Аналоговые конференц-системы VS цифровые: за что стоит платить? Преимущества цифровой техники.

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.

§1. Сигнал - носитель информации

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.

§5. Численные эксперименты по обработке звука

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.

Введение

Целью данной работы является рассмотрение преимуществ цифровой техники и их причин.

Цифровые технологии, как таковые, основаны на представлении сигналов дискретными полосами аналоговых уровней, а не в виде непрерывного спектра. Все уровни в пределах полосы представляют собой одинаковое состояние сигнала.

С конца 90-х годов прошлого века принято считать, что именно за цифровыми технологиями стоит будущее. В этой работе я попытаюсь осветить основные причины и тезисы такой точки зрения.

1. Аналоговый сигнал

Аналоговый сигнал - сигнал данных, у которого каждый из представляющих параметров описывается функцией времени и непрерывным множеством возможных значений. Такие сигналы описываются непрерывными функциями времени, поэтому аналоговый сигнал иногда называют непрерывным сигналом.

Свойства аналоговых сигналов в значительной мере отражают их непрерывность:

·Отсутствие чётко отличимых друг от друга дискретных уровней сигнала приводит к невозможности применить для его описания понятие информации в том виде, как она понимается в цифровых технологиях. Содержащееся в одном отсчёте «количество информации» будет ограничено лишь динамическим диапазоном средства измерения.

·Отсутствие избыточности. Из непрерывности пространства значений следует, что любая помеха, внесенная в сигнал, неотличима от самого сигнала и, следовательно, исходная амплитуда не может быть восстановлена. В действительности фильтрация возможна, например, частотными методами, если известна какая-либо дополнительная информация о свойствах этого сигнала (в частности, полоса частот).

Рассмотрим этот вид сигнала на простом примере. Во время разговора, наши голосовые связки излучают определенную вибрацию различной тональности (частоты), и громкости (уровня звукового сигнала). Эта вибрация, пройдя некоторое расстояние, попадает в человеческое ухо, воздействуя там, на так называемую слуховую мембрану. Эта мембрана, начинает вибрировать с такой же частотой и силой вибрации какую излучали наши звуковые связки, с одним лишь отличием, что сила вибрации за счет преодоления расстояния, несколько ослабевает.

Так вот, передачу голосовой речи от одного человека к другому, можно смело назвать аналоговой передачей сигнала , и вот почему.

Здесь дело в том, что наши голосовые связки, излучают такую же звуковую вибрацию, какую и воспринимает само человеческое ухо (что говорим, то и слышим), то есть, передаваемый и принимаемый звуковой сигнал, имеет схожую форму импульса, и такой же частотный спектр звуковых вибраций, или по другому сказать, «аналогичной» звуковой вибрации.

Теперь, рассмотрим более сложный пример. И за этот пример, возьмем упрощенную схему телефонного аппарата, то есть того телефона, которым люди пользовались задолго до появления сотовой связи.

Во время разговора, речевые звуковые вибрации передаются на чувствительную мембрану телефонной трубки (микрофона). Затем, в микрофоне, звуковой сигнал преобразуется в электрические импульсы, и далее поступает по проводам ко второй телефонной трубке, в которой, с помощью электромагнитного преобразователя (динамика или наушника) электрический сигнал преобразуется обратно в звуковой сигнал.

В приведенном выше примере, используется, опять же, «аналоговое » преобразование сигнала. То есть, звуковая вибрация имеет такую же частоту, как и частота электрического импульса в линии связи, а так же, звуковой и электрический импульсы, имеют схожую форму (то есть, аналогичную).

В передаче телевизионного сигнала, сам аналоговый радиотелевизионный сигнал имеет достаточно сложную форму импульса, а так же, достаточно высокую частоту этого импульса, ведь в нем передается на большие расстояния, как звуковая информация, так и видео.

2. Цифровой сигнал

Цифровой сигнал - сигнал данных, у которого каждый из представляющих параметров описывается функцией дискретного времени и конечным множеством возможных значений.

Сигналы представляют собой дискретные электрические или световые импульсы. При таком способе вся емкость коммуникационного канала используется для передачи одного сигнала. Цифровой сигнал использует всю полосу пропускания кабеля. Полоса пропускания - это разница между максимальной и минимальной частотой, которая может быть передана по кабелю. Каждое устройство в таких сетях посылает данные в обоих направлениях, а некоторые могут одновременно принимать и передавать. Узкополосные системы передают данные в виде цифрового сигнала одной частоты.

Дискретный цифровой сигнал сложнее передавать на большие расстояния, чем аналоговый сигнал, поэтому его предварительно модулируют на стороне передатчика, и демодулируют на стороне приёмника информации. Использование в цифровых системах алгоритмов проверки и восстановления цифровой информации позволяет существенно увеличить надёжность передачи информации.

Следует иметь в виду, что реальный цифровой сигнал по своей физической природе является аналоговым. Из-за шумов и изменения параметров линий передачи он имеет флуктуации по амплитуде, фазе / частоте поляризации. Но этот аналоговый сигнал (импульсный и дискретный) наделяется свойствами числа. В результате для его обработки становится возможным использование численных методов (компьютерная обработка).

За пример, «цифрового сигнала» , возьмем принцип передачи информации с помощью достаточно известной «азбукой Морзе». Для тех, кто не знаком с таким видом передачи текстовой информации, далее вкратце поясню основной принцип.

Раньше, когда передача сигнала по воздуху (с помощью радиосигнала), еще только развивалась, технические возможности приемо-передающей аппаратуры не позволяли передавать речевой сигнал на большие расстояния. Поэтому, вместо речевой информации использовали текстовую. Так как текст состоит из букв, то эти буквы передавались с помощью коротких и длинных импульсов тонального электрического сигнала.

Такая передача текстовой информации называлась - передача информации с помощью «Азбуки Морзе».

Тональный сигнал, по своим электрическим свойствам, имел большую пропускную способность, чем речевой, и вследствие этого радиус действия приемо-передающей аппаратуры увеличивался.

Единицами информации в такой передаче сигнала, условно назывались «точка» и «тире». Короткий тоновый сигнал означал точку, а длинный тоновый сигнал тире. Здесь, каждая буква алфавита состояла из определенного набора точек и тире. Так например, буква А обозначалась комбинацией».- » (точка-тире), а буква Б «- … » (тире-точка-точка-точка), ну и так далее.

То есть, передаваемый текст, кодировался с помощью точек и тире в виде коротких и длинных отрезках тонового сигнала. Если слова «АЗБУКА МОРЗЕ» выразить с помощью точек и тире, то это будет выглядеть так:

В основу цифрового сигнала, положен очень похожий принцип кодирования информации, только сами единицы информации там уже другие.

Любой цифровой сигнал состоит из так называемого «двоичного кода». Здесь, за единицы информации используются логический 0 (ноль), и логическая 1 (единица).

Если за пример, мы возьмем обычный карманный фонарик, то если включить его, то это как бы будет означать логическую единицу, а если выключим, то логический ноль.

В цифровых электронных микросхемах за единицы логической 1 и 0, принимают определенный уровень электрического напряжения в вольтах. Так, к примеру, логическая единица будет означать 4,5 вольта, а за логический ноль 0,5 вольт. Естественно для каждого типа цифровых микросхем, значения величины напряжений логического нуля и единицы, разные.

Любая буква алфавита, как и на примере с описанной выше азбукой Морзе, в цифровом виде, будут состоять из определенного количества нулей и единиц, располагающиеся в определенной последовательности, которые в свою очередь, входят в пакеты логических импульсов. Так например, буква А будет одним пакетом импульсов, а буква Б другим пакетом, но в букве Бпоследовательность нулей и единичек будет уже другой чем в букве А (то есть, различной комбинации расположения нулей и единичек).

В цифровой код, можно закодировать практически любой вид передаваемого электрического сигнала (включая и аналоговый), и не важно, будет это картинка, видеосигнал, аудио сигнал, или текстовая информация, причем можно передавать эти виды сигнала, практически одновременно (в едином цифровом потоке).

3. Аналоговые приборы

С появлением электричества у людей появилась возможность использовать технику, работающую от тока. С каждым днем появлялось все больше новых приборов, наука развивалась, техника совершенствовалась. Тогда все изобретения считались аналоговыми. Слово «аналоговый» означало, что прибор работает по аналогии чего-то. Чтобы было понятнее, рассмотрим измерительный прибор. Допустим, нужно построить график измерений, сами данные измерений известны. Прибор сначала выведет уравнение по известным данным, которое описывает поведение графика, а затем попытается построить график. Он работает по аналогии уравнения, строго подчиняется его законам. А насколько точно уравнение описывает график, прибору это неважно. Таким образом, аналоговые электронные устройства - это устройства усиления и обработки аналоговых электрических сигналов, выполненные на основе электронных приборов. Следует выделить две большие группы, по которым можно классифицировать аналоговые электронные устройства:

·Усилители - это устройства, которые за счет энергии источника питания формируют новый сигнал, являющийся по форме более или менее точной копией заданного, но превосходит его по току, напряжению или по мощности.

·Устройства на основе усилителей - в основном преобразователи электрических сигналов и сопротивлений.

Преобразователи электрических сигналов (активные устройства аналоговой обработки сигналов) - выполняются на базе усилителей, либо путем непосредственного применения последних со специальными цепями обратных связей, либо путем некоторого их видоизменения. Сюда относят устройства суммирования, вычитания, логарифмирования, антилогарифмирования, фильтрации, детектирования, перемножения, деления, сравнения и др. Преобразователи сопротивлений выполняются на основе усилителей с обратными связями. Они могут преобразовывать величину, тип, характер сопротивления. Используют их в некоторых устройствах обработки сигналов. Особый класс составляют всевозможные генераторы и связанные с ними устройства.

4. Цифровые приборы

Цифровыми называются измерительные приборы, автоматически вырабатывающие дискретные сигналы измерительной информации и дающие показания в цифровой форме. Под дискретными понимают сигналы, значения которых выражены числом N импульсов. Система правил для представления информации с помощью дискретных сигналов называется кодом. Дискретные сигналы в отличие от непрерывных имеют лишь конечное число значений, определяемое выбранным кодом.

Главными и обязательными функциональными узлами электронных цифровых измерительных приборов являются аналого-цифровые преобразователи, в которых измеряемая аналоговая, т.е. непрерывная во времени, физическая величина X автоматически преобразуется в эквивалентный ей цифровой код, а также цифровые отсчётные устройства, в которых полученные кодовые сигналы N преобразуются в цифровые символы десятичной системы счисления, удобные для визуального восприятия. Цифровая форма представления результата измерения по сравнению с аналоговой ускоряет считывание и существенно уменьшает вероятность субъективных ошибок. Так как большинство цифровых измерительных приборов содержат предварительные аналоговые преобразователи, предназначенные для изменения масштаба измеряемой входной величины х или её преобразования в другую величину Y = f(x), более удобную для выбранного метода кодирования, то в общем случае структурная схема прибора представляется в виде рис.

Структурная схема цифрового измерительного прибора

Современные цифровые приборы содержат аналого-цифровые преобразователи, способные производить сотни и более преобразований в секунду, что позволяет регистрировать быстро протекающие физические процессы и легко сопрягать объекты исследования с ЭВМ. Цифровые приборы - новая ступень эволюции техники, работающей по цифровым данным.

Для наглядности рассмотрим тот же случай - нужно построить график по заданным измерениям. Прибор не станет составлять уравнение, он разобьет график на мелкие кусочки, и по известным данным для каждого кусочка рассчитает координаты. Затем прибор построит каждый кусочек по полученным координатам, и из-за того, что таких кусочков огромное количество, они будут представлять непрерывный график. Вот так работает цифровая техника.

5. Основные преимущества цифровых приборов перед аналоговыми

Цифровой сигнал, по своим электрическим свойствам (также как и в примере с тональным сигналом), имеет большую пропускную способность передачи информации, нежели аналоговый сигнал. Также, цифровой сигнал, можно передавать на большее расстояние, чем аналоговый, причем без снижения качества передаваемого сигнала. Например, непрерывный звуковой сигнал, передающийся в виде последовательности 1 и 0, может быть восстановлен без ошибок при условии, что шума при передаче было не достаточно, чтобы предотвратить идентификацию 1 и 0. Час музыки может быть сохранен на компакт-диске с использованием около 6 млрд. двоичных разрядов. Это особенно актуально в последнее время, с учетом огромного роста передаваемой информации (увеличение количества теле-, радиоканалов, увеличение количества телефонных абонентов, увеличение числа пользователей интернета и скорости интернет линий).

Хранение информации в цифровых системах проще, чем в аналоговых. Помехоустойчивость цифровых систем позволяет хранить и извлекать данные без повреждения. В аналоговой системе старение и износ может ухудшить записанную информацию. В цифровой же, до тех пор, пока общие помехи не превышают определенного уровня, информация может быть восстановлена совершенно точно.

Цифровыми системами с компьютерным управлением можно управлять с помощью программного обеспечения, добавляя новые функции без замены аппаратных средств. Часто это может быть сделано без участия завода-изготовителя путем простого обновления программного продукта. Подобная функция позволяет быстро адаптироваться к изменяющимся требованиям. Кроме того, возможно применение сложных алгоритмов, которые в аналоговых системах невозможны или же осуществимы, но только с очень высокими расходами.

При передаче цифрового телевизионного сигнала, телезритель уже не увидит такого дефекта как «изображение снежит», как было в аналоговом сигнале при плохом приеме. В цифровой передаче телеканалов, качество картинки может быть только хорошим, или изображения совсем не будет если прием плохой (то есть, или да, или нет).

Что касается цифровой передачи телефонных разговоров, то здесь, с хорошим качеством может передаваться как шепот, так и крик, как нижние тона, так и высокие, и тут уже неважно на каком расстоянии находятся телефонные абоненты.

Цифровая техника всегда превосходила аналоговую по точности. Например, сравним аналоговый и цифровой диктофоны. При необходимости записать голосовую информацию, цифровой прибор справится с задачей лучше аналогового. Это будет заметно в качестве записи. Дело в том, что аналоговый диктофон не так точно воспроизводит информацию, в запись будут намешаны шумы, а цифровой будет отсеивать ненужные шумы, соответственно звучание будет правдоподобнее.

Цифровая техника миниатюрнее. Приборы построены на микросхемах, способных проводить операции сложения и вычитания над числами, отсюда и малые размеры. Данные современных приборов могут в отличие от аналоговых быстро обрабатываться компьютерами. Конечно, данные аналоговых тоже могут быть помещены в компьютер, но ему предварительно потребуется их переводить на «свой» цифровой язык.

Цифровая техника экономичнее и дольше служит. Микросхемы потребляют меньше энергии и могут долгое время исправно работать, в то время как механическая техника будет быстро выходить из строя.

Также цифровые приборы могут похвастаться:

·Малая погрешность. Точность аналоговых приборов ограничивается погрешностями измерительных преобразователей, самого измерительного механизма, погрешностями шкалы и т.д.

·Высокое быстродействие (число измерений в единицу времени);
При измерении изменяющихся во времени величин быстродействие играет важную роль. Если для показывающих приоров не требуется высокого быстродействия, так как возможности работающего с ними оператора ограничены, то напротив, требование быстродействия становится важным при обработке информации с помощью ЭВМ, к которым часто подключаются цифровые приборы.
·Отсутствие субъективной ошибки отсчетов результата измерения - субъективных погрешностей, связанных с особенностями зрения человека, из-за параллакса, из-за разрешающей способности глаза.

6. Цифровой фильтр

Цифровой фильтр - в электронике любой фильтр, обрабатывающий цифровой сигнал с целью выделения и / или подавления определённых частот этого сигнала. В отличие от цифрового, аналоговый фильтр имеет дело с аналоговым сигналом, его свойства недискретны , соответственно передаточная функция зависит от внутренних свойств составляющих его элементов.

Преимуществами цифровых фильтров перед аналоговыми являются:

·Высокая точность (точность аналоговых фильтров ограничена допусками на элементы).

·Стабильность (в отличие от аналогового фильтра передаточная функция не зависит от дрейфа характеристик элементов).

·Гибкость настройки, лёгкость изменения.

·Компактность - аналоговый фильтр на очень низкую частоту (доли герца, например) потребовал бы чрезвычайно громоздких конденсаторов или индуктивностей.

Но также имеются и недостатки:

·Трудность работы с высокочастотными сигналами. Полоса частот ограничена частотой Найквиста, равной половине частоты дискретизации сигнала. Поэтому для высокочастотных сигналов применяют аналоговые фильтры, либо, если на высоких частотах нет полезного сигнала, сначала подавляют высокочастотные составляющие с помощью аналогового фильтра, затем обрабатывают сигнал цифровым фильтром.

·Трудность работы в реальном времени - вычисления должны быть завершены в течение периода дискретизации.

·Для большой точности и высокой скорости обработки сигналов требуется не только мощный процессор, но и дополнительное, возможно дорогостоящее, аппаратное обеспечение в виде высокоточных и быстрых аналого-цифровых преобразователей.

7. Аналого-цифровой преобразователь

Как правило, аналого-цифровой преобразователь - электронное устройство, преобразующее напряжение в двоичный цифровой код. Тем не менее, некоторые неэлектронные устройства с цифровым выходом, следует также относить к этому виду, например, некоторые типы преобразователей угол-код. Простейшим одноразрядным двоичным преобразователем является компаратор.

Разрешение АЦП - минимальное изменение величины аналогового сигнала, которое может быть преобразовано данным прибором - связано с его разрядностью. В случае единичного измерения без учёта шумов разрешение напрямую определяется разрядностью преобразователя.

Разрядность АЦП характеризует количество дискретных значений, которые преобразователь может выдать на выходе. В двоичных приборах измеряется в битах, в троичных- в тритах. Например, двоичный 8-ми разрядный преобразователь способен выдать 256 дискретных значений (0…255), поскольку . Троичный 8-ми разрядный способен выдать 6561 дискретное значение, поскольку .

Частота преобразования обычно выражается в отсчетах в секунду. Современные АЦП могут иметь разрядность до 24 бит и скорость преобразования до миллиарда операций в секунду (конечно, не одновременно). Чем выше скорость и разрядность, тем труднее получить требуемые характеристики, тем дороже и сложнее преобразователь. Скорость преобразования и разрядность связаны друг с другом определенным образом, и мы можем повысить эффективную разрядность преобразования, пожертвовав скоростью.

Шум квантования - ошибки, возникающие при оцифровке аналогового сигнала. В зависимости от типа аналого-цифрового преобразования могут возникать из-за округления (до определённого разряда) сигнала или усечения (отбрасывания младших разрядов) сигнала.

Для обеспечения дискретизации синусоидального сигнала частотой 100 кГц с погрешностью 1% время преобразования АЦП должно быть равно 25 нс. В то же время с помощью такого быстродействующего АЦП принципиально можно дискретизировать сигналы, имеющие ширину спектра порядка 20 МГц. Таким образом, дискретизация с помощью самого прибора приводит к ощутимому расхождению требований между быстродействием АЦП и периодом дискретизации. Это расхождение может достигать 2…3 порядков и сильно удорожает и усложняет процесс дискретизации, так как даже для узкополосных сигналов требует достаточно быстродействующие преобразователи. Для относительно широкого класса быстро изменяющихся сигналов эту проблему решают с помощью устройств выборки-хранения, имеющих малое апертурное время.

8. Цифровое и аналоговое копирование

Начиная с конца 90-х годов, на рынке широкоформатных копировальных аппаратов и инженерных систем прослеживается четкая тенденция перехода от аналоговой техники к цифровой. В настоящее время большинство производителей модифицировали свою продуктовую линейку. Многие из них полностью отказались от выпуска аналоговых копировальных аппаратов.

Тенденция перехода к цифровой технике совершенно понятна. Во-первых, многие предприятия, желающие идти в ногу со временем и быть конкурентоспособными, решают задачи перевода документооборота в электронный вид. В-вторых, возрастают требования к качеству документов, которое определяет имидж предприятия в глазах партнеров и заказчиков.

В этой связи многофункциональная цифровая техника имеет существенные преимущества перед аналоговой, обусловленные, в первую очередь, самими принципами цифрового и аналогового копирования.

Преимущества:

·Возможность подключения к компьютеру

·Цифровая техника может не только копировать документы, но и распечатывать файлы с компьютера, а также сканировать оригиналы и переводить их в электронный вид, например, для сохранения в электронном архиве. Аналоговые аппараты умеют только копировать.

·Качество копий

·Цифровая техника позволяет получать копии более высокого качества, поскольку отсканированный в память аппарата файл можно подвергнуть цифровой обработке. Самое полезное применение такой возможности - очистка фона при копировании синек. Кроме того, цифровые аппараты поддерживают работу в фоторежиме и на порядок качественнее передают оттенки серого и полутона. При копировании цветных изображений цифровые аппараты могут различить разные цвета, напечатав их различными оттенками серого.

·Вдобавок к этому цифровая техника не использует оптики передающей отраженный от оригинала свет на фотобарабан. Эта оптика у аналоговых аппаратов требует регулярного ухода, поскольку пылиться, что также сказывается на качестве отпечатков.

·Широкая функциональность

·Цифровая обработка оригинала позволяет не только улучшать качество копий, но также и преобразовывать оригинал, например, масштабировать, применять инверсию, негатив и пр.

·Надежность

·Более высокая надежность цифровой техники связана не только с отсутствием оптики и лампы подсветки, которую нужно регулярно менять, но и с иным способом тиражирования. При изготовлении тиража на аналоговом аппарате оригинал требуется не только протягивать в направлении сканирования, но и возвращать в исходное положение перед следующей копией. Цифровой аппарат протягивает оригинал один раз, запоминает его и дальше изготавливает тираж, печатая копии из памяти.

9. Цифровое и аналоговое музыкальное оборудование

Уже давно в наше время цифровых технологий мы перестали задумываться о том, насколько более удобны цифровые аппаратные ресурсы по сравнению с аналоговыми. В принципе, когда только начинался переход с аналогового оборудования на цифровое, было очень много дебатов на тему удобства работы, технических преимуществ и, наоборот, минусов цифры перед аналоговыми. Но сейчас время от времени все же этот вопрос встает в различных ситуациях, как в различных студиях звукозаписи, так и в клубах. Какие все же преимущества цифрового оборудования перед аналоговым и чем цифра уступает старым конструкциям?

Для начала коротко о том, по каким принципам строится оцифровка звука.

Для преобразования аналогового звука в цифровой существуют аналогово-цифровые преобразователи, именно эти устройства способны преобразовывать непрерывный аналоговый сигнал в последовательность отдельных чисел, то есть сделать его дискретным. Преобразование происходит следующим образом: цифровое устройство много раз в секунду производит измерение амплитуды аналогового сигнала и выдает результаты этих измерений уже непосредственно в виде чисел. При этом, результат измерений не является точным аналогом непрерывного электрического сигнала. Полнота соответствия зависит от количества измерений и их точности. Частота, с которой производятся измерения, называется частотой дискредитации, а точность измерений амплитуды указывает число бит, использующихся для показаний результата измерений. Этот параметр и есть разрядность.

Итак, преобразование аналогового сигнала в цифровой состоит из двух этапов: дискредитации по времени и квантования (выравнивания) по амплитуде. Дискредитация по времени означает, что сигнал представляется рядом своих отсчетов (сэмплов), взятых через равные промежутки времени. Например, когда мы говорим, что частота дискредитации (чаще используется название частота сэмплирования), равна 44,1 кГц, то это означает, что сигнал измеряется 44100 раз в течение секунды. Как правило, основной вопрос на первом этапе преобразования аналогового сигнала в цифровой (оцифровки) состоит в выборе частоты дискредитации аналогового сигнала, так как от этого еще зависит и непосредственно качество результата преобразования. Считается, что диапазон частот, которые слышит человек, составляет от 20 до 20000 Гц, а для того, чтобы аналоговый сигнал можно было точно восстановить по его отсчетам, частота дискредитации должна быть как минимум вдвое больше максимальной звуковой частоты. Таким образом, если реальный аналоговый сигнал, который в дальнейшем будет преобразован в цифровую форму, содержит частотные компоненты от 0 кГц до 20 кГц, то частота дискредитации такого сигнала должна быть не меньше, чем 40 кГц. В процессе дискредитации частотный спектр аналогового звука претерпевает весьма значительные изменения. После дискредитации относительно низкочастотный исходный аналоговый сигнал представляет собой последовательный временной ряд очень узких импульсов с различной амплитудой и с очень широким спектром до нескольких мегагерц. Поэтому спектр дискредитированного сигнала значительно шире спектра исходного аналогового сигнала. Отсюда вывод: наиболее целесообразная оцифровка происходит на повышенной частоте дискредитации и с высокой разрядностью.

Принципы работы аналогового же оборудования строятся на непрерывности сигнала в электрической цепи. Причиной перехода производства технологий от аналоговых к цифровым стала потребность, прежде всего в повышении качества звучания, хранения, а также автоматизации процесса работы. Но при этом, по причине сжатия исходного сигнала после процесса оцифровки, компакт-диск уступает качеством общего звучания винилу, так как диапазон частот оригинального сигнала при аналоговой записи практически не претерпевает никаких изменений (что касается шумоподавления, это также зависит и от игл на проигрывателях). Поэтому профессионалы предпочитают звучание винила компакт-дискам.

10. Недостатки цифровых приборов

Хотелось бы еще пару слов уделить недостаткам цифровой техники, которые могут быть весьма важны при массовом производстве.

В некоторых случаях цифровые схемы используют больше энергии, чем аналоговые для выполнения одной и той же задачи, выделяя больше тепла, что повышает сложность схем, например, путем добавления кулера. Это может ограничить их использование в портативных устройствах, питающихся от батареек.

Например, сотовые телефоны часто используют маломощный аналоговый интерфейс для усиления и настройки радиосигналов от базовой станции. Тем не менее, базовая станция может использовать энергоемкую, но очень гибкую программно-определяемую радиосистему. Такие базовые станции можно легко перепрограммировать для обработки сигналов, используемых в новых стандартах сотовой связи.

Цифровые схемы иногда дороже аналоговых.

Возможна также потеря информации при преобразовании аналогового сигнала в цифровой. Математически это явление может быть описано как ошибка округления.

В некоторых системах при потере или порче одного фрагмента цифровых данных может полностью измениться смысл больших блоков данных.

Список литературы

аналоговый цифровой сигнал прибор

1. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. В 3-х т: Т. 2. Пер. с англ. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Мир, 1993. - 371 с.

Ханзел Г.Е. Справочник по расчету фильтров. США, 1969. / Пер. с англ., под ред. А.Е. Знаменского. М.: Сов. радио, 1974. - 288 с.

. «Цифровая обработка сигналов». Л.М. Гольденберг, Б.Д. Матюшкин - М.: Радио и связь, 1985

Бирюков С.А. Цифровые устройства на МОП-интегральных микросхемах /Бирюков С.А..-М.: Радио и связь, 2007.-129 с.: ил. - (Массовая радиобиблиотека; Вып. 1132).

Горбачёв Г.Н. Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника / Под ред. проф. В.А. Лабунцова. - М.: Энергоатомиздат, 1988.

Шкритек П. Справочное руководство по звуковойсхемотехнике: Пер. с нем.-М. Мир, 1991. - 446 с.: ил

Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник /Шило В.Л.-М.: Металлургия, 2008.-349 с. - (Массовая радиобиблиотека; Вып. 1111).

Гольденберг Л.М. Импульсные и цифровые устройства: Учебник для вузов /Гольденберг Л.М.-М.: Связь, 2009.-495 с.: ил..-Библиогр.:с. 494-495.

Букреев И.Н. Микроэлектронные схемы цифровых устройств /Букреев И.Н., Мансуров Б.М., Горячев В.И.. - 2-е изд., перераб. и доп..-М.: Сов. радио, 2008.-368 с.

Люди до сих пор спорят, что лучше: аналоговая или цифровая технология. При этом последняя завоевывает мир окончательно и бесповоротно. Например, на Сиднейском кинофестивале в этом году не было ни одного фильма в формате 35 мм — киноиндустрия черпает вдохновение из новых технологий.

Взгляните на Топ-10 музыкального хитов ARIA (официальный хит-парад Австралийской ассоциации звукозаписи, Australian Recording Industry Association): в процессе записи этой музыки никогда не использовались еще совсем недавно считавшиеся ничем незаменимыми студийные магнитофоны. Наконец, фотографы уже давно предпочитают цифровые камеры аналоговым.

Все перечисленные примеры связаны с носителями информации, используемыми для записи результатов творчества. Раньше авторы сохраняли плоды своих трудов на магнитной ленте или кинопленке, теперь они предпочитают цифровые технологии и соответствующие носители.

Творчество ныне в основном сводится к манипуляции новейшими медиасредствами для того, чтобы рассказать историю, вызвать эмоциональный отклик, задать вопросы, развлечь аудиторию — то есть, делать все то, что искусство должно делать.

Однако в эпоху цифровых технологий находится все больше молодежи, ностальгирующей по старым аналоговым носителям информации. Иногда подобное пристрастие по отношению к вещам, которыми они никогда не пользовались, граничит с фетишизмом.

Не так давно всех удивил музыкант Джек Уайт (Jack White), сделавший запись на винтажном магнитофоне с 8 дорожками. И это далеко не единичный случай. Воскрешение «пленочных» студии звукозаписи и рекорд-лейблов, распространяющих музыку на кассетах, сильно удивило воротил музыкальной индустрии, считавших аналоговый формат мертвым. Тем более, что цифровая техника позволила избавиться от прежних раздражителей (гул, потрескивание, искажения, вспышки и прочие признаки «теплого лампового звука»).

Ностальгия по аналогу

Нелинейность — термин из практики современных медиа, означающий, что входной сигнал, поступающий в устройство, не эквивалентен выходному сигналу.

Любые медиаустройства, в той или иной степени искажающие сигнал — сжатие динамического диапазона музыки в аудиозаписи, размытые контуры изображений и избыточное насыщение кинокадра определенными цветами — можно рассматривать как нелинейные.

Технические специалисты всегда стремились избавиться от погрешностей, а музыкальные продюсеры, фотографы и режиссеры учились вписывать их в творческий продукт. Публика же воспринимала это вполне естественно.

До сих пор много музыкальных продюсеров делают запись на пленке, прежде чем передать ее на оцифровку. Или фотографы — сначала «отщелкивают» материал, а потом редактируют изображения в Photoshop.

Компании Waves и Steven Slate Digital создают программное обеспечение, как можно точнее воссоздающие звуковые эффекты старых магнитофонов.

Конечно, увлечение аналоговым форматом нисколько не умаляет достоинства цифровой технологии. Свое качество она оправдывает, даже слишком. Из-за триумфа «цифры» мы уже заскучали по «зашумленной», нечеткой и перенасыщенной цветом картинке, присущей аналоговым технологиям. Но одновременно никто не оспаривает высокую производительность и экономическую эффективность цифровых форматов обработки сигнала.

Некоторые любители всеми силами стараются сохранить уходящую в прошлое аналоговую технологию исключительно ради идеи. Другим просто доставляет удовольствие пользоваться винтажной техникой, например, камерой Polaroid.

Остальная часть «ретроградов» просто моделирует «полароидные» эффекты на смартфонах ради удовлетворения чувства ностальгии.

Рост «медленных медиа»

Всплеск интереса к старым технологиям со стороны людей, родившихся в цифровую эпоху, напоминает явление конца 80-х годов под названием «движение медленных медиа».

Растут продажи виниловых пластинок. Потому что люди вновь открывают радость встречи с альбомом музыканта как неким посланием. А само прослушивание пластинки? Это целый ритуал: взять в руки круг черной пластмассы, неторопливо подойти и бережно поставить его в проигрыватель.

У музыкантов своя причина любви к пленке. Когда они приходят в студию, то знают, что должны сыграть отменно, потому что «цифровой обман» недоступен.

Режиссеры, в свою очередь, исходят из ограниченности кинопленки. Это налагает ответственность на игру актеров ради избежания лишних дублей.

Музыкальные продюсеры также работают качественнее без огромного количества дорожек и безграничных возможностей наложения звука. Посмотрите, что творили Beatles всего на 4 дорожках. Сегодня их как минимум 96. Слушая современную музыку, приходится сомневаться в пользе дополнительных 92 дорожек.

У любви к старым технологиям есть одна подоплека. Дело тут не столько в монетизации ретро-моды, сколько в претензии к способу работы медиаиндустрии. В аналоговом мире вы вынуждены работать медленнее. В цифровой реальности вы должны сделать работу прямо сейчас.

Старые медиаформаты не уйдут. Слишком много людей заинтересованы в их существовании. Кто-то будет пытаться на волне ретро-моды вернуть утраченную часть прибыли. Кто-то погрузится в ностальгию и начнет коллекционировать старинное оборудование.

Некоторые вещи по-настоящему удивительны. Например, музыкальные инструменты или звукозаписывающее оборудование: 40-50 лет тому назад они делались словно на века, часто из более дорогих материалов, чем сегодня.

Современные конференц-системы, пройдя путь от простой связки микшерного пульта и микрофонов до полноценного мультимедийного центра, способны решать широкий спектр задач, обеспечивая удобство проведения дискуссии как участвующим в ней делегатам, так и отвечающим за техническую часть инсталляторам. Как это всегда бывает, есть у технологии свои плюсы и минусы. И хотя появившиеся в последнее время мультимедийные конференц-системы по своим возможностям не имеют себе равных, эти самые возможности в большинстве ситуаций могут быть избыточны, а значит – невостребованны. Стоит ли гнаться за последними достижениями или для решения повседневных задач достаточно классического, проверенного временем оборудования? Разбираемся в вопросе.

Речь

Вне зависимости от того, какой тип системы будет использоваться, первостепенное значение для дебатов имеет разборчивость речи. Решающими факторами здесь являются качество микрофона и системы озвучивания зала, а также корректность расположения пульта относительно говорящего делегата. Для этой же цели пульты оснащаются встроенными громкоговорителями, выступающими в качестве дополнения к основной акустической системе. В цифровых системах нередко присутствует процессор, отвечающий за подавление акустической обратной связи, что препятствует самовозбуждению звукового тракта и предоставляет большую свободу для установки микрофонов. Передача сигнала в аналоговой форме имеет ограничение максимальной длины кабеля, что не позволяет размещать пульты, подключаемые по цепочке, далеко друг от друга. Именно поэтому цифровые системы, лишенные подобной проблемы, чаще всего применяют для масштабных инсталляций, оставляя на долю аналоговых небольшие по размерам помещения. Мультимедийные же системы, хоть и используют для соединения технологию POE, при работе с голосом существенных преимуществ не дают.

Дополнительные возможности

Наиболее часто используемыми функциями, присутствующими в большинстве цифровых систем, стали: голосование, синхронный перевод, аутентификация пользователя, интерком, запись конференции, интеграция с системой технологического телевидения и организация телемоста. Очевидно, что для реализации подобных возможностей без цифровых технологий не обойтись. Правда, ряд из них можно встретить и в аналоговых системах с цифровым управлением. Например, голосование и запись. Не составит труда записать и дебаты, проводимые на полностью аналоговой системе.

Закономерным этапом в развитии цифровых систем стало появление пультов с дисплеями, позволяющими выводить служебные сообщения, вопросы/результаты голосования и другие данные. Из них в итоге и выросли полноценные мультимедийные системы, с помощью которых можно не только в реальном времени просматривать видеотрансляцию выступления оратора, документы, презентации и прочий графический и видео контент, но и самостоятельно загружать медиафайлы из различных источников, в том числе Интернета или локального сервера. Фактически такой пульт, снабженный крупным сенсорным экраном, представляет собой полноценный планшет с собственной операционной системой и набором приложений, возможности которого ограничиваются лишь установленным ПО. Ряд производителей оснащает свои продукты встроенными камерами, упрощающими организацию видеоконференции или телемоста. И если для цифровой системы потребуется интеграция с технологическим телевидением, камеры которого будут поворачиваться в сторону оратора, то в подобных устройствах необходимость в этом отпадает. Генеральный директор Брюллов Консалтинг , Владимир Коломенский , комментирует:

Мультимедиа-пульты, устанавливаемые в зале, имеют относительно небольшой экран. Это позволяет организовать рабочее пространство более эргономично, обеспечив участнику конференции максимум функций. Для задач же, где требуется работа с большим объемом документов, отдельные производители, например, Televic Conference, предлагают возможность интеграции с сенсорными мониторами, в том числе, моторизованными. В этом случае весь функционал мультимедиа пульта становится доступным с монитора любого размера - хоть 15", хоть 22" и более

Управление

Классический пульт делегата снабжается кнопками включения микрофона и запроса на выступление, а также регулятором громкости встроенного динамика и визуальными индикаторами, информирующим о том, что подходит очередь говорить и что делегат «в эфире». Пульт председателя дополнен кнопкой приоритета, позволяющей в любой момент прервать дискуссию. В более многофункциональных цифровых системах к ним могут быть добавлены клавиши голосования, выбора канала для синхронного перевода и различные модули идентификации (пин-код, карта или отпечаток пальца). Цифровые пульты председателей нередко содержат средства управления для установки количества открытых микрофонов, продолжительности выступлений или режима работы.

Мультимедийные устройства, имея графический интерфейс, выводимый на экран, позволяют создавать произвольный набор кнопок и соответствующих им функций, а при необходимости заменять их на новый. По этой причине и разделение пультов на делегатские и председательские нецелесообразно. Александр Бахматов, директор по маркетингу компании RIWA - дистрибьютора конференц-систем Marconi, считает:

Софтверизация кнопок - это то, что происходит с интерфейсами последние 20 лет. Поэтому мультимедийные конференц-системы со временем вытеснят обычные, также как смартфоны вытеснили с рынка кнопочные мобильные телефоны. На экране своего пульта участнику заседания комфортней голосовать и смотреть документы, видео и изображения, чем на общем экране.

Интеграторам легче подстроить графический интерфейс под требования заказчика. Какие угодно цвет, форма и функционал кнопок, любой язык – ограничения только в размере и разрешении экрана. Широкие возможности интеграции в существующие IT-структуры. Мультимедийная конференц-система фактически становится платформой для работы программиста и дизайнера, которые подгоняют интерфейс под техническое задание. Так что нас ждёт эволюция, сравнимая с телефонной

Исполнение и инсталляция

Все представленные на рынке системы можно разделить на встраиваемые и настольные. Первые занимают меньше места и более эстетично выглядят, вторые не требуют для инсталляции врезки, поэтому допускают перемонтаж. Для выездных встреч и заседаний, а также в местах, где помимо конференций проходят другие мероприятия или же размещение проводных систем невозможно, разумнее использовать беспроводные. Для их установки и настройки не нужно много времени, но они требуют регулярной подзарядки аккумуляторов и могут быть подвержены помехам. Мультимедийные конференц-системы на сегодняшний день выпускаются пока только в проводном варианте и могут быть как встраиваемыми, так и настольными, поэтому каких-либо преимуществ в этом плане не имеют.

Соединение пультов с центральным блоком в аналоговых и цифровых системах чаще всего осуществляется проприетарным кабелем. Мультимедийные же поддерживают передачу данных через кабели CAT-5 или CAT-6, которые существенно дешевле и допускают любое удаление устройств друг от друга. Как цифровые, так и мультимедийные системы, в зависимости от производителя и модели, совместимы с сетевыми протоколами CobraNet или Dante, обеспечивающими простоту интеграции с системами технологического телевидения, синхронного перевода, проекторами или проекционными панелями и звуковым оборудованием, а также организацию телемоста с расположенными на расстоянии дискуссионными группами. В аналоговом оборудовании такая свобода, естественно, отсутствует. Топовые системы ведущих производителей допускают использование в рамках одной инсталляции различные ее типы. Таким образом, в одной части помещения можно задействовать беспроводной пульт, в другой - мультимедийный и так далее. Руководитель направления обучения и развития Hi-Tech Media, Андрей Осипов , говорит:

Используя программные разработки компании HI-Tech Media, можно объединять в одном зале все оборудование из линеек конференц-систем компании Bosch, а именно: CCS 1000D, DCN NG и Dicentis, причем, как в проводном, так и беспроводном вариантах. Модуль программного обеспечения HTM-SP, объединяя все вышеперечисленные системы, позволяет не только управлять ими, но и посылать метаданные (название совещания, ФИО выступающего, ФИО оппонента и др.) в систему многоканальной аудио/видео записи HTM-GAVR, дает возможность управлять объединенной системой с устройств семейства Crestron или Extron. Использование модуля HTM-SP не требует специальных навыков, а сам модуль имеет интуитивно-понятный интерфейс

Программное обеспечение HTM-GAVR для записи мероприятий для конгресс-систем Bosch

Управление и настройка цифровых и мультимедийных систем осуществляется при помощи веб-интерфейса, предоставляющего удобный и наглядный доступ ко всей необходимой информации. Многие производители также снабжают свои пульты системами самоопределения, за счет чего они автоматически встраиваются при подключении, облегчая процесс инсталляции.

Заключение

Как видно, мультимедийные конференц-системы - это не только возможность удобной работы с различным графическим и видео контентом, но и произвольно настраиваемый под задачи интерфейс, а также широкие перспективы интеграции и модернизации. Такое оборудование вряд ли в обозримом будущем устареет, но его стоимость существенно превышает аналоги. Если задача использования в дискуссии мультимедийного контента не столь важна или демонстрируемые материалы допускают трансляцию из одного источника, то вполне можно обойтись и цифровой системой – благо их качество и возможности сегодня во многом не уступают. В случае же ограниченного бюджета и отсутствия необходимости в построении сложных инсталляций, разумным выбором может стать применение аналоговой системы с цифровым управлением.