого кода, начинающегося с этих трех символов. По этому признаку символы отделяются друг от друга алгоритмическим путем.

Пример 1. Используя код Хаффмана, закодировать следующий текст, состоящий из 29 знаков:

WENEEDMORESNOWFORBETTERSKIING

Используя табл. 5, закодируем строку:

011101 100 1100 100 100 11011 00011 1110 1011 100 0110 1100 1110 011101 01001 1110 1011 011100 100 001 001 100 1011 0110 110100011 1010 1010 1100 00001

После размещения этого кода в памяти побайтно он примет вид:

01110110 01100100 10011011 00011111 01011100 01101100 11100111 01010011 11010110 11100100 00100110 01011011 01101000 11101010 10110000 001

В шестнадцатеричной форме он запишется так:

76 64 9B 1F 5C 6C E7 53 D6 E4 26 5B 68 EA B0 20.

Таким образом, текст, занимающий в кодировке ASCII 29 байтов, в кодировке Хаффмана займет 16 байтов. Коэффициентом сжатия называют отношение размера кода в байтах после сжатия к размеру до сжатия (т.е. в 8-битовой кодировке). В данном примере коэффициент сжатия оказался равным 16/29 0,55.

Раскодирование (распаковка) текста производится с помощью двоичного дерева кодирования Хаффмана . Графическое изображение дерева Хаффмана, соответствующего табл. 5, представлено на рис. 18. Двоичным называется дерево, из каждой вершины которого выходят не более двух ветвей.

Листьями этого дерева, расположенными на концах ветвей, являются символы алфавита. Код символа формируется из последовательности двоичных цифр, расположенных на пути от корня дерева до листа-символа.

Распаковка текста происходит путем сканирования двоичного кода слева направо, начиная с первого разряда, продвигаясь от корня по соответствующим (имеющим тот же двоичный код) ветвям дерева до тех пор, пока не будет достигнута буква. После выделения в коде буквы процесс раскодирования следующей буквы начинается снова от корня двоичного дерева.

Пример 2. Раскодировать следующий двоичный код, полученный по алгоритму Хаффмана (пробелами код разделен на байты):

01010001 00100101 00100011 11111100

Двигаясь по дереву Хаффмана, начиная от первого слева разряда, получим следующую расшифровку:

Получилось слово HUFFMAN. Упакованный код занимал 4 байта, исходный код -
7 байтов. Следовательно, коэффициент сжатия был равен 4/7 0,57.

Дерево на рис. 18 представляет сокращенный вариант кода Хаффмана. В полном объеме в нем должны быть учтены все возможные символы, встречающиеся в тексте: пробелы, знаки препинания, скобки и др.

В программах, сжимающих текст, таблицу частоты встречаемости символов строят для каждого обрабатываемого текста, а затем формируют коды разной длины типа кодов Хаффмана. В таком случае сжатие текста становится еще более эффективным, так как кодирование настраивается именно на данный текст. В теории программирования алгоритмы, находящие оптимальное решение для каждого конкретного варианта задачи, называются жадными алгоритмами.

К методам сжатия путем учета числа повторений фрагментов кода относятся алгоритм RLE и алгоритмы Лемпеля - Зива. В алгоритме RLE выявляются группы идущих подряд одинаковых однобайтовых кодов. Каждая такая группа заменяется на два байта: в первом указывается число повторений (не более 127), во втором - повторяющийся байт. Такой алгоритм благодаря своей простоте работает достаточно быстро. Наибольшую эффективность он дает при сжатии графической информации, содержащей большие области равномерной закраски.

В алгоритмах Лемпеля - Зива (LZ77, LZ78) выявляются повторяющиеся последовательности байтов. Их условно можно назвать словами. Если при последовательном просмотре данных обнаруживается слово, которое уже встречалось раньше, то на него формируется ссылка в виде смещения назад относительно текущей позиции и длины слова в байтах. Программная реализация таких алгоритмов сложнее, чем для метода RLE. Но зато эффект сжатия получается значительно выше .

К методам кодирования информации мы еще вернемся, когда будем рассматривать приемы защиты данных путем шифрования.

Вопросы и задания

1. В каких случаях при сжатии данных можно допускать частичную потерю информации, а в каких нельзя?

2. За счет чего коды переменной длины позволяют “сжимать” текст?

3. Закодируйте с помощью кодов Хаффмана следующий текст:

HAPPYNEWYEAR. Вычислите коэффициент сжатия.

4. Расшифруйте с помощью двоичного дерева Хаффмана следующий код:

11110111 10111100 00011100 00101100 10010011

01110100 11001111 11101101 001100

5. В чем идея алгоритма сжатия RLE? Какой тип информации сжимается наилучшим образом по этому алгоритму?

6. В чем идея алгоритма сжатия Лемпеля - Зива?

7. Какие свойства зрения и слуха человека используются для сжатия графической и звуковой информации?

Подробнее об алгоритмах сжатия см.: Андреева Е.В., Босова Л.Л., Фалина И.Н. Математические основы информатики. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007.

08.11.2016

Цифровые технологии меняют наши привычки, интерьер наших квартир, стиль нашей жизни и язык нашего общения. Они преобразуют бизнес и правительство, развлечения и образование, науку и медицину. Они существенно изменили и самого человека, особенно в социально-экономических и культурных аспектах. Каждый третий житель нашей планеты носит с собой сотовый телефон и в местах, где связь "не очень" нам нужно усиление сотовой связи и направленные антенны. Все большее число часов мы проводим «в цифровом пространстве» Интернета и все меньше времени уделяем таким средствам информации, как телевидение и радио. Бумажные носители вытесняются электронными. Все большее число пассажиров в метро читает не традиционные книги, а загруженные из Сети их электронные версии.

Цифровые технологии в том виде, в каком мы их знаем сегодня, радикально изменили и наш бизнес и нашу частную жизнь. Хранение и передача данных стали более эффективными. Интернет, особенно после создания WWW, позволяет человечеству создавать и обмениваться информацией и знаниями в глобальном масштабе.

Цифровой, невидимый и вездесущий

Следующим шагом цифровой революции будет вездесущность цифровых технологий. Наши фотоаппараты и МР3-плееры, электронные записные книжки и мобильные телефоны все больше напоминают карманные компьютеры, приобретая возможности видеосъемки, записи звука, высокоскоростной передачи данных.

Технические инновации, основанные на самых разных технологиях, среди которых радиоидентификация и радиодатчики, меняют модели человеческого существования в нашем цифровом веке. Информационные и коммуникационные возможности становятся невидимыми и повсеместными.

Теория будущей «вездесущности компьютеров» Марка Вейзера - бывшего главного ученого исследовательского центра Xerox в Пало-Альто - говорит о том, что самые сильные, совершенные и глубокие технологии - это «те, что исчезают, вплетают себя в ткань повседневной жизни, пока не растворятся в ней». Согласно этому мнению, все наши привычные вещи скоро превратятся в миниатюрные компьютеры. И это - не вымысел. Стоит только обратить внимание на тенденции смены поколений компьютеров. Они не просто становятся меньше. Они становятся все многочисленнее и все незаменимее. Решение многих задач более не потребует вмешательства человека, и технологии, такие заметные вчера, завтра будут исчезать из нашего поля зрения. В то же время повсеместно в окружающей нас среде, у самых повседневных вещей появится способность к обработке информации.

Два с половиной десятка лет назад ЭВМ, обслуживающие десятки человек, были обыденным явлением. Затем появились персональные компьютеры - одна машина на одного человека, теперь наше общество находится в фазе перехода к повсеместно распространенным компьютерам, когда несколько цифровых устройств обслуживают одного человека. Рисунок 2, взятый из статьи Марка Вейзера «Компьютер XXI века», иллюстрирует наступление эпохи повсеместной компьютеризации. На нем видны этапы роста, насыщения и спада трех поколений компьютеров.

Новые векторы развития Сети

Так давно предсказываемая цифровая конвергенция становится реальностью во многих областях жизни. За последние два десятилетия телефонная связь изменилась до неузнаваемости. Получила повсеместное распространение беспроводная телефония. В то же время телефон перестает быть средством только речевого общения. Трафик данных в сетях связи растет намного быстрее, чем трафик речевой. И в то время как мобильные операторы стремятся выжать максимальную выгоду из речевой связи, операторы других услуг - передачи речи по интернет-протоколу (VoIP) - стараются эту выгоду минимизировать.

Своей растущей популярностью технология VoIP обязана множеству преимуществ, которые, все вместе, для многих категорий пользователей - от домохозяек до трансконтинентальных корпораций - образуют чрезвычайно привлекательный метод общения. VoIP-вызовы зачастую оказываются бесплатными или, по крайней мере, дешевле обычной телефонии. Пользователи могут вызывать адресата из любой точки, где есть выход в Интернет, и пользоваться при этом множеством дополнительных услуг, таких, как перенаправление вызова, видеосвязь, конференц-связь, обмен файлами и т. п.

Услуги VoIP существуют с 90-х годов прошлого века. Однако массовое их распространение стало заметно относительно недавно. Среди наиболее известных служб, нацеленных на определенных потребителей, можно выделить Skype.

Skype - это служба, благодаря которой можно посредством специальной компьютерной программы бесплатно звонить другим абонентам Skype во всем мире. При наличии у абонентов веб-камер Skype позволяет устраивать видеоконференции. Можно также звонить на обычные стационарные и мобильные телефоны по очень низким тарифам. Skype включает в себя функции систем мгновенного обмена сообщениями, при этом позволяет организовывать чаты с участием до 100 человек одновременно и сохранять получаемую информацию.

Skype начала свою работу в 2003 году и через пару лет была куплена компанией eBay, крупнейшим в мире сетевым аукционом. Присоединение Skype к eBay подтолкнуло несколько других крупных компаний к началу экспериментов с интернет-телефонией. Так, Microsoft недавно приобрела VoIP-компанию Teleo, Yahoo! купила фирму DialPad, а Google начала предоставлять сервис Talk. Провайдеры услуг телефонии также проявляют интерес к VoIP. British Telecom и Nokia испытывают интеллектуальные абонентские терминалы, которые «бесшовно» переключаются между сотовыми и VoIP-сетями, позволяя абоненту избежать необходимости покупать два различных терминала и оплачивать счета двух операторов.

Новый вид инфраструктуры

Устройства, обменивающиеся данными по радио, легко соединять в сеть: не надо рыть траншеи или строить кабельную канализацию, не надо прокладывать кабели. Однако современный мир с его многогигабайтными потоками не может обойтись без фиксированной инфраструктуры, поэтому и фиксированные сети тоже не стоят на месте. Основное направление развития здесь - создание полномасштабных оптических сетей, характеризующихся огромной пропускной способностью. В развитых странах магистральные сети, обеспечивающие междугородную и международную связь - уже полностью оптические. Сети, соединяющие дома и производственные здания с магистральной сетью - так называемые сети доступа, сегодня пока еще используют медные кабели и технологии DSL. Но и они, несомненно, будут замещаться оптическими линиями, реализуя концепцию FTTH (fibre-to-the-home). Ну, и последний шаг - оптические линии связи внутри зданий - также не заставит себя долго ждать.

Общее мнение экспертов сводится к тому, что в развитом мире оптические сети составят вездесущую фиксированную инфраструктуру. Эти сети будут дополняться радиосетями, чья роль будет триединой.

Первая: обеспечивать удобное присоединение терминальных устройств к инфраструктуре. По аналогии с термином «последней мили», широко используемым в сегодняшней телекоммуникационной литературе, завтрашние сети радиодоступа будут сетями «последних метров» - расстояние от локальных приемопередатчиков до оптических сетей.

Вторая: связь для подвижных объектов. Эта роль, как и первая, является классической ролью подвижной связи.

Третья роль - относительно новая. Она заключается в соединении устройств без использования инфраструктуры. Имеет ли это смысл? Да, имеет. Например, для всех мест и ситуаций, где инфраструктуры просто нет (например в развивающихся странах) либо она недоступна или повреждена (например из-за аварии). Кроме того, если верить теории вездесущности компьютеров, то однажды нам потребуется соединить в одну сеть множество дешевых устройств, которые, вероятно, будут решать некие локальные задачи в офисе или дома. Вероятно, что оборудовать такие устройства интерфейсами UMTS или WLAN окажется слишком дорого. Вот здесь-то нам и понадобится возможность соединить устройства без подключения их к сетевой инфраструктуре. Именно для таких целей была придумана в свое время технология Bluetooth, которая и стала первым шагом в этом направлении.

Новый стиль жизни

Вряд ли кто-нибудь в состоянии подсчитать, насколько велика сегодня Всемирная паутина. Yahoo! оценивает ее размер в 40 миллиардов страниц. В сотни раз больше - объем закрытых данных, хранимых различными организациями .

Зачастую мы используем Интернет, даже не подозревая об этом. Набирая телефонный номер, мы не задумываемся, что часть пути наш вызов пройдет по VoIP-участку через Интернет. Когда мы отправляем электронное письмо коллеге из соседнего офиса, нас не интересует, через какие серверы оно будет перемещаться. Нажимая кнопку «Поиск» в Google или Yahoo!, мы просто хотим получить информацию. Интернет, вместе с иллюзией «всеобщности» знаний, принес нам новый стиль жизни. И вместе с новыми стилем жизни - новый рынок услуг.

Насколько же велик рынок «цифрового стиля жизни»?

На одном уровне - это огромный сегмент, объединяющий в себе такие цифровые отрасли, как связь, телерадиовещание и компьютерная индустрия. Но с другой стороны - это рынок для одного человека, который равно ценит как платные, так и бесплатные услуги. Здесь следует помнить, что ключевой социальной силой рынка новых услуг связи является тенденция общества к индивидуализации, стремление клиента выбирать продукты и услуги, руководствуясь только своими запросами. Поэтому поставщикам и операторам придется предложить потребителю возможность непосредственного и личного выбора и «подгонки» получаемых услуг. Мультимедийная связь, электронная торговля, телемедицина, дистанционное обучение, вездесущность компьютеров - в домах, офисах, автомобилях; радиосети в кафе и фитнес-клубах, магазинах и отелях, аэропортах и вузах - все это вместе приведет к существенному росту глобального трафика, передаваемого по Интернету.

Таким образом, совершенно очевидно, что на наших глазах три составные части новых услуг - связь, телерадиовещание и компьютерная индустрия - должны объединиться и создать новый рынок, у которого пока еще нет правильного названия, но оно появится и, вероятно, очень скоро.

Новые противоположности

Служба IBM Global Business Services опубликовала новый отчет «Движение в условиях разрыва медиасреды: инновации и реализация новых бизнес-моделей» , описывающий конфликт, перед лицом которого оказались традиционные владельцы контента и его распространители. Именно он назван в Отчете «разрывом медиасреды», который характеризуется напряженностью взаимоотношений между традиционными участниками медиарынка и «пришельцами» из области цифровых технологий. Специалисты IBM прогнозируют, что в ближайшие четыре года суммарные доходы от новых видов распространения медиаконтента будут расти на 23% в год - примерно в пять раз превышая темпы роста на традиционном рынке СМИ и развлечений. Кроме того, согласно экспертным оценкам, при переходе к цифровым технологиям формирования, хранения и распространения контента музыкальная отрасль потеряет примерно 90–160 млрд. долларов, и еще большие потери понесут телевизионная и киноиндустрия, если не будет найдено приемлемого выхода из сложившейся конфликтной ситуации.

Если приглядеться, то можно легко увидеть четкий раздел между старой и новой средами распространения контента. В традиционной среде по-прежнему преобладает контент, который создается специалистами и распространяется через фирменные платформы. Его защищают голограммами, ставят штампы «Все права сохранены», за ходом его распространения наблюдают высокооплачиваемые юристы, дела о нелегальном (читай - неоплаченном) использовании такого контента рассматриваются в судах самых разных инстанций. В новой среде контент зачастую создается пользователями, а доступ к нему осуществляется через открытые ресурсы. Эти полярные тенденции четко определяют конфликт между действующими и новыми участниками рынка.

Еще один конфликт возникает между уже существующими участниками рынка - традиционными владельцами ресурсов (кинокомпаниями, разработчиками игр и студиями звукозаписи) и их распространителями (телекомпаниями, предприятиями розничной торговли, кинопрокатчиками, поставщиками услуг кабельной и спутниковой связи). Существующий раздел медиасреды сталкивает партнеров друг с другом в борьбе за рост доходов.

Сегодняшнее противостояние традиционных и новых провайдеров ресурсов мультимедиа достигло точки наивысшего напряжения. Проблема, которая изначально была чисто технической и заключалась всего лишь в замене аналоговых средств связи на цифровые, переросла в экономическую, юридическую и даже политическую. Так что пришло время менять бизнес-модели, внедрять инновации и пересматривать партнерские отношения.

Новые фирмы и новые отношения

По традиции, рынки оцениваются в параметрах спроса и предложения, на основании которых производители и провайдеры услуг принимали решение о том, за какие «ценности» будут платить потребители, и старались эти ценности создать. Но в зародившемся цифровом мире, похоже, потребители сами создают эти ценности. Классическими примерами такого «самообслуживания» являются массовые онлайновые игры, общественные сайты.

Даже такие традиционные фирмы, как операторы связи, начинают двигаться в направлении «персонализации». В XIX веке телеграфные сообщения печатались и декодировались служащими телеграфных компаний, к XX веку пользователи могли сами отправлять и получать сообщения, но оборудование сети принадлежало телефонной компании. В XIX веке для передачи сообщений все чаще используется оборудование, принадлежащее пользователю.

Аналогичные тенденции можно наблюдать в области компьютеров (например, использование бесплатного ПО и ПО с открытым кодом) и в области вещания (где обычные люди все чаще участвуют в создании контента, снимаясь в реалити-шоу или позвонив в студию в прямом эфире теле- или радиопередачи).

Движение в сторону персонализации и увеличения ценностей, создаваемых самими пользователями, изменяет вид рынка. Основными показателями этого являются следующие.

Что есть услуга и кто ее потребитель?

Что можно считать сегодня базовой услугой технологий информации и связи? Двадцать лет назад ее определяли как «телефон в каждом доме». Сегодня базовый сервис - не только доступность необходимых услуг или оборудования, но и обеспечиваемое ими качество. В борьбе за качество и пропускную способность, а в конечном счете - за клиента ломаются копья, сливаются и банкротятся компании, рушатся регуляторные устои, пишутся концепции и не сбываются прогнозы.

В конце 2006 года Международный союз электросвязи издал свой ежегодный - седьмой по счету - доклад группы аналитиков о тенденциях развития сети Интернет. Он озаглавлен «Digital.life» и говорит, что в ближайшие десятилетия нам стоит ждать рассвета новой эры цифровизации, в ходе которой сегодняшний «Интернет данных и людей» уступит место завтрашнему «Интернету вещей».

В своем докладе аналитики МСЭ напоминают читателю, как в самом начале интернет-эпохи нас поражала возможность контакта - без телефонисток и междугородных звонков - с людьми, находящимися за океанами, в других часовых поясах, а то и в других полушариях. Как непривычно было получать доступ к информации, находясь перед экраном домашнего компьютера, а не в Ленинской библиотеке!

Следующим логическим шагом в этой технологической революции, по мнению экспертов, будет объединение в сеть неодушевленных предметов. Они будут связываться в режиме реального времени и, тем самым, радикально преобразуют Интернет. Согласно отчету, в настоящее время в мире насчитывается около 875 миллионов пользователей глобальной сети. И это число может просто удвоиться, если люди так и останутся основными пользователями будущего. Но эксперты рассчитывают, что в ближайшие десятилетия число подключенных к сети терминалов будет исчисляться десятками миллиардов. Это и лежит в основе Интернета вещей. «Интернет вещей сделает возможными новые формы использования вещей, каких мы до настоящего времени и не предполагали», - предсказывают авторы отчета.

Но несмотря на то что причин для беспокойства довольно много, ясно одно: наука и техника продолжают двигаться вперед. Интернет перестает быть чем-то самостоятельным, он охватывает всю нашу жизнь. Многомиллиардные инвестиции в технологии обработки и передачи данных приводят к появлению все новых и новых услуг и возможностей для потребителя, а значит - все новых рынков и новых доходов. Этот процесс непредсказуем, как непредсказуем ход движения мысли изобретателя.

Вряд ли стоит пытаться осознать пути развития прогресса, перед тем как продолжить движение вперед. В условиях головокружительной скорости появления и смены технологий искусственная остановка, «чтобы осознать», может стоить довольно дорого. И в этом я готова поспорить с авторами уже упоминавшегося мною отчета МСЭ, которые призывают пожинать плоды глобального Интернета вещей «только после полного понимания этого прогресса, связанных с ним выгод и трудностей».

Наш мир постепенно становится цифровым. Мы сейчас в самом эпицентре цифровой революции, которая зародилась в начале 1980-х и постепенно вытесняет из нашего быта и бизнеса аналоговые услуги и устройства, заменяя их цифровыми.