Каждый день люди сталкиваются с использованием электронных приборов. Без них невозможна современная жизнь. Ведь речь идет о телевизоре, радио, компьютере, телефоне, мультиварке и прочем. Раньше, еще несколько лет назад, никто не задумывался о том, какой сигнал используется в каждом работоспособном приборе. Сейчас же слова «аналоговый», «цифровой», «дискретный» уже давно на слуху. Некоторые виды сигналов из перечисленных являются качественными и надежными.
Цифровая передача стала использоваться намного позже, чем аналоговая. Это связано с тем, что такой сигнал намного проще обслуживать, да и техника на тот момент не была настолько усовершенствована.
С понятием «дискретность» сталкивается каждый человек постоянно. Если переводить это слово с латинского языка, то означать оно будет «прерывистость». Углубляясь далеко в науку, можно сказать, что дискретный сигнал представляет собой метод передачи информации, который подразумевает изменение во времени среды-переносчика. Последняя принимает любое значение из всех возможных. Сейчас дискретность уходит на второй план, после того, как было принято решение производить системы на чипе. Они являются целостными, а все компоненты тесно взаимодействуют друг с другом. В дискретности же все с точностью наоборот – каждая деталь завершена и связана с другими за счет специальных линий связи.
Сигнал
Сигнал представляет собой специальный код, который передается в пространство одной или несколькими системами. Эта формулировка является общей.
В сфере информации и связи сигналом назван специальный носитель каких-либо данных, который используется для передачи сообщений. Он может быть создан, но не принят, последнее условие не обязательно. Если же сигнал является сообщением, то его «ловля» считается необходимой.
Описываемый код передачи данных задается математической функцией. Она характеризует все возможные изменения параметров. В радиотехнической теории эта модель считается базовой. В ней же аналогом сигнала был назван шум. Он представляет собой функцию времени, которая свободно взаимодействует с переданным кодом и искажает его.
В статье охарактеризованы виды сигналов: дискретный, аналоговый и цифровой. Также коротко дана основная теория по описываемой теме.
Создание и форматирование
Многие виды информационных сигналов, о которых мы поговорим в статье, необходимо создать и после форматировать. Для этого следует иметь цифро-аналоговый преобразователь, а также аналого-цифровой. Как правило, используются они оба в одной ситуации: только в случае использования такой техники как DSP.
В остальных случаях подойдет лишь первый прибор. Для того чтобы создать физические аналоговые коды и потом их переформатировать в цифровые методы, необходимо использовать специальные приборы. Это позволит максимально предотвратить повреждение информации.
Виды сигналов
Существует несколько типов классификации имеющихся сигналов. Рассмотрим, какие бывают виды.
- По физической среде носителя данных разделяют электрический сигнал, оптический, акустический и электромагнитный. Имеется еще несколько видов, однако они малоизвестны.
- По способу задания сигналы делятся на регулярные и нерегулярные. Первые представляют собой детерминированные методы передачи данных, которые задаются аналитической функцией. Случайные же формулируются за счет теории вероятности, а также они принимают любые значения в различные промежутки времени.
- В зависимости от функций, которые описывают все параметры сигнала, методы передачи данных могут быть аналоговыми, дискретными, цифровыми (способ, который является квантованным по уровню). Они используются для обеспечения работы многих электрических приборов.
Теперь читателю известны все виды передачи сигналов. Разобраться в них не составит труда любому человеку, главное — немного подумать и вспомнить школьный курс физики.
Основные форматы аудио файлов
На самом деле форматов, с помощью которых можно читать аудио файлы, очень много. Но есть те, которые получили всеобщее признание. Все они делятся на три группы:
- аудиоформаты без сжатия;
- со сжатием без потерь;
- со сжатием с потерями.
Рассмотрим основные форматы аудио файлов:
- WAV – первый аудио формат, который мог обрабатываться компьютерными программами на высоком профессиональном уровне. Недостаток – запись занимает слишком много места.
- CD-диски – расширение .cda не поддается редактированию, однако его можно переформатировать и сохранить любой программой по обработке аудио.
- MP3 кодек – универсальный формат, максимально сжимающий аудио файлы.
- AIFF-файлы – формат поддерживает монофонические и стереофонические данные размером 8 и 16 бит, изначально разрабатывался для Macintosh, однако после дополнительных разработок может использоваться и на других площадках ОС.
- OGG – популярный формат, однако имеет недостатки в виде использования собственных кодеков и декодеров и перегрузки системных ресурсов компьютера.
- AMR – низкопробный аудиоформат.
- Формат MIDI позволяет производить редактуру записи нажатием клавиш, изменением темпа, тональности, высоты, а также добавлением эффектов.
- FLAC – формат, воспроизводящий аудио в высоком качестве.
Для чего обрабатывается сигнал?
Сигнал обрабатывается с целью передачи и получения информации, которая в нем зашифрована. Как только она будет извлечена, ее можно использовать различными способами. В отдельных ситуациях ее переформатируют.
Существует и другая причина обработки всех сигналов. Она заключается в небольшом сжатии частот (чтобы не повредить информацию). После этого ее форматируют и передают на медленных скоростях.
В аналоговом и цифровом сигналах используются особенные методы. В частности, фильтрация, свертка, корреляция. Они необходимы для восстановления сигнала, если он поврежден или имеет шум.
Где применять?
В каких же случаях следует использовать аналоговое видеонаблюдение, и в каких цифровое? Аналоговые видеокамеры:
- В случае очень ограниченного бюджета. Обычно лучше поставить большее количество более дешевых камер.
- В случае плохого качества Интернета. Аналоговые камеры накладывают меньше требований к каналу передачи данных, поэтому они более подходят для удаленного доступа на объектах где слабый Интернет: дачи, загородные дома, удаленные от городской инфраструктуры объекты.
- В случае расширения системы. Имеющиеся аналоговые камеры можно расширить, как правило, только аналоговыми. Меняем регистратор, подключаем старые аналоговые камеры, и расширяем систему дополнительными аналоговыми камерами.
- В случае большого удаления камер от регистратора. Охрана периметра, большие по площади объекты.
- В случае небольшого количества камер. Как правило, аналоговые системы видеонаблюдения включают не более 16 камер.
Цифровые камеры:
- Когда требуется высокое качество сигнала. Парковки, торговые центры, кассы, входные группы, ворота и т.п. Когда требуется максимальное качество сигнала.
- Когда имеется готовая сеть передачи данных. Обычная компьютерная сеть может быть использована для передачи данных от аналоговых камер. Таким образом может быть заметно сэкономлен бюджет на протяжке кабелей.
- Когда требуется видеоаналитика. Подсчет посетителей, распознавание номеров, определение заполнения полок и т.д.
- Когда заранее известно, что система будет расширяться. Система, построенная на цифровых камерах, легче расширяется.
- В случае, когда требуется установить большое количество видеокамер. Как правило, в таком случае количество камер исчисляется десятками или даже сотнями.
Динамический диапазон
Диапазон сигнала вычисляется разностью большего и меньшего уровня громкости, которые выражены в децибелах. Он полностью зависит от произведения и особенностей исполнения. Речь идет как о музыкальных треках, так и об обычных диалогах между людьми. Если брать, например, диктора, который читает новости, то его динамический диапазон колеблется в районе 25-30 дБ. А во время чтения какого-либо произведения он может вырастать до 50 дБ.
Аналоговый сигнал
Аналоговый сигнал является непрерывным во времени способом передачи данных. Недостатком его можно назвать присутствие шума, который иногда приводит к полной потере информации. Очень часто возникают такие ситуации, что невозможно определить, где в коде важные данные, а где обычные искажения.
Именно из-за этого цифровая обработка сигналов приобрела большую популярность и постепенно вытесняет аналоговую.
История появления термина
Появление термина, обозначающего такой способ передачи данных, тесно связано с такими сферами, как вычислительная техника, телефония и звукозаписывающая индустрия, электрические измерения.
Вычислительная техника
В 40-х годах создаются первые вычислительные системы, предназначенные для сбора и обработки цифровой информации. В начале 80-х годов с появлением новых моделей компьютеров на базе процессоров Intel возможности вычислительной техники расширились. Именно в этот период появляется данный термин.
Звукозапись и телефония
Понятие непрерывного способа передачи данных изначально связано с телефонией. Непрерывные колебания поступают на динамик устройства, становятся электрическим аналогом, затем преобразуются в сигнал, подобный голосу.
Электрические измерения
Непрерывный поток воспроизводится приемным устройством пропорционально таким электрическим параметрам, как напряжение, сила тока. Именно с началом измерения указанных выше электрических величин связывают появление этого термина.
Цифровой сигнал
Цифровой сигнал является особым потоком данных, он описывается за счет дискретных функций. Его амплитуда может принять определенное значение из уже заданных. Если аналоговый сигнал способен поступать с огромным количеством шумов, то цифровой отфильтровывает большую часть полученных помех.
Помимо этого, такой вид передачи данных переносит информацию без лишней смысловой нагрузки. Через один физический канал может быть отправлено сразу несколько кодов.
Виды цифрового сигнала не существуют, так как он выделяется как отдельный и самостоятельный метод передачи данных. Он представляет собой двоичный поток. В наше время такой сигнал считается самым популярным. Это связано с простотой использования.
Как ЦАП строят волну
ЦАП – это цифро-аналоговый преобразователь, элемент, переводящий цифровой звук в аналоговый. Мы рассмотрим поверхностно основные принципы. Если по комментариям будет виден интерес более подробно рассмотреть ряд моментов, то будет выпущен отдельный материал.
Мультибитные ЦАП
Очень часто волну представляют в виде ступенек, что обусловлено архитектурой первого поколения мультибитных ЦАП R-2R, работающих аналогично переключателю из реле.
Их улучшенные контрольные структуры не могли быть хорошо представлены блок-схемами. Таким образом, был разработан псевдокод. Вместо того, чтобы тратить много времени на механику блок-схемы, потратьте время на то, чтобы сделать псевдокод более точным. Современная сложность прошивки — хорошее совпадение для представления псевдокода. Изучение и использование псевдокода — отличный способ понять некоторые из прошивки. Когда вы научитесь писать, это намного проще и быстрее, чем рисовать блок-схему. Псевдокод легко писать для тех, кто знаком с основами современных языков программирования.
На вход ЦАП поступает значение очередной координаты по вертикали и в каждый свой такт он переключает уровень тока (напряжения) на соответствующий уровень до следующего изменения.
Хотя считается, что ухо человека слышит не выше 20 кГц, и по теории Найквиста можно восстановить сигнал до 22 кГц, остается вопрос качества этого сигнала после восстановления. В области высоких частот форма полученной «ступенчатой» волны обычно далека от оригинальной. Самый простой выход из ситуации – это увеличивать частоту дискретизации при записи, но это приводит к существенному и нежелательному росту объема файла.
Тест и измерение
Это очень важная часть дизайна прошивки. Изучение этого поможет вам понять культуру прошивки. Показанный фрагмент блок-схемы занял полчаса, но блок-схема содержит только около девяти строк от псевдокода. Аналоговые сигналы легко доступны для тестирования и отладки. В прошивке все скрыто в процессоре, таким образом, выполняется «внутри коробки».
Встроенный эмулятор является наиболее часто используемым инструментом для отладки программного обеспечения. Вы можете проверять и изменять регистры и память, выполнять один шаг через программу, устанавливать точки останова, чтобы остановить программу, когда она выполняет определенные инструкции, и так далее. Однако эмулятор малопригоден для отладки систем смешанного сигнала, таких как источники питания. Лучше всего находить простые логические ошибки в программах, которые не являются большой проблемой для систем смешанного сигнала.
Альтернативный вариант – искусственно увеличить частоту дискретизации при воспроизведении в ЦАП, добавляя промежуточные значения. Т.е. мы представляем путь непрерывной волны (серая пунктирная линия), плавно соединяющий исходные координаты (красные точки) и добавляем промежуточные точки на этой линии (темно фиолетовые).
При увеличении частоты дискретизации обычно необходимо повышать и разрядность, чтобы координаты были ближе к аппроксимированной волне.
Благодаря промежуточным координатам удается уменьшить «ступеньки» и построить волну ближе к оригиналу.
Когда вы видите функцию повышения частоты с 44.1 до 192 кГц в плеере или внешнем ЦАП, то это функция добавления промежуточных координат, а не восстановления или создание звука в области выше 20 кГц.
Изначально это были отдельные SRC микросхемы до ЦАП, которые потом перекочевали непосредственно в сами микросхемы ЦАП. Сегодня можно встретить решения, где к современным ЦАП добавляется такая микросхема, это сделано для того, чтобы обеспечить альтернативу встроенным алгоритмам в ЦАП и порой получить еще более лучший звук (как например это сделано в Hidizs AP100).
Основной отказ в индустрии от мультибитных ЦАП произошел из-за невозможности дальнейшего технологического развития качественных показателей при текущих технологиях производства и более высокой стоимости против «импульсных» ЦАП-ов с сопоставимыми характеристиками. Тем не менее, в Hi-End продуктах предпочтение отдают зачастую старым мультибитным ЦАП-ам, нежели новым решениям с технически более хорошими характеристиками.
Импульсные ЦАП
В конце 70-тых широкое распространение получил альтернативный вариант ЦАП-ов, основанный на «импульсной» архитектуре – «дельта-сигма». Технология импульсных ЦАП-ов стала возможной появлению сверх-быстрых ключей и позволила использовать высокую несущую частоту.
Амплитуда сигнала является средним значением амплитуд импульсов (зеленым показаны импульсы равной амплитуды, а белым итоговая звуковая волна).
Например последовательность в восемь тактов пяти импульсов даст усредненную амплитуду (1+1+1+0+0+1+1+0)/8=0,625. Чем выше несущая частота, тем больше импульсов попадает под сглаживание и получается более точное значение амплитуды. Это позволило представить звуковой поток в однобитном виде с широким динамическим диапазоном.
Усреднение возможно делать обычным аналоговым фильтром и если такой набор импульсов подать напрямую на динамик, то на выходе мы получим звук, а ультра высокие частоты не будут воспроизведены из-за большой инертности излучателя. По этому принципу работают ШИМ усилители в классе D, где плотность энергии импульсов создается не их количеством, а длительностью каждого импульса (что проще в реализации, но невозможно описать простым двоичным кодом).
Мультибитный ЦАП можно представить как принтер, способный наносить цвет пантоновыми красками. Дельта-Сигма – это струйный принтер с ограниченным набором цветов, но благодаря возможности нанесению очень мелких точек (в сравнении с пантовым принтером), за счет разной плотности точек на единицу поверхности дает больше оттенков.
На изображении мы обычно не видим отдельных точек из-за низкой разрешающей способности глаза, а только средний тон. Аналогично и ухо не слышит импульсов по отдельности.
В конечном итоге при текущих технологиях в импульсных ЦАП можно получить волну, близкую к той, что теоретически должна получится при аппроксимации промежуточных координат.
Надо отметить, что после появления дельта-сигма ЦАП исчезла актуальность рисовать «цифровую волну» ступеньками, т.к. так ступеньками волну современные ЦАП не строят. Правильно дискретный сигнал строить точками соединенной плавной линией.
Являются ли идеальными импульсные ЦАП?
Но на практике не все безоблачно, и существует ряд проблем и ограничений.
Т.к. подавляющее количество записей сохранено в многоразрядном сигнале, то перевод в импульсный сигнал по принципу «бит в бит» требует излишне высокую несущую частоту, которую современные ЦАП не поддерживают.
Основной функцией современных импульсных ЦАП является перевод многоразрядного сигнала в однобитный с относительно невысокой несущей частотой с прореживанием данных. В основном именно эти алгоритмы и определяют конечное качество звучания импульсных ЦАП-ов.
Чтобы уменьшить проблему высокой несущей частоты, звуковой поток разбивается на несколько однобитных потоков, где каждый поток отвечает за свою группу разряда, что эквивалентно кратному увеличению несущей частоты от числа потоков. Такие ЦАП называются мультибитными дельта-сигма.
Сегодня импульсные ЦАП-ы получили второе дыхание в быстродействующих микросхемах общего назначения в продуктах компаний NAD и Chord за счет возможности гибко программировать алгоритмы преобразования.
Применение цифрового сигнала
Чем же отличается цифровой электрический сигнал от других? Тем, что он способен совершать в ретрансляторе полную регенерацию. Когда в оборудование связи поступает сигнал, имеющий малейшие помехи, он сразу же меняет свою форму на цифровую. Это позволяет, например, телевышке снова сформировать сигнал, но уже без шумового эффекта.
В том случае, если код поступает уже с большими искажениями, то, к сожалению, восстановлению он не подлежит. Если брать в сравнении аналоговую связь, то в аналогичной ситуации ретранслятор может извлечь часть данных, затрачивая много энергии.
Обсуждая сотовую связь разных форматов, при сильном искажении на цифровой линии разговаривать практически невозможно, так как не слышны слова или целые фразы. Аналоговая связь в таком случае более действенна, ведь можно продолжать вести диалог.
Именно из-за подобных неполадок цифровой сигнал ретрансляторы формируют очень часто для того, чтобы сократить разрыв линии связи.
Дискретный сигнал
Сейчас каждый человек пользуется мобильным телефоном или какой-то «звонилкой» на своем компьютере. Одна из задач приборов или программного обеспечения – это передача сигнала, в данном случае голосового потока. Для переноса непрерывной волны необходим канал, который имел бы пропускную способность высшего уровня. Именно поэтому было предпринято решение использовать дискретный сигнал. Он создает не саму волну, а ее цифровой вид. Почему же? Потому что передача идет от техники (например, телефона или компьютера). В чем плюсы такого вида переноса информации? С его помощью уменьшается общее количество передаваемых данных, а также легче организуется пакетная отправка.
Понятие «дискретизация» уже давно стабильно используется в работе вычислительной техники. Благодаря такому сигналу передается не непрерывная информация, которая полностью закодирована специальными символами и буквами, а данные, собранные в особенные блоки. Они являются отдельными и законченными частицами. Такой метод кодировки уже давно отодвинулся на второй план, однако не исчез полностью. С помощью него можно легко передавать небольшие куски информации.
Тест по теме «Информация» тест по информатике и икт (8 класс) по теме
Тест «Информация. Информационные процессы»
1. Информацию, изложенную на доступном для получателя языке называют:
- полной;
- полезной;
- актуальной;
- достоверной;
- понятной.
2. Информацию, не зависящую от личного мнения или суждения, называют:
- достоверной;
- актуальной;
- объективной;
- полной;
- понятной.
3. Информацию, отражающую истинное положение вещей, называют:
- полной;
- полезной;
- актуальной;
- достоверной;
- понятной.
4. Информацию, существенную и важную в настоящий момент, называют:
- полной;
- полезной;
- актуальной;
- достоверной;
- понятной.
5. Наибольший объем информации человек получает при помощи:
- органов слуха;
- органов зрения;
- органов осязания;
- органов обоняния;
- вкусовых рецепторов.
6. Тактильную информацию человек получает посредством:
- специальных приборов;
- термометра;
- барометра;
- органов осязания;
- органов слуха.
7. Сигнал называют аналоговым, если
- он может принимать конечное число конкретных значений;
- он непрерывно изменяется по амплитуде во времени;
- он несет текстовую информацию;
- он несет какую-либо информацию;
- это цифровой сигнал.
8. Сигнал называют дискретным, если
- он может принимать конечное число конкретных значений;
- он непрерывно изменяется по амплитуде во времени;
- он несет текстовую информацию;
- он несет какую-либо информацию;
- это цифровой сигнал.
9. Преобразование непрерывных изображений и звука в набор дискретных значений в форме кодов называют —
- кодированием;
- дискретизацией;
- декодированием;
- информатизацией.
10. Во внутренней памяти компьютера представление информации
- непрерывно;
- дискретно;
- частично дискретно, частично непрерывно;
- информация представлена в виде символов и графиков.
11. Аналоговым сигналом является:
- сигнал светофора;
- сигнал SOS;
- сигнал маяка;
- электрокардиограмма;
- дорожный знак.
12. Дискретный сигнал формирует:
- барометр;
- термометр;
- спидометр;
- светофор.
13. Измерение температуры представляет собой:
- процесс хранения информации;
- процесс передачи информации;
- процесс получения информации;
- процесс защиты информации;
- процесс использования информации.
14. Перевод текста с английского языка на русский можно назвать:
- процесс хранения информации;
- процесс передачи информации;
- процесс получения информации;
- процесс защиты информации;
- процесс обработки информации.
15. Обмен информацией — это:
- выполнение домашней работы;
- просмотр телепрограммы;
- наблюдение за поведением рыб в аквариуме;
- разговор по телефону.
16. К формальным языкам можно отнести:
- английский язык;
- язык программирования;
- язык жестов;
- русский язык;
- китайский язык.
17. Основное отличие формальных языков от естественных:
- в наличии строгих правил грамматики и синтаксиса;
- количество знаков в каждом слове не превосходит некоторого фиксированного числа;
- каждое слово имеет не более двух значений;
- каждое слово имеет только один смысл;
- каждое слово имеет только один смысл и существуют строгие правил грамматики и синтаксиса.
18. Двоичное число 100012 соответствует десятичному числу
- 1110
- 1710
- 25610
- 100110
- 1000110
19. Число 248 соответствует числу
- 1011016
- 2016
- 7616
- BF16
- 1416
20. Какое число лишнее:
- FF16
- 22610
- 3778
- 111111112
21. Укажите самое большое число:
- 14416
- 14410
- 1448
- 1446
22. За единицу количества информации принимается:
- байт
- бит
- бод
- байтов
23. В какой из последовательностей единицы измерения указаны в порядке возрастания
- гигабайт, килобайт, мегабайт, байт
- гигабайт, мегабайт, килобайт, байт
- мегабайт, килобайт, байт, гигабайт
- байт, килобайт, мегабайт, гигабайт
КЛЮЧ
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 | 21 | 22 | 23 |
| 5 | 3 | 4 | 3 | 2 | 4 | 2 | 1 | 2 | 2 | 4 | 4 | 3 | 5 | 4 | 2 | 5 | 2 | 5 | 2 | 1 | 2 | 4 |
