Fordele ved digital teknologi. Nye virksomheder og nye relationer

Analog er et signal, der ændrer sig konstant. Det mest almindelige er ændringer over tid. På makrokosmos niveau er alle signaler om omverdenen analoge, og det er i analog form, at de optages af de tilsvarende sensorer og omdannes til signaler af en anden karakter, oftest elektriske. (Ganske vist ved man fra skoleforløbet, at i atomer sker alle overgange brat, kvantificeret, men enkelte atomer er ikke relevante for vores overvejelse).

I en computer har vi at gøre med et binært digitalt signal, der kun tager to diskrete værdier, en værdi tildeles et 0 og den anden en 1.

I en processor og RAM svarer dette til tilstedeværelsen eller fraværet af en elektrisk ladning i en elementær hukommelsescelle (eller, hvilket er det samme, tilstedeværelsen eller fraværet af spænding). Forresten, i computere er et signal, hvor der er spænding, tildelt værdien 0, og fraværet af spænding er et signal 1. Selvom det ved første øjekast ville være mere logisk omvendt.

På en harddisk svarer 0 til magnetiseringen af ​​en sektion af disken i én retning og 1 – i den modsatte retning. På cd'er indtastes den binære kode ved at stemple fordybninger i plastikken, og på CD-R og CD-RW optagediske dannes den binære kode ved at gøre informationslaget mørkere under en laserstråle. Og den allerførste registrering af binær kode blev udført ved at slå huller i pap. Der er et hul - dette er 0, glat papir er 1.

Det vil sige, at det er ligegyldigt, hvordan det binære signal skabes, så længe det producerer to niveauer, der er meget forskellige fra hinanden.

Binær digitalt signal Det findes ikke i naturen, det er skabt af mennesket. Det er praktisk for en person at arbejde med information, der er registreret i digital form. Vi kan sige, at vi er til stede, når menneskeheden skaber sit eget digitale univers. Det menneskelige samfund har skabt mange diskrete ting. For eksempel tekst - den består af individuelle diskrete bogstaver, og her er der ingen kontinuitet. Til tekst og andre diskrete menneskeskabte materialer er digital computerteknologi bedre egnet end analog.

Hvis vi sammenligner digital og analog elektronik, så er digitale video- og lydbehandlingsenheder altid udstyr af højere klasse end analoge enheder. Digital teknologi bliver stadig mere af høj kvalitet og prestigefyldt.

Sammenlignet med et analogt signal har et digitalt signal to plusser og et minus. Lad os se på dem i rækkefølge.

1. Ved at bruge et analogt signal er det i princippet umuligt at transmittere information uden forvrængning, et digitalt signal giver dig mulighed for at transmittere information helt uden forvrængning.

Hvorfor sker dette? Under transmissionen opstår der altid en eller anden form for interferens i kommunikationslinjen, hvilket forvrænger det transmitterede signal (stiplede linjer i figuren). Ingen interferens forekommer kun i det ideelle tilfælde, som ligesom ethvert ideal er uopnåeligt. Og modtageren kan ikke gendanne det originale signal, da kun senderen har information om det originale signal.

En helt anden situation observeres med et digitalt signal. Også her opstår der interferens under transmission - hvor kan man komme væk fra det (stiplede linjer i figuren). Men ved modtagelse er opgaven at genkende hvert signal som 0 eller 1 - der er ingen mellemvej. Og hvis alle 0'er og 1'ere genkendes korrekt, betyder det, at informationen transmitteres uden forvrængning.

Interferens kan ikke kun forekomme, når der overføres information over lange afstande. Stærk interferens og interferens kan også forekomme inde i enhver enhed (tv, computer osv.).

To vigtige konklusioner følger af ovenstående.

a) Digital teknologi fungerer mere pålideligt.

b) Den pulserende (digitale) metode til at overføre information giver dig mulighed for at oprette et ubegrænset antal absolut identiske kopier.

I et analogt signal vil hvert trin af kopiering blive ledsaget af tilsynekomsten af ​​interferens; med stigende stadier af sekventiel kopiering bliver kvaliteten af ​​signalet dårligere, og i sidste ende bliver informationen fuldstændig ulæselig.

I et digitalt signal kan støj elimineres, fordi man ved, hvad der skal fjernes – alt hvad der adskiller sig fra 0 og 1. Og fra hver efterfølgende kopi kan der laves en ny kopi ligesom fra originalen. Sandt nok har denne fordel ubehagelige konsekvenser, da den skaber grundlaget for piratkopiering og uautoriseret brug af andre menneskers intellektuelle ejendom.

Fortsættelse. Se nr. 5, 6/2009

Værktøjskasse

I alle forfatterens versioner af skolens datamatikerkursus er det centrale systemdannende begreb informationsbegrebet. Den grundlæggende komponent i datalogi er videnskaben om information og informationsprocesser. Et specialiseret kursus i datalogi til gymnasiet giver større muligheder for at afsløre dette grundlæggende indhold end et kursus i en gymnasieskole. Dette lettes for det første af propædeutik gennemført i tidligere klasser, og for det andet af elevernes højere matematiske og fysiske træning.

Afsnittet om informationskodning er centralt i kursets teoretiske del. Det afspejler de grundlæggende ideer om præsentation og transformation af information, der ligger til grund for informationsteknologi. At forstå disse ideer bidrager til en dyb forståelse af IKT for den professionelle bruger og, endnu vigtigere, for fremtidens computersystemdesigner.

Flere detaljer end i grundskolen, her vi taler om funktionerne ved analoge og digitale former for informationstransmission. Essensen af ​​ADC - analog-til-digital signalkonvertering - er forklaret tilstrækkeligt detaljeret.

Nøglebegrebet i afsnittet er kodning modtager multilateral afklaring. En kode er en tegnsekvens, der indeholder nogle oplysninger. Kodning er processen med at konstruere kode. Alle kodningsmuligheder kan opdeles i to grupper:

1) konvertering fra analog form til diskret, symbolsk form;

2) konvertering fra et symbolsk system til et andet.

Metoderne for den anden gruppe af kodning afhænger af formålet. Der kan være følgende muligheder: overgang fra en præsentationsstandard til en anden; reduktion af datavolumen (komprimering, emballering); klassificering af information (kryptering) og den omvendte procedure - dekryptering; sikre fejlkontrol under datatransmission. I alle tilfælde bruges visse kodningsalgoritmer, ofte bag hvilke der er matematiske modeller. Læreren skal danne sig en systematisk forståelse af eleverne om kodningsproblemer og måder at løse dem på.

Datalogitimerne er opdelt i teoretiske lektioner og et computerværksted (begge arbejdsformer kan naturligvis kombineres inden for en time). I dette kursus Forfatterne foreslår en anden form for organisering af klasser - en lektionsforskning. Materialet til en sådan lektion er indeholdt i §5 "Numeriske eksperimenter i lydbehandling." Arbejdet består i, at læreren demonstrerer numeriske eksperimenter udført i et regnearksmiljø ved hjælp af en computer og projektionsværktøjer. Eleverne kan parallelt gentage de samme beregninger på deres pc'er, men så får de opgaver om selvstændigt at fortsætte eksperimentet. Resultaterne diskuteres samlet.

I kodningsenheden fortsætter eleverne med at uddybe deres regnearks- og Pascal-programmeringsfærdigheder.

§1. Signal - informationsbærer

En person opfatter information fra omverdenen ved hjælp af sine sanser. Det meste af den information, vi modtager, er gennem syn og hørelse.

Høreorganerne opfatter lydsignaler, til som bliver båret af lydbølger. Synsorganerne opfatter visuelle signaler, hvis natur er elektromagnetiske bølger i et bestemt frekvensområde. Nogen signal- dette er en ændring i en fysisk mængde, der transmitterer information til det modtagende objekt(levende væsen eller teknisk anordning). Lydsignalet er forbundet med en ændring i lufttrykket genereret af lydbølgen og påvirker høreorganet. Det visuelle signal er forbundet med ændringer i parametrene for elektromagnetisk lysstråling, der opfattes af synsorganerne.

I mange århundreder kunne folk kun høre lyde i en naturlig høreafstand fra kilden og se genstande i deres synsfelt. Udviklingen af ​​videnskab og teknologi har gjort det muligt for mennesket at gå ud over disse naturlige grænser for opfattelse.

I løbet af de sidste to århundreder har videnskabsmænd og opfindere opnået store resultater med at skabe kommunikationsværktøjer til at overføre information over en afstand. Forskellige tekniske kommunikationsmidler giver transmission af to typer signaler: analog Og diskret.

Et synonym for "analog" er "kontinuerlig". For eksempel er lyd en kontinuerlig bølgeproces, der forekommer i atmosfæren eller et andet kontinuerligt medium. Udtrykket "diskret" betyder "opdelt", bestående af individuelle partikler, elementer, kvanter. De første tekniske kommunikationsmidler i historien var beregnet til at transmittere tekster i diskret form.

Det 19. århundrede var et stort århundrede med tekniske opfindelser. I 1831 opdagede Michael Faraday fænomenet elektromagnetisk induktion. Herefter begyndte den hurtige udvikling af elektroteknik: opfindelser elektrisk generator, bliver der skabt midler til at overføre elektricitet over en afstand. Elektricitet har mange anvendelsesmuligheder. De vigtigste af dem er: elektrisk belysning og opvarmning, elektrisk motor, telekommunikation - overførsel af information ved hjælp af elektricitet. Ideen om at transmittere information via ledninger virkede fantastisk på det tidspunkt: det blev muligt at transmittere tekst med hastigheden af ​​elektrisk signaloverførsel - tæt på lysets hastighed.

Den første elektromagnetiske telegraf blev skabt af den russiske videnskabsmand Pavel Lvovich Schilling i 1832. I 1837 patenterede amerikaneren Samuel Morse sit design til et elektromagnetisk telegrafapparat. Han udviklede sig også telegrafkode, kendt som morsekode.

En telegrafmeddelelse er en sekvens af elektriske signaler, der transmitteres fra et telegrafapparat via ledninger til et andet telegrafapparat. Disse tekniske omstændigheder førte S. Morse til ideen om kun at bruge to typer signaler - korte og lange - til at kode meddelelser transmitteret over telegrafkommunikationslinjer.

I morsekode er hvert bogstav i alfabetet kodet af en sekvens af korte signaler (prikker) og lange signaler (bindestreg). I tabellen i fig. Figur 1 viser morsekode i forhold til det latinske og russiske alfabet.

Ris. 1. Morsekodetabel

Den mest berømte telegrafmeddelelse er SOS-nødsignalet ( S ave O ur S ouls- Red vores sjæle). Sådan ser det ud i morsekode:

- - -

Tre prikker repræsenterer det latinske bogstav S, tre tankestreger repræsenterer bogstavet O. To pauser adskiller bogstaverne fra hinanden. Telegrafoperatøren, der sendte en besked i morsekode, "tappede" den ud ved hjælp af en telegraftast: en prik - et kort signal, en bindestreg - et langt signal, efter hvert bogstav - en pause. På modtagemaskinen blev beskeden optaget på papirbånd i form af grafiske prikker, streger og mellemrum, som blev visuelt aflæst af telegrafisten.

Morsekode er ujævn kode, da kodelængden for forskellige bogstaver i alfabetet varierer fra et til seks tegn (prikker og bindestreger). Af denne grund er der brug for et tredje tegn - en pause for at adskille bogstaverne fra hinanden.

Den ensartede telegrafkode blev opfundet af franskmanden Jean Maurice Baudot i 1870. Den brugte kun to forskellige typer signaler. Det er lige meget, hvad du kalder dem: prik og bindestreg, plus og minus, nul og en. Det er to forskellige elektriske signaler.

I Baudot-kodetabellen er kodelængden af ​​alle tegn i alfabetet den samme og svarer til fem. I dette tilfælde er der ikke noget problem med at adskille bogstaver fra hinanden: hvert femte signal er et teksttegn.

Takket være Bodos idé var det muligt at automatisere processen med at overføre og udskrive breve. I 1901 blev et tastaturtelegrafapparat skabt. Et tryk på en tast med et bestemt bogstav genererer et tilsvarende fem-impuls signal, som sendes over kommunikationslinjen. Den modtagende enhed, under påvirkning af dette signal, udskriver det samme bogstav på et papirbånd.

Morse- og Baudot-telegrafer er diskret metoder til at overføre information.

Den næste vigtige begivenhed inden for kommunikationsteknologi var opfindelsen af ​​telefonen. I 1876 modtog amerikaneren Alexander Bell patent på sin opfindelse. Et år senere opfandt Thomas Alva Edison en telefon med kulmikrofon, som stadig kan findes i brug. Telefonkommunikation transmitterer lyd over en afstand ved hjælp af et kontinuerligt elektrisk signal moduleret med frekvensen af ​​lydvibrationer. Der skabes en elektrisk vekselspænding i højttalerens mikrofon, og i lytterens høretelefon omdannes den til lydvibrationer. Telefoni er en analog metode til at overføre lyd.

Takket være opdagelsen af ​​elektromagnetiske bølger i 1888 af Heinrich Hertz blev opfindelsen af ​​radiokommunikation mulig. Næsten samtidigt, i 1895, opfandt Alexander Popov i Rusland og i 1896 italieneren G. Marconi de første radiosendere og radiomodtagere. Samtidige med opfindelsen kaldte radioen for en trådløs telefon. Princippet for lydtransmission via radiokommunikation er overførsel gennem rummet af højfrekvente (bærebølger) elektromagnetiske bølger moduleret i amplitude af lavfrekvente lydvibrationer. I en radiomodtager adskilles lydvibrationer fra bærefrekvensen og omdannes til lyd. Radiokommunikation er en analog metode til at transmittere lyd.

I det tyvende århundrede, med opfindelsen af ​​fjernsynet, blev det muligt at transmittere billeder over en afstand. Fjernsynets elektromagnetiske signal er også analog metode til at overføre lyd- og videoinformation.

I anden halvdel af det tyvende århundrede skete der en overgang til en overvejende diskret form for informationsrepræsentation til lagring, transmission og behandling. Denne proces begyndte med opfindelsen af ​​digital databehandling og måleteknologi. I øjeblikket er computerbehandling ved at blive en del af alle kommunikationssystemer: telefon, radio og tv. Digital telefoni og digitalt tv er under udvikling. Internettet som et universelt kommunikationssystem er udelukkende baseret på diskret digital teknologi til lagring, transmission og behandling af information.

Spørgsmål og opgaver

1. Hvad er et signal?

2. Begrund den korrekte brug af udtrykket "trafiklyssignal".

3. Giv eksempler på analoge signaler i naturen, der transmitterer information.

4. Tror du, at menneskelig tale er en analog eller diskret form for informationsoverførsel?

5. Angiv de vigtigste begivenheder i opfindelsens historie tekniske midler kommunikation.

6. Hvorfor har digitale kommunikationsteknologier for nylig erstattet analoge?

§2. Tekstkodning

Hvad er kodning

Kodning er repræsentationen af ​​information som en kombination af symboler. Kodning sker efter visse regler. Kodningsregler afhænger af formålet med koden, dvs. om hvordan og til hvad det vil blive brugt.

At skrive er en måde at indkode tale på i naturligt sprog. Skrevet tekst (også kaldet skriftlig tale) er beregnet til at overføre information fra én person til andre mennesker både i rummet (brev, note) og i tid (bøger, dagbøger, dokumentarkiver osv.). Reglerne, som folk skriver efter informationskodning, kaldes et sprogs grammatik (russisk, engelsk, kinesisk osv.), og en person, der kan læse og skrive, kaldes en litterær person.

Hvis optagelse af tale kaldes kodning, så er det at læse skrevet tekst. afkodning. Da vi udtrykker vores tanker i form af mundtlig tale, kan processen med skriftlig udveksling af information mellem mennesker repræsenteres af følgende diagram (se diagram).

Med denne skriftlige metode til informationsudveksling bruges papir oftest som medie.

Med opfindelsen af ​​tekniske kommunikationsmidler blev det muligt hurtigt at overføre tekster over lange afstande. Men denne proces kræver brug af et ekstra lag af kodning. Lad os gentage ovenstående udsagn igen: kodningsmetoden afhænger af formålet med koden. Hvis koden er beregnet til at transmittere tekst over et teknisk kommunikationssystem, skal den tilpasses til dette systems muligheder. Et eksempel på en sådan "teknisk" kode er morsekode.

Processen med at sende en telegrafmeddelelse ved hjælp af morsekode kan repræsenteres af følgende diagram:

Tekstkodningsmetoder

Tekstkodning sker altid i henhold til følgende regel: hvert tegn i kildetekstalfabetet erstattes af en kombination af tegn i kodningsalfabetet. For morsekode er disse regler præsenteret i tabellen vedr ris. 1.

I Morsekodetabellen bruges to symboler til at kode de 32 bogstaver i det russiske alfabet (bogstavet E begyndte først at blive brugt i skrevet tekst i midten af ​​det tyvende århundrede): en prik og en bindestreg. Dog ved overførsel af ord pga ujævnheder i koder For forskellige bogstaver skal du også bruge et mellemrum mellem bogstaverne: en pause i sendetiden eller et mellemrum på telegrafbåndet. Derfor indeholder morse-telegrafkodealfabetet faktisk tre tegn: prik, bindestreg, spring over.

Baudots telegrafkode er binær ensartet fem-bit kode. På grundlag af det, i 1932, blev det udviklet international telegrafkode ITA2, hvis kodetabel er præsenteret påris. 2.

Ris. 2. Telegrafkode ITA2

Binære tegnkoder er sammenklappet til et tocifret hexadecimalt talformat, hvor det første ciffer har værdien 0 eller 1. Der er tre typer tegn: bogstaver, tal og tegn og kontroltegn. Skift til bogstavindtastningstilstand sker ved hjælp af kode 1F 16 (binær form 1 1111). Bogstavet A har koden 03 16 (0 0011); koden for bogstavet R er 0A 16 (0 1010). Den samme kode i cifferindtastningstilstand repræsenterer tallet 4. Ordet "BODO" i hexadecimal form er kodet som følger: 19 18 09 18. Længden af ​​den binære kode for dette ord er 20.

I anden halvdel af det tyvende århundrede blev computere skabt og distribueret. Til computertekstbehandling var det nødvendigt at oprette en tegnkodningsstandard. I 1963 blev der vedtaget en standard, som hed ASCII - amerikansk standard kode til informationsudveksling. ASCII er en syv-bit binær kode, den er angivet i tabel. 1.

Et tegns kode er dets serienummer i kodetabellen. Det kan repræsenteres i decimale, binære og hexadecimale talsystemer. Koden i computerens hukommelse er et syv-bit binært tal. I tabel 1 ASCII-kode er repræsenteret i sammenklappet hexadecimal form. Når de udvides til binær form, er koderne syv-bit binære heltal, der spænder fra 000 0000 2 = 00 16 = 0 til 111 1111 2 = 7F 16 = 127. Der er 2 7 = 128 tegn i alt.

De første 32 tegn (00 til 1F) kaldes kontroltegn. De afspejles ikke i nogen tegn på monitorskærmen eller ved udskrivning, men de bestemmer nogle handlinger ved udskrivning af tekst. For eksempel sletter kode 08 16 (BS) det forrige tegn; ved kode 07 16 (BEL) - lydsignaludgang; kode OD 16 (CR) betyder gå til begyndelsen af ​​linjen (carriage return). Disse tegn er nedarvet fra kodningen for teletype kommunikation, som ASCII oprindeligt blev brugt til, hvorfor sådanne arkaiske udtryk som "vogn" blev bevaret.

Symboler, der har et grafisk display, begynder med koden 20 16. Dette er et mellemrum - springer en position over, når du udskriver. En vigtig egenskab ved en ASCII-tabel er, at den bibeholder den alfabetiske sekvens af kodningen af ​​store og små bogstaver samt decimaltal. Denne ejendom er yderst vigtig for softwarebehandling symbolsk information, især til alfabetisk sortering af ord.

ASCII-kodeudvidelse. Otte-bit binær kodning giver dig mulighed for at kode et alfabet på 2 8 = 256 tegn. Den første halvdel af otte-bit-koden er den samme som ASCII. Anden halvdel består af symboler med koder fra 128 = 80 16 = 1000 0000 2 til 255 = FF 16 = 1111 1111 2. Denne del af indkodningstabellen kaldes kodeside(CP - kodetabel). Kodetabellen indeholder ikke-latinske alfabeter, pseudografiske tegn og nogle andre tegn, der ikke er inkluderet i første halvdel.

I tabel 2, 3, 4 viser kodesider med det russiske alfabet. CP866 bruges i MS DOS-operativsystemet, CP1251 - i Windows-operativsystemet. KOI8-R-kodningen bruges i Unix-operativsystemet. Dens første halvdel er den samme som ASCII.

Bemærk venligst, at ikke alle kodninger følger den sekventielle kodningsregel i det russiske alfabet. Der er andre tegnkodningsstandarder, der bruger det russiske alfabet.

16-bit UNICODE standard. I 1991, en seksten-bit international standard Unicode-tegnkodning, som giver dig mulighed for at kode 2 16 = 65.536 tegn. Denne kodetabel indeholder engelsk (latin), russisk (kyrillisk), græske alfabeter, Kinesiske karaktere, matematiske symboler og meget mere. Der er ikke behov for kodesider. Udvalget af tegnkoder i hexadecimal form er fra 0000 til FFFF.

I begyndelsen af ​​kodetabellen, i området fra 0000 16 til 007F 16, er ASCII-tegn indeholdt. Områder med tegn med koder fra 0400 16 til 052F 16, fra 2DE0 16 til 2DFF 16, fra A640 16 til A69F 16 er tildelt til kyrilliske tegn.

Lær at programmere

Lad os overveje et Pascal-program, der viser en kodningstabel i kodeområdet fra 20 til 255.

Program Tabel_kode;

bruger CRT; (Tilslutning af kontrolbiblioteket

symbolsk output)

var kode: byte; (Heltal fra 0 til 255)

clrscr; (Rydning af tegnoutputskærmen)

til kode:= 20 til 255 gør

(Sløjfer gennem tegnkoder)

hvis(kode mod 10 = 0) derefter skriveln;

(Linje feed i 10 trin)

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

(Output af symbolet og dets kode)

Operatør bruger CRT forbinder til programmet et bibliotek af rutiner til styring af symbolsk output på monitorskærmen. Dernæst bruger programmet en procedure fra dette bibliotek: clrscr - rydder skærmen.

Type variabel byte optager 1 byte hukommelse og accepterer mange positive heltal numeriske værdier i området fra 0 til 255.

Programmet bruger standardfunktionen chr(kod) , som som et resultat returnerer et tegn, hvis decimalkode er lig med værdien af ​​kod-variablen.

Værdier vises i par: symbol - kode. Der er 10 sådanne par på én linje. Hele bordet vil passe i 24 rækker.

Spørgsmål og opgaver

1. Definer begreberne: kode, kodning, afkodning.

2. Giv eksempler på indkodning og afkodning, som ikke blev diskuteret i afsnittet.

3. Hvad er forskellen mellem ensartede og uensartede koder?

4. Indkod ordet COMPUTER ved hjælp af ITA2- og ASCII-koder.

5. Hvordan vil sætningen "SPARTAK - CHAMPION" blive læst, kodet ved hjælp af CP1251, hvis afkodning sker ved hjælp af KOI8-R-koden?

6. Et brev blev skrevet i KOI8-R-kodning, begyndende med sætningen: "Hej, kære Sasha!" Afkodningen fandt sted i syv-bit ASCII-kode, som et resultat af hvilket den mest betydningsfulde (ottende) bit af alle karakterer gik tabt. Skriv hvilken tekst du endte med. Vil modtageren være i stand til at forstå indholdet af brevet?

7. Brug en regnearksprocessor til at bestemme, hvilken tegntabel der bruges på din computer. For eksempel har Excel en funktion CHAR(kode), der returnerer det tegn, der svarer til en given decimalkode. Den omvendte funktion til det er CODE(symbol).

8. Implementer programmet Tabl_code på din computer. Gør det.

9*. Komponer et lignende program, der udsender binære tegnkoder.

10*. Skriv et lignende program, der ville udskrive hexadecimale koder af tegn.

§3. Billedkodning

Ifølge nogle skøn opfatter en person omkring 90% af informationen fra omverdenen visuelt. Menneskesyn er den naturlige evne til at opfatte billeder af genstande i den omgivende verden. Det visuelle system opfatter lys reflekteret eller udsendt af observationsobjekter. Det reflekterede billede er alt, hvad vi ser i dagslys eller kunstigt lys. Vi læser for eksempel en bog og ser på illustrationerne i den. Eksempler på udsendte billeder er billeder på en fjernsyns- eller computerskærm.

Siden oldtiden har folk lært at gemme og overføre billeder i form af tegninger. Fotografiet dukkede op i det 19. århundrede. Opfindelsen af ​​biografen af ​​brødrene Lumière i 1895 gjorde det muligt at transmittere levende billeder. I det 20. århundrede blev videobåndoptageren opfundet - et middel til at optage og overføre billeder på magnetbånd.

Teknikker billedkodning udvikles med fremkomsten af ​​digitale teknologier til lagring, transmission og behandling af billeder: digital fotografering, digital video, computer grafik.

Ved indkodning af et billede, samples det rumligt, og lyset, der kommer fra hvert enkelt element i billedet, kodes. I computerteknologier det rumlige gitter af diskrete elementer, som billedet på monitorskærmen er bygget af, kaldes et raster. De diskrete billedelementer på selve skærmen kaldes pixels (fig. 3). Jo tættere pixelgitteret er, jo højere billedkvalitet, jo mindre bemærker vores øjne dens diskrete struktur.

Videoinformation er en binær billedkode, der er gemt i computerens hukommelse. Hele den samlede videokode består af koder for lys, der udsendes af individuelle pixels.

De naturlige billeder, vi ser omkring os, er flerfarvede. Billedlagringsteknologier bruger metoder til at opnå monokromatisk, dvs. enkelt farve, og farvet(flerfarvede) billeder. Som bekendt dukkede de først op sort/hvid fotografering, sort/hvid biograf, og senere - farvefotografi og farvebiograf. Det samme gælder tv. De første computerskærme havde sort-hvide skærme, moderne computere farvemonitorer anvendes.

Farve (rød, gul, grøn osv.) er en persons subjektive opfattelse af lysets farve. Den objektive forskel mellem lys af forskellige farver ligger i lysets forskellige bølgelængder. Farveopfattelsens subjektive karakter bekræftes for eksempel af, at mennesker, der lider af farveblindhed, slet ikke kan skelne nogle farver.

Monokromatisk lyskodning

Ordet "monokromatisk" betyder én farve. Der er en baggrundsfarve. Hele billedet er opnået vha nuancer denne baggrundsfarve, forskellig i lysstyrke(de siger også gennemsigtighed). For eksempel, hvis baggrundsfarven er sort, kan du ved gradvist at gøre den lysere, bevæge dig gennem gråtoner til hvid farve (ris. 4). Vi kalder sådan et kontinuerligt sæt af nuancer - fra sort til hvid - sort og hvidt spektrum. Fra disse nuancer opnås billedet i sort/hvid fotografering på film- og tv-skærmene. Alle tegninger i denne tutorial er i sort/hvid.

Ris. 4. Kontinuerligt sort/hvidt spektrum

Baggrundsfarven behøver dog ikke at være sort. Det kan være brunt, blåt, grønt osv. Dette sker på tonede fotografier. Der var monokrome skærme med en brun eller grøn baggrundsfarve.

Den monokrome lyskode angiver baggrundsfarvens lysstyrkeniveau. Computere bruger positive binære heltal til digitalt at kode lys. Størrelsen af ​​den binære kode i bit kaldes lyskodningsdybden.

Med diskret digital kodning kontinuerligt spektrum nuancer af basisfarven er opdelt i et helt antal segmenter, inden for hver af hvilke lysstyrken betragtes som konstant.

For naturligt lys er antallet af nuancer af baggrundsfarve uendeligt. Med digital kodning bliver antallet af nuancer en begrænset mængde. Antallet af nuancer (K) og bitdybde af kodning (b) er relateret til hinanden i henhold til formlen:

Datalogiens hovedformel virker igen!

Billedets faktiske lysstyrke afhænger af de fysiske betingelser for dets transmission: niveauet af belysning fra lyskilden, når billedet reflekteres eller strøm lysstrøm fra skærmen, når billedet udsendes. Hvis den maksimale lysstyrke tages som én, vil lysstyrken i området fra sort til hvid variere fra nul til én.

På ris. Figur 5 viser samplingen af ​​sort-hvid-spektret ved b = 2. Det betyder, at kodestørrelsen er 2 bit, og hele spektret er opdelt i fire niveauer - 4 nuancer.

Ris. 5. Monokromatisk kodning med dybde 2

Naturligt lys, hvis lysstyrke varierer fra 0 til 1/4, vil blive repræsenteret som sort, hvis decimalkode er 0 og binær kode er 00. Dernæst er to nuancer af grå. Lys i lysstyrkeområdet fra 3/4 til 1 er repræsenteret som hvidt, og dets kode er: 3 = 11 2. Hvis lysstyrkeniveauet er udtrykt i procent, gælder reglerne for sort/hvid-kodning b = 2 kan afspejles i tabellen:

På ris. 6 viser prøveudtagningen af ​​det sort-hvide spektrum kl b = 4. Da 2 4 = 16, er 16 forskellige sorte og hvide nuancer kodet på denne måde. Decimal- og binære koder er givet.

Eksempel. Lad os overveje et modeleksempel på kodning af et sort-hvidt billede. Skærmens rasterstørrelse er 8 x 8 pixels. Kodningsdybden er to:
b = 2 bits. Billede vist kl ris. 7. Tallene angiver nummereringen af ​​rasterets rækker og kolonner. Hver celle er en billedpixel.

Bogstavet "P" tegnes på skærmen. Dens tre segmenter er malet i forskellige nuancer af baggrundsfarve: sort, mørkegrå og lysegrå. Den binære kode for billedet ville være:

Ris. 7. Diskret tegning

For klarhedens skyld præsenteres den binære kode i form af en matrix, hvis rækker svarer til rasterrækkerne på skærmen. Faktisk er computerhukommelse endimensionel, og al kode er en kæde af nuller og ener placeret i successive bytes af hukommelse. Volumen af ​​sådan videoinformation er 16 bytes. Hvis vi konverterer denne kode til hexadecimal form, vil den være som følger:

FFFF D55F CFEF CFEF CFEF CFEF FFFF FFFF

Ved indkodning af et farvebillede bruges forskellige tilgange, som kaldes farve modeller. Dette vil blive diskuteret i detaljer i afsnittet om computergrafikteknologier.

Spørgsmål og opgaver

1. Definer begreberne: lys, farve, billede.

2. Hvad kan ikke ses, og hvad kan ses i absolut mørke?

3. Hvad er et raster eller en pixel?

4. Hvordan adskiller et monokromt billede sig fra et farvebillede?

5. Hvad er det sort-hvide spektrum?

6. Hvilke oplysninger er indeholdt i computerkoden for et billede?

7. Hvilken lydstyrke vil videokoden på billedet, der vises på skærmen, have, hvis rasterstørrelsen er 640x480 og kodningsdybden er 8 bit?

8. Hvad er billedkodningsdybden, hvis videokodevolumen er 384 KB, og rasterstørrelsen er 1024x768?

9. Volumen af ​​videokode er 600 KB, kodningsdybden er 16 bit. Hvilken rasterstørrelse bruges til at vise billedet: 640x480 eller 1024x768?

10. På en sort-hvid "legetøjs"-skærm med en opløsning på 8 x 8 pixels (se eksempel i afsnittet) vises bogstaverne: N, A, Sh på skift. Udvikl og skriv ned dens binære og hexadecimale koder for hvert vist billede. Kodningsdybden er to. Forskellige bogstavelementer har forskellige farvenuancer.

11. Gendan billedet på en sort-hvid "legetøjs"-skærm ved hjælp af den hexadecimale kode: F3F7 F3D7 F37F F1FF F3BF F3EF F3FB FFFF, - hvis kodningsdybden er to.

§4. Analog signalkodningsteknologi

I §1 blev der indført en definition af begreberne "analogt signal" og "diskret signal". Lyssignalet er analogt, fordi det føres i en kontinuerlig strøm elektromagnetisk stråling. Lydsignalet bæres af en akustisk bølge, der genererer en kontinuerlig proces med at ændre lufttrykket med lydfrekvensen.

Til at gemme billeder og lyd til digitalt format de tilsvarende analoge signaler skal kodes, dvs. præsenteres som en diskret sekvens af nuller og enere - binære cifre. Processen med at konvertere et analogt signal til en diskret digital form kaldes analog-til-digital konvertering, eller forkortet som ADC.

På ris. Figur 8 viser et diagram til konvertering af ethvert analogt signal af naturlig oprindelse til en diskret digital kode.

Af dette diagram følger, at både lys- og lydsignaler i første omgang omdannes til et kontinuerligt elektrisk signal, som gennemgår analog-til-digital konvertering.

Digitalisering af et billede sker under optagelse på digitale foto- og videokameraer, samt ved indtastning af billedet på en computer ved hjælp af en scanner. I kernen fysisk proces Omdannelsen af ​​lys til elektrisk strøm er fænomenet med udseendet af en elektrisk ladning i en halvlederenhed - fotodiode under påvirkning af lys, der falder på den.

Størrelsen af ​​det elektriske potentiale, der opstår på fotodioden, er proportional med lysstyrken af ​​lysstrømmen. Denne værdi ændres løbende, efterhånden som lysets lysstyrke ændres.

Analog-til-digital konvertering involverer måling af størrelsen af ​​et elektrisk signal.

Måleresultater gemmes i digitalt format i en hukommelsesenhed. Rumlig sampling sker ved brug af et fotodiodearray, der deler billedet i endeligt nummer elementer.

Lydkodning

Lad os se nærmere på ADC-processen ved at bruge eksemplet med lydkodning, som den indlæses i en computer. Når du optager lyd på en computer, er den enhed, der konverterer lydbølger til et elektrisk signal, en mikrofon. Analog-til-digital konvertering producerer elektronisk kredsløb, opslået på lydkortet (lydkortet) på den computer, som mikrofonen er tilsluttet.

Amplituden og frekvensen af ​​signalet, der kommer fra mikrofonen og ankommer til lyd kort det elektriske signal svarer til det akustiske signals amplitude- og frekvensegenskaber. Derfor giver måling af det elektriske signal os mulighed for at bestemme lydbølgens karakteristika: dens frekvens og amplitude.

Et analogt signal er en proces med kontinuerlig ændring i signalamplitude over tid ( ris. 9).

Ris. 9. Analog signalsampling

Der er to hovedparametre for lydkodning: samplingshastighed og kodningsbitdybde. Signalamplituden måles med regelmæssige intervaller. Størrelsen af ​​et sådant tidsinterval kaldes prøveudtagningstrin, som måles i sekunder. Lad os betegne prøvetagningstrinnet t(s). Derefter vil prøvetagningshastigheden blive udtrykt ved formlen:

H = 1/t (Hz)

Frekvensen måles i hertz. En hertz svarer til én måling pr. sekund: 1 Hz = 1 s –1.

Jo højere samplingshastigheden er, jo mere detaljeret vil den numeriske kode afspejle ændringen i signalamplitude over tid. God lydoptagelseskvalitet opnås ved samplingfrekvenser på 44,1 kHz og højere (1 kHz = 1000 Hz).

Bitdybdekodning ( b) er størrelsen af ​​den binære kode, der repræsenterer amplituden af ​​signalet i computerens hukommelse. Bitdybde er relateret til antallet af niveauer af signalamplitudedeling i henhold til formlen:

Processen med at sample lydens amplitude kaldes lydkvantisering. Så kan værdien af ​​K kaldes antallet af lydkvantiseringsniveauer ( ris. 10).

Ris. 10. Analog signal kvantisering

Værdierne for den målte mængde indtastes Tilmeld lyd kort - en speciel hukommelsescelle på enheden. Registerstørrelsen er b - bitdybde af kodning. I det følgende vil vi også kalde denne størrelse for kvantiseringsbitdybden. Måleresultatet er repræsenteret i registret som et binært heltal.

Den målte fysiske størrelse afrundes til nærmeste heltal, som kan gemmes i lydkortregistret.

På ris. Figur 11 viser, hvordan dette sker med tre-bit kvantisering af et analogt signal. I grafisk form Sampling og kvantisering af lyd kan repræsenteres som en overgang fra en glat kurve til en stiplet linje bestående af vandrette og lodrette segmenter. Det antages, at værdien af ​​den målte størrelse ved hvert tidstrin forbliver konstant.

Ris. 11. Måling af en variabel fysisk størrelse
ved hjælp af et tre-bit register

Resultaterne af en sådan måling vil blive registreret i computerens hukommelse som en sekvens af tre-bit binære tal.

Volumen af ​​optaget lydinformation er lig med:

3 x 9 = 27 bit.

Faktisk bruges tre-bit sampling ikke i praksis. Denne mulighed betragtes her kun som et undervisningseksempel. Mindste størrelse Registeret for rigtige enheder har 8 cifre. I dette tilfælde vil en målt værdi tage 1 byte computerhukommelse, og antallet af kvantiseringsniveauer er 2 8 = 256. Målinger med et sådant register vil være 32 gange mere nøjagtige end med et tre-bit register. Med et 16-bit register vil hver værdi i hukommelsen tage 2 bytes, og antallet af kvantiseringsniveauer:
2 16 = 32 768. Jo højere kvantiseringsbitdybden er, jo højere er nøjagtigheden af ​​målinger af en fysisk størrelse. Men samtidig øges mængden af ​​optaget hukommelse også.

Den diskrete digitale repræsentation af et analogt signal afspejler det mere præcist, jo højere samplingsfrekvensen og kvantiseringsbitdybden er.

Nyquist-Kotelnikovs sætning. En person hører lydvibrationer cirka i frekvensområdet fra 20 Hz til 20 kHz. Lyd med frekvenser over dette område kaldes ultralyd, lyd med en lavere frekvens - infralyd. I kommunikationsteori kendes Nyquist-Kotelnikov-sætningen, ifølge hvilken samplingsfrekvensen af ​​ADC'en skal være mindst 2 gange højere end frekvensen af ​​det analoge signal. Det betyder, at hvis vi ønsker at gemme 20 kHz lydinformation i binær kode, så skal samplingsfrekvensen være mindst 40 kHz. Den nuværende standard for digital lydoptagelse bruger en samplingfrekvens på 44,1 kHz.

Den følgende figurative analogi af denne sætning kan gives. Fiskenettets maskestørrelse bestemmer størrelsen på den fisk, der skal holdes i det. Jo mindre maske, jo mindre fisk holdes af nettet. Nyquist-Kotelnikov-sætningen, omskrevet på en fiskemåde, vil lyde sådan her: længden af ​​siden af ​​en firkantet celle i nettet skal være halvdelen af ​​den tværgående størrelse af den mindste fisk, der skal fanges i nettene. For eksempel, hvis den tværgående størrelse af fisken skal være mindst 10 cm, så bør siden af ​​fiskenettets firkantede maske ikke være mere end 5 cm. Når du udfører ADC, svarer de "fangede" harmoniske til fisk fanget i nettet; Prøvetagningstrinnet svarer til størrelsen af ​​netværkscellerne. Overtoner vil blive diskuteret mere detaljeret i næste afsnit.

Opgave 1. Lyd blev optaget på computeren i 10 sekunder. Bestem mængden af ​​registreret information, hvis samplingsfrekvensen var 10 kHz og kvantiseringsbitten var 16 bit.

Antallet af målinger, der tages af lydsignalet (N) ved samplingsfrekvensen H (Hz) for tiden t (s) beregnes ved hjælp af formlen: N = H t. Ved at erstatte problemdataene får vi: N = 10.000·10 = 100.000 målinger. Kvantiseringsbredde: 16 bit = 2 bytes. Derfor mængden af ​​lydinformation:

I = 100.000 2 = 200.000 b = 200.000/1024 KB = 195,3125 KB

Opgave 2. Filen gemmer den optagede lyd. Dataene blev ikke komprimeret. Filstørrelsen er 1 MB. Det er kendt, at optagelsen blev foretaget ved en frekvens på 22 kHz med en lydkvantiseringsdybde på 8 bit. Bestem afspilningstiden, når du afspiller en lyd, der er gemt i en fil.

Af løsningen på det foregående problem følger det, at volumen af ​​lydinformation (I), samplingsfrekvens (H), kvantiseringsbitdybde (b) og lydoptagelsestid (t) er relateret til formlen:

Hvis den optagede lyd afspilles uden forvrængning, er afspilningstiden lig med optagetiden. Herfra vil den nødvendige værdi blive beregnet ved hjælp af formlen:

t = I/(Hb)

Når vi beregner, konverterer vi værdierne af I og b til bytes, og værdien af ​​H til hertz:

t = 1 1024 1024/(22 000 1) 47,66 s

Spørgsmål og opgaver

1. Nævn de vigtigste stadier af kodningsteknologi for analoge signaler af naturlig oprindelse.

2. I hvilke enheder forekommer lyskodning?

3. Hvad tekniske enheder bruges til lydkodning?

4. Definer begreberne: samplingsfrekvens, kvantiseringsbitdybde, kvantiseringsniveauer.

5. Bestem lydstyrken digital kode ved optagelse af lyd i 1 minut, hvis samplingsfrekvensen var 44,1 Hz og kvantiseringsbitten var 8 bit.

6. Bestem samplingsfrekvensen ved indkodning af lyd, hvis lydfilens lydstyrke er 500 KB, er optagetiden 0,5 minutter, og kvantiseringsbitten er 16 bit. Filen blev opnået efter 50% komprimering af kildekoden.

§5. Numeriske eksperimenter med lydbehandling

Funktionsgraf Y(x) er en visuel (grafisk) visning af afhængigheden af ​​værdien af ​​funktionen Y af værdien af ​​argumentet x. Grafen er konstrueret inden for funktionens definitionsdomæne (ændringsdomænet i argumentet x) og værdiområdet for Y. Hvis en funktion har et uendeligt definitionsdomæne, så det segment, inden for hvilket adfærden af funktionen er mest karakteristisk er valgt til at konstruere grafen. Grafen for en periodisk funktion skal som minimum afspejle én periode med ændring i funktionens værdier.

Eksperiment 1: Harmoniske svingninger

Lad os overveje en metode til at konstruere en graf for en periodisk funktion, der beskriver harmoniske svingninger. Harmoniske svingninger er periodiske ændringer over tid af en eller anden fysisk størrelse, beskrevet af sinus- eller cosinusfunktioner. Generelt ser de sådan ud:

Y = En synd(2 vt+ j) eller Y = A cos(2vt+ j)

Her er A amplituden af ​​svingninger; t - tid (funktionsargument); v- Oscillationsfrekvens, målt i hertz; j er den indledende fase af svingninger.

Perioden for funktionerne sin og cos er lig med 2. Værdien af ​​funktionen (Y) varierer i området fra –A til +A. Grafen for sinusfunktionen kaldes en sinusbølge.

Lydvibrationer beskrevet af en harmonisk funktion kaldes harmoniske vibrationer. Rene musikalske toner: do, re, mi osv. - repræsenterer harmoniske lydvibrationer af forskellige frekvenser. Harmoniske lydvibrationer frembringes af en stemmegaffel, som er referencekilden til musikalsk tone. Harmoniske svingninger udføres af et matematisk pendul. I et elektrisk oscillerende kredsløb ændres strømstyrken periodisk i henhold til en harmonisk lov.

Lad os se på en måde at plotte en harmonisk funktion i et regnearksmiljø. Lad os vise, hvordan dette gøres ved at bruge MS Excel-regnearksprocessoren som et eksempel.

Arbejdet foregår i to faser:

1 - funktionstabulering;

2 - plotte en funktion.

Det resulterende regneark vises i ris. 12.

Ris. 12. Tabel og graf over den harmoniske funktion.

Funktionens parametre er oscillationsfrekvensen n og amplituden A. Disse parametre indtastes henholdsvis i cellerne C1 og C2. Værdien af ​​den indledende fase j vil blive taget lig med nul.

Tabulation er konstruktionen af ​​en tabel med funktionsværdier på et bestemt interval af argumentværdier med et konstant trin. Fanetrinnet (t) er skrevet i celle G1.

Tabellen er placeret i cellerne A4:B25. Kolonne A indeholder værdierne af argumentet - tid t, i kolonne B - funktionsværdier Y=A sin(2 vt). Tidsændringen starter fra værdien t= 0 (celle A5). I celle A6 er formlen skrevet: =A5+$G$1. Denne formel kopieres derefter til følgende celler i kolonne A. Dette sikrer, at tiden ændres med et konstant trin, gemt i celle G1.

Formlen indtastes i celle B5:

=$C$2*SIN(2*PI()*$C$1*A5).

Denne formel beregner værdien af ​​funktionen ud fra argumentet placeret i celle A5. Standard funktion PI() returnerer værdien af ​​det pythagoriske tal p. Formlen i celle B5 kopieres ned i kolonnen til celle B25.

På ris. Figur 12 viser resultaterne af tabulering af funktionen for værdierne n = 10 Hz, A = 1. Tabuleringstrinnet tages lig med 0,005. Ved en frekvens på 10 Hz er oscillationsperioden 1/10 = 0,1 s. Med et tabuleringstrin på 0,005 passer 20 trin ind i en periode. Dette er et tilstrækkeligt antal værdier til at plotte en funktionsgraf.

Opbygning af en graf. Til grafisk behandling af data i en regnearksprocessor er der en guide til at konstruere diagrammer og grafer. Det kaldes gennem menuen ved hjælp af kommandoerne: Indsæt - Diagrammer. De yderligere trin i algoritmen er som følger:

1 - vælg diagramtype: standard - spot, udsigt - udjævning af linjer

2 - indstil dataområdet (funktionsværdier): i kolonner - B5:B25; ROW-fanen, værdier X: A5:A25

3 - definer titlen: Y=A synd(2vt) ; billedtekster under akserne: t, Y; gitter linjer; legende (nej); datasignaturer (nr).

4 - angiv på hvilket ark i bogen, der skal markeres diagrammet.

Klik på UDFØRT. Tidsplanen er oprettet.

Linjetykkelsen, baggrundsfarven og gittertypen kan konfigureres separat ved hjælp af kontekstmenuen (højre museknap), indstilling nødvendige formater genstande.

En person hører lydvibrationer i gennemsnit i frekvensområdet fra 20 Hz til 20 kHz. Frekvensen på 10 Hz er frekvensen af ​​infralyd. Nogle dyr opfatter det ved øret. Hvis du fordobler frekvensen, nås den nedre frekvensgrænse for menneskelig hørbarhed. Men så vil to perioder med oscillation passe på et tidsinterval på 0,1 sekund. Dette eksperiment kan nemt udføres ved hjælp af et indbygget regneark. Ændre frekvensværdien i celle C1 til 20, hvorefter tabellen genberegnes, og grafen vil have den form, der er vist i ris. 13.

Ris. 13. Graf over lydvibrationer for n = 20 Hz

I et tidsinterval på 0,1 sekunder blev 2 perioder af funktionen opfyldt. Derfor er oscillationsperioden 0,05 sekunder.

Opgaver. Lav nogle eksperimenter på regnearket for frekvensværdier: 5, 15, 30, 40 Hz. Bestem i hvert tilfælde, hvor mange svingningsperioder der passer inden for et interval på 0,1 sekunder.

Forsøg 2: ikke-harmoniske vibrationer

I den gren af ​​matematik kaldes harmonisk analyse, er det blevet bevist, at enhver periodisk funktion Y(t) med frekvensen n kan repræsenteres som en sum af harmoniske (sinusformede) funktioner med frekvenserne n, 2n, 3n, 4n... Sådanne udtryk kaldes harmoniske, og repræsentationen af ​​en funktion som summen af ​​harmoniske kaldes dens harmoniske ekspansion:

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

Her A 1, A 2, ... - harmoniske amplituder, j 1, j 2, …. - indledende faser af harmoniske. Antallet af led for nogle funktioner kan være endeligt, men det kan også være uendeligt.

Eksempel. Lad os konstruere en graf af en ikke-harmonisk periodisk funktion, repræsenteret som summen af ​​to harmoniske:

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

De indledende faser er nul. Lad os udføre beregninger for følgende parameterværdier: v= 20 Hz, A 1 = A 2 = 1. Som ovenfor vil vi udføre beregninger over en tidsperiode fra 0 til 0,1 sekunder, tabuleringstrinnet er 0,005.

For at få en værditabel skal du blot erstatte indholdet af celle B5 med følgende formel:

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

Kopier derefter denne formel ned i kolonne B.

Ris. 14. Graf over ikke-harmoniske svingninger

Den konstruerede graf præsenteres på ris. 14. Af grafen fremgår det tydeligt, at svingningsperioden er 0,05 s, dvs. lig med perioden for den første harmoniske. Den maksimale amplitude af oscillationer steg og blev ca. 1,54.

1. Få en graf over oscillationer, der adskiller sig fra dem, der er betragtet i eksemplet, ved at amplituden af ​​den anden harmoniske er halvdelen af ​​den første: A2 = A1/2.

2. Få en graf over svingninger bestående af tre harmoniske med følgende parametre: A 1 = 1,
v n1 = 20 Hz; A 2 = A 1/2,v 2 = 2v 1 Hz; A 3 = A 2 /2,v 3 = 2v 2 Hz. De indledende faser er nul.

3. Få en graf over svingninger bestående af to harmoniske med parametrene: A 1 = 1,v 1 = 20 Hz, j1 = 0; A 2 = A 1,v 2 = 2v 1 Hz, j2 = p/2. Sammenlign den resulterende graf med grafen på ris. 14. Hvordan påvirkede faseforskydningen mellem harmoniske amplituden af ​​svingninger og svingningsperioden?

Eksperiment 3: Lydsampling og kvantisering

Dette eksperiment simulerer analog-til-digital konverteringsprocessen. ADC inkluderer signalsampling efter tid og kvantisering signal amplitude værdier. Tidssampling bestemmes af værdien af ​​samplingsfrekvensen H (Hz). Tidstrinnet mellem to målinger er 1/N sekund.

Amplitudekvantiseringsprocessen bestemmes af: b. Antallet af kvantiseringsniveauer er 2 b . Koderne, der bestemmer amplituden af ​​lydsignalet, er heltal i området fra 0 til 2 b – 1.

En model afn, implementeret i et regneark, er præsenteret i fig. 15. Et harmonisk signal med en frekvens på n = 20 Hz betragtes. Signalfrekvensværdien gemmes i celle C1. ADC-samplingfrekvensen er H = 200 Hz (celle C2). Kvantiseringsdybde b = 8 bit (celle G2).

Kolonne A indeholder tidspunkterne for signalmålinger, når der udføres en ADC. I celle A5 - det indledende tidspunkt t = 0. Så stiger tiden i trin på 1/H s. I celle A6 er formlen skrevet: =A5+1/$C$2. Dernæst kopieres denne formel ned i kolonne A.

Amplitudeværdien af ​​det analoge signal beregnes med formlen:

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

Denne transformation af sinusoiden flytter den til området med ikke-negative Y-værdier i området fra 0 til 1. Dette gøres for at forenkle beskrivelsen af ​​den videre kvantiseringsproces. Følgende formel indtastes i celle B5: =(1+SIN(2*PI()*$C$1*A5))/2. Denne formel kopieres derefter ned i kolonne B.

Kolonne C indeholder signalamplitudemålekoder, repræsenteret som heltal decimaltal. Når de skrives til computerens hukommelse, oversættes de til binært system Regning. Formlen er placeret i celle C5: =INTEGER(B5*2^$G$2) . Dens betydning er som følger: da Y ligger i området fra 0 til 1, vil værdien af ​​udtrykket være lig med heltal i området fra 0 til 2 b. Her firkantede parenteser betegne valget af en heltal del af et tal.

Når du konstruerer et "Signal Coding" diagram, skal du vælge typen "Histogram". Diskret udsigt histogrammer afspejler klart kodens diskrete karakter. Bordet er bygget ud fra 21 signalmålinger. For disse værdier af n og H var det muligt at måle to perioder med signaloscillationer.

Når du ændrer tre modelparametre: v, Í og b - tabellen genberegnes automatisk. Hvis du for eksempel øger samplingsfrekvensen med 2 gange, dvs. sat i en celle C2 er tallet 400, så får vi graferne præsenteret i ris. 16.

Ris. 15. Harmoniske analoge signal- og kvantiseringsresultater.

Ris. 16. ADC med samplinghastighed 400 Hz

Målingerne blev foretaget over en svingningsperiode. Den diskrete kode beskriver nu den oscillerende proces mere detaljeret.

Ris. 17. ADC med 16-bit kvantiseringsdybde
og samplingsfrekvens 400 Hz

Kvantiseringshistogram på ris. 17 blev opnået for b = 16. Det kan ses, at rækken af ​​kodeværdier er steget. Som følge heraf giver kodning mere nøjagtig information om signalets størrelse end med b = 8.

1. Udfør beregninger med følgende parameterværdier:
v= 20 Hz, H = 100 Hz, b = 8 bit. Sammenlign med resultaterne på ris. 15. Træk konklusioner.

2. Udfør numeriske eksperimenter med kodning af ikke-harmoniske svingninger. Tag funktionerne, der beskriver ikke-harmoniske svingninger fra opgaverne til eksperiment nr. 2.

3*. Fra Nyquist-Kotelnikov-sætningen følger det, at for at rekonstruere harmoniske svingninger med frekvensen n ved hjælp af en diskret kode, skal samplingsfrekvensen ikke være mindre end 2 v, dvs. følgende betingelse skal være opfyldt: H 2v. Prøv at teste denne sætning på vores model. Prøv at forklare dine resultater.

4. Skriv et program i Pascal, der simulerer indkodningsprocessen for et analogt signal (uden grafik). Programmet skal gengive tabellerne, der blev opnået ovenfor i tabelprocessormiljøet.

§6. Binær kode komprimering

Enhver information på en computer er repræsenteret i form af binær kode. Jo større volumen af ​​denne kode er, jo mere hukommelsesplads fylder den, og jo længere tid tager det at sende den over kommunikationskanaler. Alt dette påvirker computerens ydeevne, om effektiviteten af ​​at bruge computernetværk.

Datamængdereduktion sker ved binær kode komprimering. Der er to mulige kompressionssituationer:

1) tab af information som følge af komprimering er uacceptabelt;

2) delvist tab af information som følge af komprimering er acceptabelt.

I det første tilfælde kompression, eller pakke, produceres data kun til midlertidig lagring på medier eller transmission via kommunikationskanaler. For at arbejde med disse data skal du bruge dem udpakning, dvs. reduktion til den oprindelige form. I dette tilfælde bør ikke en eneste bit gå tabt. For eksempel, hvis tekst er komprimeret, så efter dekomprimering bør ikke et eneste tegn i den være forvrænget. Det komprimerede program skal også gendannes fuldstændigt, da den mindste forvrængning vil gøre det ubrugeligt. Tabsfri komprimering er almindeligvis brugt, når du opretter og filarkiver.

Emballering med delvist tab af information udføres ved at komprimere billede (grafik, video) og lydkode. Denne mulighed er forbundet med de subjektive muligheder for menneskets syn og hørelse.

Forskning udført af videnskabsmænd har vist, at vores syn er mere markant påvirket af lysstyrken af ​​et billedpunkt (pixel) end dets farveegenskaber. Derfor kan mængden af ​​videokode reduceres ved at gemme farvekoder ikke for hver pixel, men efter en, to osv. rasterpixels. Jo større mellemrum, jo ​​mere komprimeres videodataene, men billedkvaliteten forringes.

Ved kodning af videofilm - dynamiske billeder, tages der hensyn til egenskaben af ​​inerti af vision. Hurtigt bevægelige dele af en film kan kodes i mindre detaljer end statiske billeder.

Den sværeste kode at komprimere er lydkoden. Med god optagekvalitet er dens ukomprimerede lydstyrke meget stor, og redundansen er relativt lille. De psykofysiologiske karakteristika ved menneskelig hørelse bruges også her. Den tager højde for, hvilke harmoniske af naturlig lyd vores hørelse er mere modtagelig for, og hvilke mindre følsomme. Svagt opfattede harmoniske filtreres fra gennem matematisk behandling. Kompression lettes også ved at tage højde for det ikke-lineære forhold mellem amplituden af ​​lydvibrationer og vores øres opfattelse af lydstyrken.

Forskellige billed- og lydkomprimeringsalgoritmer bruges til at implementere forskellige formater til præsentation af grafik, video og lyd. Dette vil blive diskuteret mere detaljeret i afsnittet om informationsteknologi.

Emballage uden tab af information. Der er to tilgange til at løse problemet med at komprimere information uden at miste den. Den første tilgang er baseret på brugen af ​​en ujævn symbolsk kode. Den anden tilgang er baseret på ideen om at identificere duplikerede kodefragmenter.

Lad os overveje, hvordan man implementerer den første tilgang. I en otte-bit tegnkodningstabel (såsom KOI-8) er hvert tegn kodet i otte bit og optager derfor 1 byte i hukommelsen. I afsnit 1.2.3 i vores lærebog blev det sagt, at hyppigheden af ​​forekomst af forskellige bogstaver (tegn) i teksten er forskellig. Det blev også vist der, at informationsvægten af ​​symboler er større, jo lavere forekomstfrekvensen er. Ideen om at komprimere tekst til computerens hukommelse: Undgå at kode alle tegn med samme længdekoder. Symboler med mindre informationsvægt, dvs. hyppigt forekommende tegn skal kodes med en kortere kode sammenlignet med sjældnere forekommende tegn. Med denne tilgang kan du reducere mængden af ​​samlet tekstkode betydeligt og dermed den plads, den optager i computerens hukommelse.

Vi har allerede set på morsekoden, som bruger princippet ujævn kode. Hvis en prik er kodet med et nul og en bindestreg med et et, så vil det være en binær kode. Sandt nok er der et problem med at adskille bogstaver fra hinanden. I en telegrafmeddelelse løses det ved hjælp af en pause - faktisk det tredje tegn i morsekode.

En af de enkleste, men meget effektive måder at konstruere en binær uensartet kode, der ikke kræver en speciel afgrænsning, er D. A. Huffman-algoritmen (D. A. Huffman, 1952). En variant af Huffman-kodetabellen anvendt til store bogstaver Det latinske alfabet er angivet i tabellen. 5.

I denne tabel er bogstaverne arrangeret i faldende rækkefølge efter gentagelsesfrekvens i teksten. Bogstaverne E og T, de hyppigst brugte i tekster, har koder på 3 bit i størrelse. Og de sjældneste bogstaver Q og Z er 10 bit. Hvordan større størrelse af tekst, der er kodet med en sådan kode, jo mindre er informationsvolumen sammenlignet med mængden, når du bruger en enkeltbyte-kodning.

Et særligt træk ved denne kode er dens såkaldte præfiks struktur. Det betyder, at koden for et hvilket som helst tegn ikke falder sammen med begyndelsen af ​​koden for alle andre tegn. For eksempel er koden for bogstavet E 100. Se på tabellen. 5. Der er ingen anden kode, der starter med disse tre tegn. Baseret på denne funktion er tegn adskilt fra hinanden algoritmisk.

Eksempel 1. Brug Huffman-kode til at indkode følgende tekst, der består af 29 tegn:

WENEEDMERSNOWFORBETTERSKIING

Brug af bord 5, indkod linjen:

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

Efter at have placeret denne kode i hukommelsen, byte for byte, vil den have formen:

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

I hexadecimal form vil det blive skrevet sådan:

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

Således vil tekst, der fylder 29 bytes i ASCII-kodning, tage 16 bytes i Huffman-kodning. Kompressionsforholdet er forholdet mellem kodestørrelsen i bytes efter komprimering og størrelsen før komprimering (dvs. i 8-bit-kodning). I i dette eksempel Kompressionsforholdet viste sig at være 16/29 0,55.

Afkodning (udpakning) af teksten sker vha binært træ Huffman-kodning. Grafisk billede Huffman træ svarende til tabellen. 5, vist i fig. 18. Et træ kaldes binært, hvis der ikke kommer mere end to grene ud af hvert toppunkt.

Bladene på dette træ, der er placeret i enderne af grenene, er symboler på alfabetet. Symbolkoden er dannet af en sekvens af binære cifre placeret på stien fra træets rod til bladsymbolet.

Udpakning af teksten sker ved at scanne den binære kode fra venstre mod højre, begyndende fra det første ciffer, og bevæge sig fra roden langs de tilsvarende (med samme binære kode) grene af træet, indtil et bogstav er nået. Efter at have valgt et bogstav i koden, begynder processen med at afkode det næste bogstav igen fra roden af ​​det binære træ.

Eksempel 2. Afkod følgende binære kode opnået ved hjælp af Huffman-algoritmen (koden er opdelt i bytes med mellemrum):

01010001 00100101 00100011 11111100

Bevæger vi os langs Huffman-træet, startende fra det første ciffer til venstre, får vi følgende afkodning:

Resultatet er ordet HUFFMAN. Den pakkede kode tog 4 bytes, kilde -
7 bytes. Derfor var kompressionsforholdet 4/7 0,57.

træ på ris. 18 repræsenterer en forkortet version af Huffman-koden. Det skal fuldt ud tage højde for alle mulige tegn, der findes i teksten: mellemrum, tegnsætningstegn, parenteser osv.

I programmer, der komprimerer tekst, bygges en tabel med symbolfrekvens for hver behandlet tekst, og derefter genereres koder af forskellig længde, såsom Huffman-koder. I dette tilfælde bliver tekstkomprimering endnu mere effektiv, da kodningen er tilpasset specifikt til den givne tekst. I programmeringsteori kaldes algoritmer, der finder den optimale løsning for hver specifik variant af et problem, grådige algoritmer.

Til metoder kompression ved at tage højde for antallet af gentagelser kodefragmenter omfatter RLE-algoritmen og Lempel-Ziv-algoritmerne. RLE-algoritmen identificerer grupper af på hinanden følgende identiske enkeltbyte-koder. Hver sådan gruppe erstattes af to bytes: den første angiver antallet af gentagelser (ikke mere end 127), den anden angiver den gentagne byte. På grund af sin enkelhed virker denne algoritme ret hurtigt. Det er mest effektivt, når det er komprimeret grafisk information, der indeholder store områder med ensartet skygge.

Lempel-Ziv-algoritmerne (LZ77, LZ78) registrerer gentagne sekvenser af bytes. De kan betinget kaldes ord. Hvis der under sekventiel visning af dataene opdages et ord, som allerede er stødt på før, dannes der en reference til det i form af en forskydning tilbage i forhold til den aktuelle position og længden af ​​ordet i bytes. Softwareimplementering af sådanne algoritmer er mere kompliceret end for RLE-metoden. Men kompressionseffekten er meget højere.

Vi vender tilbage til informationskodningsmetoder senere, når vi overvejer teknikker til beskyttelse af data gennem kryptering.

Spørgsmål og opgaver

1. I hvilke tilfælde kan delvist tab af information tillades under datakomprimering, og i hvilke tilfælde bør det ikke tillades?

2. Hvordan giver variabel længde koder dig mulighed for at "komprimere" tekst?

3. Indkod følgende tekst ved hjælp af Huffman-koder:

GODT NYTÅR. Beregn kompressionsforholdet.

4. Dekrypter følgende kode ved hjælp af Huffman binært træ:

11110111 10111100 00011100 00101100 10010011

01110100 11001111 11101101 001100

5. Hvad er ideen bag RLE-komprimeringsalgoritmen? Hvilken type information komprimeres bedst af denne algoritme?

6. Hvad er ideen med Lempel-Ziv-komprimeringsalgoritmen?

7. Hvilke egenskaber ved menneskelig syn og hørelse bruges til at komprimere grafisk og lydinformation?

For mere information om kompressionsalgoritmer, se: Andreeva E.V., Bosova L.L., Falina I.N. Matematisk grundlag for datalogi. M.: BINOM. Videnlaboratoriet, 2007.

Forelæsning 4. Netværkskommunikationsmetoder.

Netværkskommunikationsmetoder

Signaler

Som nævnt før er der mange måder fysisk skabelse og signaltransmission, elektriske impulser kan rejse gennem kobbertråd, lysimpulser kan rejse gennem glas- eller plastfiber, radiosignaler kan rejse gennem luften, og laserimpulser kan også bevæge sig i det infrarøde eller synlige område. Konvertering af de enere og nuller, der repræsenterer data i en computer til energiimpulser kaldet kodning (modulation).

I lighed med klassificeringen af ​​computernetværk kan signaler klassificeres baseret på deres forskellige egenskaber. Signalerne er som følger:

analog og digital,

moduleret og moduleret,

synkron og asynkron,

simplex, halv duplex, fuld duplex og multiplex

Analoge og digitale signaler

Afhængigt af den elektriske spændings form (som kan ses på oscilloskopets skærm) opdeles signaler i analoge og digitale. Du kender højst sandsynligt allerede disse begreber, da de ret ofte findes i dokumentationen til forskelligt elektronisk udstyr , såsom båndoptagere, fjernsyn, telefoner mv.

På en måde repræsenterer analogt udstyr den udgående æra af elektronisk teknologi, og digitalt udstyr repræsenterer den nyeste æra, der erstatter det. Det skal dog huskes, at en type signal ikke kan være bedre end en anden. Hver af dem har sine egne fordele og ulemper, såvel som sine egne anvendelsesområder. Selvom digitale signaler i stigende grad bruges, vil de aldrig erstatte analoge signaler.

Analoge signalparametre

Analoge signaler ændrer sig jævnt og kontinuerligt over tid, så de kan repræsenteres grafisk som en jævn kurve (fig. 4.1).

I naturen er langt de fleste processer grundlæggende analoge. For eksempel er lyd en ændring i lufttrykket, der kan omdannes til elektrisk spænding ved hjælp af en mikrofon. Ved at påføre denne spænding på oscilloskopets indgang kan du se en graf, der ligner den, der er vist i fig. 4.1, dvs. Du kan se, hvordan lufttrykket ændrer sig over tid.

For at visualisere analog information mere tydeligt, tænk på det traditionelle speedometer i en bil. Når bilens hastighed øges, bevæger nålen sig jævnt langs skalaen fra et nummer til et andet. Et andet eksempel er tuning til en station i en radiomodtager: Når du drejer knappen, ændres den modtagne frekvens jævnt.

De fleste analoge signaler er cykliske eller periodiske, såsom radiobølger, som er højfrekvente svingninger af et elektromagnetisk felt. Sådanne cykliske analoge signaler er sædvanligvis karakteriseret ved tre parametre.

Amplitude. Den maksimale eller minimale værdi af signalet, dvs. bølgehøjde.

Frekvens. Antallet af cykliske signalændringer pr. sekund. Frekvensen måles i hertz (Hz); 1 Hz er en cyklus i sekundet.

Fase. Positionen af ​​en bølge i forhold til en anden bølge eller i forhold til et tidspunkt, der tjener som referencepunkt. Fasen måles normalt i grader, og man mener, at en fuld cyklus er lig med 360 grader.

Digitale signalparametre

Et andet navn for digitale signaler er diskrete Begrebet diskrete tilstande bruges ret ofte Digitale signaler skifter fra en diskret tilstand til en anden næsten øjeblikkeligt, uden at stoppe i mellemtilstande (fig. 4.2).

Et eksempel på et digitalt signal ville være det nyeste digitale speedometer i en bil (sammenlign med eksemplet på et analogt speedometer i det foregående afsnit). Når køretøjets hastighed stiger, skifter tallene, der angiver hastighedsværdien i kilometer i timen, med mellemrum, og signalværdien er grundlæggende diskret: for eksempel er der ingen mellemværdier mellem de diskrete tilstande "125 km/t" og "126 km/t”. Et andet eksempel på digital information er den seneste radio, hvor brugeren indtaster et nøjagtigt tal svarende til radiostationens frekvens for at stille ind på en bestemt station.

Sammenligning af analoge og digitale signaler

Computere er digitale maskiner. De oplysninger, de behandler, er repræsenteret af nuller og ettaller. Et binært ciffer er enten 0 eller 1, med intet mellem eller ud over dem. På grund af denne klarhed er digitale signaler meget nyttige til at repræsentere og overføre computerdata, hvorfor de bruges i langt de fleste netværk.

På grund af teknologiens enkelhed har digitale signaler en række fordele:

Digitalt udstyr er generelt billigere end analogt udstyr.

Digitale signaler er mindre modtagelige for interferens.

Analoge signaler har dog også nogle fordele:

De er nemme at multiplekse, dvs. sende et stort antal signaler over én kanal.

De er mindre modtagelige for dæmpning (svækkelsen af ​​signalet med stigende afstand), så med den samme kraft fra sendeenheden kan de transmitteres over en større afstand.

Generelt er både analoge og digitale signaler nyttige. Men i computernetværk giver digitale signaler mulighed for større niveauer af sikkerhed, gennemløb og pålidelighed. Derudover er digitale linjer meget mindre fejltilbøjelige end analoge linjer.

Lokale netværk er næsten altid baseret på transmission af digitale signaler via kabel. Analoge signaler bruges i nogle wide area-netværk.

Modulerede og umodulerede signaler

Et vigtigt kendetegn ved transmissionsmetoden er kanalkapaciteten, som er direkte relateret til signalmodulation. Et digitalt signal kaldes umoduleret, hvis overgange fra en diskret tilstand til en anden repræsenterer spændingsstigninger i et kabel eller et andet medium. Samtidig er overgangen mellem diskrete tilstande i et moduleret signal en ændring i amplituden af ​​det såkaldte bæresignal, som er højfrekvente spændingsudsving.

Det umodulerede signal optager hele kommunikationskanalen. Udover det kan intet andet transmitteres over kommunikationskanalen. Et eksempel på umodulerede signaler er signalerne i et Ethernet-kabel.

Hvis der anvendes modulering, kan flere digitale signaler ved forskellige bærefrekvenser transmitteres over én kanal. Derudover kan ikke kun digitale, men også analoge signaler transmitteres ved forskellige bærefrekvenser. Et eksempel kunne være et kabel-tv-system, hvor et kabel betjener snesevis af tv-kanaler, som hver har forskellige transmissioner.

Umodulerede signaler

Umodulerede signaler er ret enkle: Der sendes kun ét signal langs kablet ad gangen. Et umoduleret signal er oftest et digitalt signal, selvom det også kan være analogt.

Computer- og kommunikationsteknologi bruger primært umodulerede digitale signaler. For eksempel udveksler en computer modulerede digitale signaler med skærme, printere, tastaturer osv. Et eksempel på brugen af ​​modulerede digitale signaler er ISDN-systemet (Integrated Services Digital Network), hvor mange signaler transmitteres på separate kanaler over et enkelt kabel. Umodulerede signaler kan transmitteres i to retninger, dvs. I hver ende af kablet kan du installere både en sender og en modtager, der fungerer samtidigt.

Modulerede signaler

Ved hjælp af modulerede signaler er det muligt at organisere flere kommunikationskanaler over et kabel, og hver kommunikationskanal kan fungere på sin egen bærefrekvens uden at forstyrre andre kanaler.

Modulerede signaler er ensrettede. Det betyder, at signalet kun transmitteres i én retning: en sender er installeret i den ene ende af kablet, og en modtager er installeret i den anden. Men flere kanaler i forskellige retninger kan fungere samtidigt på et kabel.

Ud over kabel-tv anvendes modulerede signaler i DSL-systemet (Digital Subscriber Line), hvor data og tale transmitteres samtidigt over samme linje, eventuelt via satellit- eller radiobølger.

Multiplexing metoder bruges til at placere flere kommunikationskanaler på en linje.

Multiplexing

Multipleksing er den samtidige transmission af mange signaler over en linje. På modtagesiden gendannes de multipleksede signaler, dvs. er adskilt fra hinanden. Lad os gå tilbage til kabel-tv-eksemplet. TV'et har en indbygget signaldekoder, der vælger én kanal og kasserer resten. Takket være dette kan seeren vælge det ønskede program.

Mange litteraturkilder taler kun om multipleksingsmetoder i forhold til analoge signaler, men digitale signaler kan også multiplekses. Følgende grundlæggende multipleksingsmetoder bruges:

frekvensdelingsmetode (FDM);

tidsdeling af kanaler (Time Division Method - TDM);

ved højdensitetsbølgelængde (Dense Wavelength Division Multiplexing - DWDM).

Frekvensopdeling

Med frekvensadskillelse af kanaler, der optager samme linje, fungerer hver kanal på sin egen frekvens (fig. 4.3). Analoge signaler multiplekses typisk ved hjælp af denne metode. For at muliggøre tovejskommunikation med frekvensdeling er det nødvendigt at installere både en multiplekser og en demultiplekser på hver side.

Tidsopdeling af kanaler

Typisk bruges denne metode til at multiplekse digitale signaler. Med tidsinddeling tildeles hver kanal sine egne tidsintervaller. I den modtagende ende er signalerne fra forskellige kanaler adskilt af en demultiplekser (fig. 4.4).

Højdensitetsbølgelængdemultipleksing

Denne multipleksingsmetode bruges til at transmittere signaler over fiberoptiske kabler. Hver kanals signaler transmitteres af en lysstråle med sin egen bølgelængde. Fysisk falder denne metode sammen med frekvensdeling af kanaler, da bølgelængden af ​​en lysstråle er unikt relateret til dens frekvens. Forskellene i hardwareimplementeringer af disse metoder er dog så store, at de stadig betragtes som separate metoder. Som vist i fig. 4.5 kan forskellige data transmitteres samtidigt over en optisk fiber ved hjælp af forskellige metoder (f.eks. SONET og ATM).

Asynkron og synkron transmission

Dataene indlejret i et digitalt signal er faktisk repræsenteret af ændringer i diskrete signaltilstande. Vi kan genoprette vores oprindelige nuller og etaller ved at måle spændingen med et voltmeter på bestemte tidspunkter. Du skal dog vide præcist på hvilke tidspunkter målingerne skal foretages. Synkronisering, dvs. Tidskoordinering i kommunikationsteknologier er ikke mindre vigtig end på alle andre områder af vores liv.

I netværksteknologier kaldes en sådan tidskoordinering bitsynkronisering. Elektroniske enheder synkroniserer individuelle bits ved hjælp af asynkrone eller synkrone metoder.

Asynkron overførsel

Denne metode bruger en startbit placeret i begyndelsen af ​​hver besked til synkronisering. Når startbitten når den modtagende enhed, synkroniserer den i det øjeblik sit interne ur med uret på den afsendende enhed.

Synkron transmission

Ved synkron transmission koordineres de interne ure i sende- og modtageenhederne af indbyggede mekanismer. For eksempel kan tidsinformation være indlejret i datasignaler. Denne metode kaldes synkronisering med garanterede tilstandsændringer. Blandt synkrone metoder er dette den mest almindelige.

En anden synkron metode er synkronisering ved hjælp af et separat tidssignal, hvor tidsinformation transmitteres mellem sender og modtager på en separat kanal. En anden synkron metode er gating. I dette tilfælde udføres synkronisering ved hjælp af specielle strobeimpulser.

Simplex, halv-duplex og fuld-duplex transmissionsmetoder

Kanalerne, hvorigennem datasignaler transmitteres, kan fungere i en af ​​tre tilstande: simplex, halv-dupleks og fuld-dupleks. Disse metoder adskiller sig i de retninger, signalerne transmitteres i.

Simplex transmission

Som navnet antyder, er dette den enkleste overførselsmetode. Det kaldes nogle gange ensrettet, fordi signaler kun bevæger sig i én retning, ligesom biler på en ensrettet gade (Figur 4.6).

Et eksempel på simplekskommunikation er fjernsyn. Data (tv-programmer) overføres til tv'et. Der sendes ingen signaler fra TV'et tilbage til studiet eller kabelselskabet. TV'et indeholder derfor kun en signalmodtager, men ikke en sender.

I øjeblikket bliver interaktive tv-systemer stadig mere udbredte, hvilket gør det muligt at transmittere signaler ikke kun fra studiet til tv'et, men også i den modsatte retning. De fleste kabelselskaber understøtter dog stadig kun simplex transmission. Dette skabte et alvorligt problem med fremkomsten af ​​internettet. Det eksisterende kabelsystem var kun i stand til at overføre data i én retning, til brugeren.

Denne fejl gør det for eksempel umuligt for en bruger at få adgang til websider, fordi brugerens browser skal sende sin anmodning til webstedet. Kabelselskaber tilbyder to måder at løse dette problem på:

sende brugeranmodninger (som altid er meget kortere end websider) over telefonlinjer, og websider - via tv-kabler;

installere nyt kabeludstyr med to-vejs transmission.

De fleste virksomheder brugte den første metode som et midlertidigt alternativ til den anden, mere avancerede. Hvis du forlader kabeltransmissionssystemet simplex, skal brugeren kun afholde omkostningerne ved at købe kabel- og telefonmodem (med sidstnævntes gennemløb på højst 56 Kbps.) I dette tilfælde skal højhastighedskablets ressourcer kanal vil blive brugt fuldt ud.

Mange kabelselskaber opgraderer hurtigt deres udstyr til at understøtte tovejskommunikation, mens andre stadig kun leverer envejs internetdata over tv-kabel. I disse områder er kunderne tvunget til at bruge både kabel- og analogmodem tilsluttet telefonlinjen.

Halv duplex transmission

Sammenlignet med simplex er fordelene ved halv-dupleks transmission åbenlyse: signaler kan transmitteres i begge retninger. Desværre er denne vej dog ikke bred nok til, at signaler kan passere i begge retninger på samme tid. I halv-dupleks-metoden transmitteres signaler kun i én retning på et givet tidspunkt (fig. 4.7).

Halv-dupleksmetoden bruges i mange radiokommunikationssystemer, såsom kommunikation med politibiler. I disse systemer kan du tale, mens du trykker på mikrofonknappen, men du kan ikke høre noget. Hvis brugere trykker på mikrofonknapperne i begge ender på samme tid, vil ingen af ​​dem høre noget.

Duplex transmission

Driften af ​​et duplekskommunikationssystem ligner en tovejsgade: biler kan bevæge sig i begge retninger på samme tid (figur 4.8).

Et eksempel på duplex kommunikation er det sædvanlige telefonsamtale. Begge abonnenter kan tale på samme tid, og hver af dem hører, hvad den anden siger i den anden ende af linjen (selvom det ikke altid er muligt at se, hvad der blev sagt).

Problemer under signaltransmission

De signaler, som computere kommunikerer igennem, er underlagt forskellige interferenser og begrænsninger. Forskellige kabeltyper og transmissionsmetoder har forskellig modtagelighed for interferens.

Elektromagnetisk interferens

Elektromagnetisk interferens er indtrængen af ​​et fremmed elektromagnetisk signal, der forstyrrer formen af ​​det ønskede signal. Når ekstern støj tilføjes til det ønskede signal, kan den modtagende computer ikke fortolke signalet korrekt.

Forestil dig, at du kører i en bil ved siden af ​​en kraftfuld industriinstallation og lytter til radio på samme tid. Et klart og læseligt signal er pludselig dækket af støj og knitren. Dette sker, fordi radiostationens signal suppleres med stærke signaler, der genereres af en installation, der er placeret tættere på end radiostationen. Dette er grunden til, at elektromagnetisk interferens undertiden kaldes støj.

Ganske ofte kommer interferens fra en ukendt kilde. Der er mange enheder, hvor elektriske signaler ikke udfører informationsfunktioner, men er et biprodukt af forskellige produktionsprocesser. Den interferens, de skaber, kan spredes over afstande på op til flere kilometer.

Elektromagnetisk interferens forårsager ikke kun problemer ir. I byer er der mange enheder, der sender og modtager elektromagnetiske signaler: mobiltelefoner, radiokommunikation, tv-sendere og -modtagere. Elektromagnetisk interferens kan forårsage mange problemer, såsom dårlige tv-billeder, flyulykker på grund af kommunikationsfejl med afsenderen, en patients død på grund af funktionsfejl i medicinsk udstyr osv. Der er også langsigtede bivirkninger af elektromagnetisk stråling, for eksempel kan kræft eller leukæmi være forårsaget af længere tids eksponering for kraftfuld kilde elektromagnetiske felter.

Inden for kommunikationsteknologi er uafskærmede kobberledninger særligt følsomme over for elektromagnetisk interferens. Den ydre metalkappe af koaksialkabler beskytter dem i høj grad mod interferens. Den samme funktion udføres af metalskallen på det skærmede snoede par. Uskærmet parsnoet kabel er ret modtageligt for interferens. Fiberoptiske kabler er fuldstændig ufølsomme over for elektromagnetisk interferens, fordi signalerne i dem ikke er elektriske impulser, men en lysstråle. Derfor fungerer fiberoptiske kommunikationskanaler bedst under forhold med stærk elektromagnetisk interferens.

Radiofrekvensinterferens

Radiofrekvensinterferens er forårsaget af signaler fra radiosendere og andre enheder, der genererer signaler ved radiofrekvenser. Disse omfatter også computerprocessorer og skærme. Radiofrekvens anses for at være elektromagnetisk stråling ved frekvenser fra 10 KHz til 100 GHz. Stråling ved frekvenser fra 2 til 10 GHz kaldes også mikrobølgestråling.

Påvirkningen af ​​radiofrekvensinterferens elimineres ved hjælp af støjfiltre, der bruges i forskellige typer netværk.

Krydstale

Denne type interferens omfatter signaler fra ledninger placeret i en afstand af flere millimeter fra hinanden. Elektrisk strøm, der strømmer gennem en ledning, skaber et elektromagnetisk felt, som genererer signaler i en anden ledning i nærheden. Ganske ofte, når du taler i telefon, kan du høre andres dæmpede samtaler. Årsagen til dette er krydstale.

Crosstalk reduceres kraftigt ved at sno de to ledninger sammen, som man gør med parsnoede kabler. Jo flere drejninger der er pr. længdeenhed, jo mindre påvirkning af interferens. Brugen af ​​fiberoptisk kabel eliminerer fuldstændigt dette problem. Du kan placere så mange optiske fibre, som du vil inde i en skal, og de vil ikke forstyrre hinanden, fordi signalerne i dem ikke er elektriske impulser, men lysstråler.

Signaldæmpning

Når elektriske signaler passerer gennem kablet, bliver de svagere. Jo større afstanden er til kilden, jo svagere er signalet. Det er ikke svært at forestille sig dette ved at forestille sig, at du forsøger at sige noget til en person, der er et stykke væk fra dig. Hvis han er 5 meter væk, så vil han høre din stemme (signal) tydeligt og højt, men hvis han er 50 meter væk, vil han have svært ved at forstå, hvad du råber til ham om. Denne svækkelse af signalet med afstand kaldes signaldæmpning.

Dæmpning er grunden til, at forskellige netværksarkitekturspecifikationer angiver en grænse for kabellængde. Hvis denne begrænsning overholdes, vil dæmpningseffekten ikke påvirke den normale drift af kommunikationskanalen.

Efterhånden som frekvensen stiger, stiger dæmpningen, fordi jo højere frekvensen af ​​signalet er, jo mere intens er spredningen af ​​dets elektromagnetiske energi til det omgivende rum. Når frekvensen stiger, bliver selve ledningen fra en signalbærer til en antenne, hvorved dens energi spredes ud i rummet.

Signaler i et fiberoptisk kabel er også udsat for dæmpning. De to hovedårsager er absorption af lysstrålen af ​​urenheder i glasset og spredning af strålen på grund af små ændringer i den optiske tæthed af glasset, der dannes under fremstillingen. Fiberoptiske kabler kan dog transmittere et signal over en meget større afstand end kobberkabler uden at reducere dens effekt til uacceptable niveauer.

Båndbredde

Kommunikationsbåndbredde måles normalt i megabit per sekund (Mbps). Båndbredden påvirkes af signalets rækkevidde, typen af ​​medie og den afstand, som signalet transmitteres over.

Begreberne høj og lav gennemstrømning er meget relative. For eksempel virker lOBaseT Ethernet-gennemstrømningen på 10 Mbps meget høj sammenlignet med gennemstrømningen af ​​et telefonmodem (50 Kbps), mens den samtidig virker trist lav sammenlignet med Gigabit Ethernet (1 Gbps) eller højhastigheds-wide area-netværk forbindelser som SONET og ATM.

Et vigtigt kriterium ved valg af kabeltype og netværksarkitektur er den nødvendige (både nu og i fremtiden) båndbredde.

Planlægning af netværksvækst

På netværksplanlægningsstadiet er det nødvendigt at huske, at båndbredde er en ressource, der altid er utilstrækkelig. Indkøb af udstyr med højere gennemløb, end der aktuelt er behov for er god investering kapital: yderligere omkostninger vil helt sikkert betale sig.

Computer og kommunikationsteknologier udvikler sig i hastigt tempo. I 1980'erne havde typiske WAN-links en kapacitet på 10 Kbps, og lokale netværk havde en kapacitet på 2,5 Mbps. Dengang var der ingen, der forestillede sig, at det en dag ville være nødvendigt at transmittere noget med en hastighed på over 100 Mbit/s. Det gjorde jo teknologier som videokonferencer, stemmetransmission eller overførsel af store filer, der nu er udbredt. eksisterer endnu ikke.

At lægge et kabel med øget båndbredde er meget nemmere og billigere end at udskifte kablet med et nyt Lad os sige, at du installerer et 10BaseT netværk, hvortil et Kategori 3 kabel med en båndbredde på 10 Mbit/s er tilstrækkeligt. Ved at købe et Kategori 3-kabel i stedet for et Kategori 5-kabel sparer du nogle få dollars. Men om nogle år, når du skal opgradere dit netværk til 100 Mbps (og det vil næsten helt sikkert ske), bliver du nødt til at udskifte alle kabler. Dette vil koste betydeligt mere, end hvis du købte og installerede Kategori 5-kabel direkte.

Netværksadgangsmetoder

Der er flere forskellige adgangsmetoder, der passer til forskellige netværksarkitekturer og topologier. De mest udbredte metoder er:

passerer markøren (relæadgang);

anmode om prioriteringer.

CSMA/CD metode

I øjeblikket er den mest almindelige metode til LAN-adgangskontrol CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection). Populariteten af ​​CSMA/CD-metoden skyldes i høj grad, at den bruges i den i øjeblikket mest almindelige Ethernet-arkitektur.

Dette er en meget hurtig og effektiv metode til at give adgang til et Ethernet-kabel. For at forstå, hvordan det virker, lad os se på fragmenterne af dets navn separat.

Mediekontrol. Når en computer skal til at overføre data til et netværk ved hjælp af CSMA/CD-metoden, skal den først kontrollere, om en anden computer transmitterer sine data over det samme kabel på samme tid. Med andre ord, tjek mediets status: om det er optaget af at overføre andre data.

Multiple adgang. Det betyder, at flere computere kan begynde at overføre data til netværket på samme tid.

Opdagelse af konflikter. Det her hovedopgaven CSMA/CD metode. Når computeren er klar til at sende, kontrollerer den mediets status. Hvis kablet er optaget, sender computeren ikke signaler. Hvis computeren ikke hører andres signaler i kablet, begynder den at sende. Det kan dog ske, at to computere lytter til kablet og, uden at de registrerer signaler, begynder at sende begge samtidigt. Dette fænomen kaldes signalkollision.

Når signaler er i konflikt i et netværkskabel, ødelægges datapakker. Alt er dog ikke tabt. I CSMA/CD-metoden venter computere i en tilfældig periode og sender derefter de samme signaler igen. Hvorfor skal tidsperioden være tilfældig? Hvis begge computere venter et bestemt fast antal millisekunder, kan deres ventetider falde sammen, og alt vil gentage sig igen. Den computer, der er den første til at gentage transmissionen af ​​pakken (som tilfældigt har en kortere tidsperiode) "vinder" adgang til netværket i et spil roulette.

Sandsynligheden for konflikter er lav, da de kun opstår, hvis begyndelsen af ​​pakkerne matcher, dvs. meget korte perioder. Fordi signaler transmitteres ved høje hastigheder (10 eller 100 Mbps i Ethernet), forbliver ydeevnen høj.

Implementeringen af ​​CSMA/CD-metoden er defineret af IEEE 802.3-specifikationerne.

CSMA/CA metode

Navnet på metoden står for Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance.

CSMA/CA er en mere "tillidsløs" metode. Hvis computeren ikke finder andre signaler i kablet, konkluderer den ikke, at stien er fri, og du kan sende dine dyrebare data. I stedet sender computeren først en anmodning om at sende signal - RTS (Request to Send). Ved at gøre dette meddeler han andre computere, at han har til hensigt at begynde at overføre data. Hvis en anden computer gør det samme på samme tid, vil der være en konflikt mellem signaler, ikke datapakker. På denne måde kan datapakker aldrig kollidere. Dette kaldes konfliktforebyggelse.

Ved første øjekast er konfliktforebyggelsesmetoden meget mere avanceret end konfliktdetekteringsmetoden. Dens ydeevne er dog lavere på grund af det faktum, at det ud over dataene er nødvendigt at sende KTS-signaler, hvoraf langt de fleste er unødvendige. Faktisk fordobles antallet af signaler, der ankommer på kablet, næsten.

CSMA/CA-metoden bruges i AppleTalk-netværk.

Sender et token

Findes der en adgangsmetode, der virker uden signalkollisioner overhovedet? Sådan en metode findes: det er en token-passer metode.

Token-overførselsmetoden er ikke-konkurrerende. I denne metode kan to computere ikke begynde at sende et signal på samme tid. Metoden fungerer som et seminar, hvor en deltager ikke kan begynde at tale, før han får ordet. Ligeledes sender en computer på et token-passer-netværk ikke, før tokenet overføres til det.

Signaler er informationskoder, som folk bruger til at formidle budskaber i et informationssystem. Signalet kan gives, men det er ikke nødvendigt at modtage det. Hvorimod en besked kun kan betragtes som et signal (eller et sæt signaler), der blev modtaget og afkodet af modtageren (analogt og digitalt signal).

En af de første metoder til at overføre information uden deltagelse af mennesker eller andre levende væsener var signalbrande. Da der opstod fare, blev der tændt ild i rækkefølge fra en post til en anden. Dernæst vil vi overveje metoden til at overføre information ved hjælp af elektromagnetiske signaler og vil dvæle i detaljer om emnet analogt og digitalt signal.

Ethvert signal kan repræsenteres som en funktion, der beskriver ændringer i dets karakteristika. Denne repræsentation er praktisk til at studere radiotekniske enheder og systemer. Ud over signalet i radioteknik er der også støj, som er dets alternativ. Støj bærer ikke nyttig information og forvrænger signalet ved at interagere med det.

Konceptet i sig selv gør det muligt at abstrahere fra specifikke fysiske størrelser, når man betragter fænomener relateret til indkodning og afkodning af information. Matematisk model signal i forskning giver dig mulighed for at stole på parametrene for tidsfunktionen.

Signaltyper

Signaler af fysiske miljø Informationsbærere er opdelt i elektriske, optiske, akustiske og elektromagnetiske.

Ifølge indstillingsmetoden kan signalet være regelmæssigt eller uregelmæssigt. Et regulært signal er repræsenteret som en deterministisk funktion af tiden. Et uregelmæssigt signal i radioteknik er repræsenteret af en kaotisk funktion af tid og analyseres ved hjælp af en sandsynlighedstilgang.

Signaler, afhængigt af den funktion, der beskriver deres parametre, kan være analoge eller diskrete. Et diskret signal, der er blevet kvantiseret, kaldes et digitalt signal.

Signalbehandling

Analoge og digitale signaler behandles og dirigeres til at sende og modtage information indkodet i signalet. Når oplysningerne er udtrukket, kan de bruges til forskellige formål. I særlige tilfælde formateres oplysninger.

Analoge signaler forstærkes, filtreres, moduleres og demoduleres. Digitale data kan også være genstand for komprimering, detektion mv.

Analogt signal

Vores sanser opfatter al information, der kommer ind i dem i analog form. Hvis vi for eksempel ser en bil køre forbi, ser vi dens bevægelse kontinuerligt. Hvis vores hjerne kunne modtage information om sin position en gang hvert 10. sekund, ville folk konstant blive kørt over. Men vi kan estimere afstanden meget hurtigere, og denne afstand er klart defineret på hvert tidspunkt.

Absolut det samme sker med anden information, vi kan vurdere volumen til enhver tid, mærke det pres, vores fingre udøver på genstande osv. Det har med andre ord næsten al information, der kan opstå i naturen analog visning. Den nemmeste måde at transmittere sådan information på er gennem analoge signaler, som er kontinuerlige og definerede til enhver tid.

For at forstå, hvordan et analogt elektrisk signal ser ud, kan du forestille dig en graf, der viser amplitude på den lodrette akse og tid på den vandrette akse. Hvis vi for eksempel måler ændringen i temperatur, så vil en kontinuerlig linje vises på grafen, der viser dens værdi på hvert tidspunkt. For at sende et sådant signal ved hjælp af elektrisk strøm skal vi sammenligne temperaturværdien med spændingsværdien. Så for eksempel kan 35.342 grader Celsius kodes som en spænding på 3.5342 V.

Analoge signaler plejede at blive brugt i alle typer kommunikation. For at undgå interferens skal et sådant signal forstærkes. Jo højere støjniveauet, det vil sige interferens, jo mere skal signalet forstærkes, så det kan modtages uden forvrængning. Denne metode til signalbehandling bruger meget energi på at generere varme. I dette tilfælde kan det forstærkede signal i sig selv forårsage interferens for andre kommunikationskanaler.

I dag bruges analoge signaler stadig i fjernsyn og radio, til at konvertere inputsignalet til mikrofoner. Men generelt bliver denne type signaler erstattet eller erstattet af digitale signaler overalt.

Digitalt signal

Det digitale signal repræsenteres af sekvensen digitale værdier. De mest brugte signaler i dag er binære digitale signaler, da de bruges i binær elektronik og er nemmere at indkode.

I modsætning til den tidligere signaltype har et digitalt signal to værdier "1" og "0". Hvis vi husker vores eksempel med temperaturmåling, så vil signalet blive genereret anderledes. Hvis spændingen leveret af det analoge signal svarer til værdien af ​​den målte temperatur, så vil et vist antal spændingsimpulser blive leveret i det digitale signal for hver temperaturværdi. Selve spændingsimpulsen vil være lig med "1", og fraværet af spænding vil være "0". Det modtagende udstyr vil afkode impulserne og gendanne de originale data.

Efter at have forestillet os, hvordan et digitalt signal vil se ud på en graf, vil vi se, at overgangen fra nul til maksimum er brat. Det er denne funktion, der gør det muligt for det modtagende udstyr at "se" signalet tydeligere. Hvis der opstår interferens, er det lettere for modtageren at afkode signalet end ved analog transmission.

Det er dog umuligt at genoprette et digitalt signal med et meget højt støjniveau, mens det stadig er muligt at "udtrække" information fra en analog type med stor forvrængning. Dette skyldes klippeeffekten. Essensen af ​​effekten er, at digitale signaler kan transmitteres over bestemte afstande, og så bare stoppe. Denne effekt opstår overalt og løses ved blot at regenerere signalet. Hvor signalet bryder, skal du indsætte en repeater eller reducere længden af ​​kommunikationslinjen. Repeateren forstærker ikke signalet, men genkender dets oprindelige form og udsender det nøjagtig kopi og kan bruges som ønsket i kredsløbet. Sådanne signalgentagelsesmetoder bruges aktivt i netværksteknologier.

Analoge og digitale signaler adskiller sig blandt andet også i evnen til at kode og kryptere information. Dette er en af ​​årsagerne til overgangen mobil kommunikation til "cifre".

Analogt og digitalt signal og digital-til-analog konvertering

Vi skal tale lidt mere om, hvordan analog information transmitteres over digitale kommunikationskanaler. Lad os bruge eksempler igen. Som allerede nævnt er lyd et analogt signal.

Hvad sker der i mobiltelefoner, der transmitterer information via digitale kanaler

Lyden, der kommer ind i mikrofonen, er eksponeret analog-til-digital konvertering(ADC). Denne proces består af 3 trin. Individuelle signalværdier tages med lige store tidsintervaller, en proces kaldet sampling. Ifølge Kotelnikovs teorem om kanalkapacitet bør frekvensen af ​​at tage disse værdier være dobbelt så høj som den mest høj frekvens signal. Det vil sige, hvis vores kanal har en frekvensgrænse på 4 kHz, så vil samplingsfrekvensen være 8 kHz. Dernæst afrundes alle valgte signalværdier eller kvantiseres med andre ord. Jo flere niveauer der oprettes, jo højere er nøjagtigheden af ​​det rekonstruerede signal ved modtageren. Alle værdier konverteres derefter til binær kode, som sendes til basestationen og derefter når den anden part, som er modtageren. En digital-til-analog konvertering (DAC) procedure finder sted i modtagerens telefon. Dette er en omvendt procedure, hvis mål er at opnå et signal ved udgangen, der er så identisk som muligt med det originale. Dernæst kommer det analoge signal ud i form af lyd fra telefonens højttaler.

08.11.2016

Digitale teknologier ændrer vores vaner, det indre af vores lejligheder, vores livsstil og sproget i vores kommunikation. De vil transformere forretning og regering, underholdning og uddannelse, videnskab og medicin. De har markant ændret mennesket selv, især i socioøkonomiske og kulturelle aspekter. Hver tredje indbygger på vores planet har med sig mobiltelefon og på steder, hvor kommunikationen "ikke er særlig god", har vi brug for forstærkning af cellulær kommunikation og retningsbestemte antenner. Alle større antal Vi bruger timer "i det digitale rum" på internettet og bruger mindre og mindre tid til medier som tv og radio. Papirmedier bliver erstattet af elektroniske. Et stigende antal metropassagerer læser ikke traditionelle bøger, men elektroniske versioner downloadet fra internettet.

Digital teknologi, som vi kender den i dag, har radikalt ændret både vores forretning og vores personlige liv. Datalagring og -transmission er blevet mere effektiv. Internettet, især siden oprettelsen af ​​WWW, giver menneskeheden mulighed for at skabe og dele information og viden på globalt plan.

Digital, usynlig og allestedsnærværende

Det næste skridt i den digitale revolution vil være den allestedsnærværende af digital teknologi. Vores kameraer og MP3-afspillere, elektroniske notesbøger og mobiltelefoner minder i stigende grad om lommecomputere, og de tilegner sig mulighederne for videooptagelse, lydoptagelse og højhastighedsdataoverførsel.

Tekniske innovationer baseret på de mest forskellige teknologier, herunder radioidentifikation og radiosensorer, ændrer mønstre for menneskelig eksistens i vores digitale tidsalder. Informations- og kommunikationskapaciteter bliver usynlige og allestedsnærværende.

Teorien om fremtidens "omnipresence of computers" af Mark Weiser - tidligere chefforsker ved Xerox Palo Alto Research Center - siger, at de mest kraftfulde, avancerede og dybtgående teknologier er "dem, der forsvinder, væver sig ind i hverdagslivet indtil de opløses i hende." Ifølge denne udtalelse vil alle vores velkendte ting snart blive til miniaturecomputere. Og dette er ikke fiktion. Man skal blot være opmærksom på tendenserne i skiftende generationer af computere. De bliver ikke bare mindre. De bliver flere og flere og mere og mere uerstattelige. At løse mange problemer vil ikke længere kræve menneskelig indgriben, og teknologier, der var så mærkbare i går, vil forsvinde fra vores syn i morgen. Samtidig vil de mest hverdagslige ting overalt i vores miljø have evnen til at behandle information.

For to et halvt årti siden var computere, der betjener snesevis af mennesker, almindelige. Så kom den personlige computer, en maskine pr. person, og nu er vores samfund i overgangsfasen til allestedsnærværende computing, med flere digitale enheder, der betjener én person. Figur 2, taget fra Mark Weisers artikel "The 21st Century Computer", illustrerer fremkomsten af ​​æraen med udbredt computerisering. Det viser stadierne af vækst, mætning og tilbagegang for tre generationer af computere.

Nye vektorer for netværksudvikling

Den længe forudsagte digitale konvergens er ved at blive en realitet på mange områder af livet. I løbet af de sidste to årtier har telefonkommunikationen ændret sig til ukendelighed. Trådløs telefoni er blevet udbredt. Samtidig ophører telefonen med kun at være et middel til talekommunikation. Datatrafik i kommunikationsnetværk vokser meget hurtigere end taletrafik. Og mens mobiloperatører stræber efter at få det maksimale udbytte af talekommunikation, operatører af andre tjenester - Voice over Internet Protocol (VoIP) - forsøger at minimere denne fordel.

VoIP-teknologien skylder sin voksende popularitet til mange fordele, som tilsammen udgør en yderst attraktiv kommunikationsmetode for mange kategorier af brugere - fra husmødre til transkontinentale virksomheder. VoIP-opkald er ofte gratis eller i det mindste billigere end almindelig telefoni. Brugere kan ringe til modtageren fra hvor som helst med internetadgang og bruge en række forskellige yderligere tjenester, såsom viderestilling af opkald, videoopkald, konferenceopkald, fildeling osv.

VoIP-tjenester har eksisteret siden 90'erne. Deres udbredte udbredelse er dog blevet mærkbar relativt for nylig. Blandt de mest kendte tjenester rettet mod specifikke forbrugere er Skype.

Skype er en tjeneste, hvorigennem du kan bruge et særligt computerprogram til at foretage gratis opkald til andre Skype-abonnenter rundt om i verden. Hvis abonnenter har webkameraer, giver Skype dig mulighed for at organisere videokonferencer. Du kan også ringe til almindelige fastnettelefoner og mobiltelefoner til meget lave takster. Skype inkluderer funktionerne til instant messaging-systemer, samtidig med at du kan organisere chats med op til 100 personer på samme tid og gemme de modtagne oplysninger.

Skype startede sin drift i 2003 og blev et par år senere købt af eBay, verdens største netværksauktion. Tilføjelsen af ​​Skype til eBay fik flere andre store virksomheder til at begynde at eksperimentere med internettelefoni. Microsoft har således for nylig købt VoIP-virksomheden Teleo, Yahoo! købte firmaet DialPad, og Google startede give Taleservice. Telefonitjenesteudbydere viser også interesse for VoIP. British Telecom og Nokia tester smarte abonnentterminaler, der problemfrit skifter mellem mobil- og VoIP-netværk, så abonnenter slipper for at skulle købe to forskellige terminaler og betale regninger fra to operatører.

En ny type infrastruktur

Enheder, der udveksler data via radio, kan nemt tilsluttes et netværk: ingen grund til at grave render eller bygge kabelkanaler, ingen grund til at lægge kabler. Den moderne verden med sine multi-gigabyte streams kan dog ikke undvære en fast infrastruktur, så de faste netværk står heller ikke stille. Hovedretningen for udviklingen her er skabelsen af ​​optiske netværk i fuld skala, der er karakteriseret ved enorm gennemstrømning. I udviklede lande er backbone-netværk, der leverer langdistance- og international kommunikation, allerede fuldstændig optiske. Netværk, der forbinder boliger og industribygninger til backbone-netværket - de såkaldte access-netværk - bruger i dag stadig kobberkabler og DSL-teknologier. Men de vil uden tvivl blive erstattet af optiske linjer, der implementerer FTTH-konceptet (fiber-til-hjemmet). Nå, det sidste skridt - optiske linjer kommunikation inde i bygninger vil heller ikke tage lang tid at nå frem.

Den generelle konsensus blandt eksperter er, at i den udviklede verden vil optiske netværk danne den allestedsnærværende faste infrastruktur. Disse netværk vil blive suppleret af radionetværk, hvis rolle vil være treenig.

For det første: at sikre bekvem tilslutning af terminalenheder til infrastrukturen. I lighed med udtrykket "sidste mile", der er meget brugt i nutidens telekommunikationslitteratur, vil morgendagens radioadgangsnetværk være "sidste meter" netværk - afstanden fra lokale transceivere til optiske netværk.

For det andet: kommunikation til objekter i bevægelse. Denne rolle er ligesom den første en klassisk mobilrolle.

Den tredje rolle er forholdsvis ny. Den består af tilslutning af enheder uden brug af infrastruktur. Giver dette mening? Ja, det har den. For eksempel for alle steder og situationer, hvor infrastruktur simpelthen ikke eksisterer (for eksempel i udviklingslande) eller er utilgængelig eller beskadiget (for eksempel på grund af en ulykke). Derudover, hvis vi tror på teorien om computeres allestedsnærværende, så bliver vi en dag nødt til at forbinde mange billige enheder til ét netværk, hvilket sandsynligvis vil løse nogle lokale problemer på kontoret eller derhjemme. Det er sandsynligt, at det vil være for dyrt at udstyre sådanne enheder med UMTS- eller WLAN-grænseflader. Det er her, vi har brug for muligheden for at forbinde enheder uden at forbinde dem til netværksinfrastrukturen. Det var til sådanne formål, at Bluetooth-teknologien blev opfundet på et tidspunkt, hvilket blev det første skridt i denne retning.

Ny livsstil

Det er usandsynligt, at nogen er i stand til at beregne, hvor stor den er i dag World Wide Web. Yahoo! anslår størrelsen til 40 milliarder sider. Hundredvis af gange mere - mængden af ​​lukkede data lagret af forskellige organisationer.

Vi bruger ofte internettet uden selv at vide det. Når vi ringer til et telefonnummer, tror vi ikke, at en del af vores opkald vil gå gennem en VoIP-sektion via internettet. Når vi sender en e-mail til en kollega på det næste kontor, er vi ligeglade med, hvilke servere den går igennem. Når vi klikker på knappen Søg på Google eller Yahoo!, vil vi blot have information. Internettet har sammen med illusionen om videns "universalitet" bragt os en ny stil liv. Og sammen med den nye livsstil - nyt marked tjenester.

Hvor stort er det digitale livsstilsmarked?

På et niveau er dette kæmpe segment, som kombinerer digitale industrier som kommunikation, tv- og radioudsendelser og computerindustrien. Men på den anden side er dette et marked for én person, der værdsætter både betalt og gratis tjenester. Det skal her huskes, at den vigtigste sociale kraft på markedet for nye kommunikationstjenester er samfundets tendens til individualisering, kundens ønske om at vælge produkter og tjenester, kun styret af deres behov. Leverandører og operatører vil derfor skulle tilbyde forbrugerne mulighed for direkte og personligt at vælge og tilpasse de ydelser, de modtager. Multimediekommunikation, elektronisk handel, telemedicin, fjernundervisning, computeres allestedsnærværende - i hjem, kontorer, biler; radionetværk i caféer og fitnessklubber, butikker og hoteller, lufthavne og universiteter - alt dette vil tilsammen føre til en betydelig stigning i den globale trafik, der transmitteres over internettet.

Det er således helt indlysende, at for vores øjne skal tre komponenter af nye tjenester - kommunikation, tv- og radioudsendelser og computerindustrien - forene sig og skabe et nyt marked, der endnu ikke har rigtige navn, men det vil dukke op og sandsynligvis meget snart.

Nye modsætninger

IBM Global Business Services har udgivet en ny rapport, Navigating the Media Disruption: Innovation and Deliving New Business Models, som beskriver den konflikt, som traditionelle indholdsejere og distributører står over for. Det er det, rapporten kalder "mediegabet", som er kendetegnet ved spændingen i forholdet mellem traditionelle deltagere på mediemarkedet og "nytilkomne" fra feltet af digitale teknologier. IBM-eksperter forudser, at de samlede indtægter fra nye typer medieindholdsdistribution i løbet af de næste fire år vil vokse med 23 % om året - cirka fem gange højere end vækstraten på det traditionelle medie- og underholdningsmarked. Derudover vil musikindustrien ifølge ekspertestimater med overgangen til digitale teknologier til dannelse, lagring og distribution af indhold tabe omkring 90-160 milliarder dollars, og tv- og filmindustrien vil lide endnu større tab, hvis en acceptabel løsning på den aktuelle konfliktsituation ikke findes.

Kigger man godt efter, kan man nemt se en klar opdeling mellem det gamle og det nye indholdsdistributionsmiljø. Det traditionelle miljø er fortsat domineret af indhold, der er skabt af specialister og distribueret gennem proprietære platforme. Det er beskyttet af hologrammer, stemplet "Alle rettigheder forbeholdes", fremskridtene i dets distribution overvåges af højt betalte advokater, sager om ulovlig (læst - ubetalt) brug af sådant indhold overvejes i domstole i forskellige instanser. I det nye miljø skabes indhold ofte af brugere og tilgås via åbne ressourcer. Disse polære tendenser definerer klart konflikten mellem eksisterende og nye markedsdeltagere.

En anden konflikt opstår mellem eksisterende markedsdeltagere - traditionelle ejere af ressourcer (filmselskaber, spiludviklere og optagestudier) og deres distributører (tv-selskaber, detailhandlere, filmdistributører, kabel- og satellittjenesteudbydere). Den eksisterende opdeling af mediemiljøet stiller partnere op mod hinanden i kampen for indkomstvækst.

Dagens konfrontation mellem traditionelle og nye multimedieressourceudbydere har nået et punkt højeste spænding. Problemet, som oprindeligt var rent teknisk og kun bestod i at erstatte analog kommunikation med digital, er vokset til et økonomisk, juridisk og endda politisk. Så det er tid til at ændre forretningsmodeller, innovere og nytænke partnerskaber.

Nye virksomheder og nye relationer

Traditionelt bliver markeder målt i forhold til udbud og efterspørgsel, på grundlag af hvilke producenter og serviceudbydere beslutter, hvilke "værdier" forbrugerne vil betale for og forsøger at skabe disse værdier. Men i den nye digitale verden ser forbrugerne ud til at skabe disse værdier selv. Klassiske eksempler Sådanne "selvbetjening" er massive onlinespil og offentlige websteder.

Selv traditionelle firmaer som teleoperatører begynder at bevæge sig i retning af "personalisering". I det 19. århundrede blev telegrafbeskeder udskrevet og afkodet af ansatte i telegrafselskaber, i det 20. århundrede kunne brugerne selv sende og modtage beskeder, men netværksudstyret tilhørte telefonselskabet. I det 19. århundrede blev udstyr ejet af brugeren i stigende grad brugt til at sende beskeder.

Lignende tendenser kan observeres på computerområdet (f.eks. brugen af ​​gratis og open source-software) og i udsendelser (hvor almindelige mennesker deltager i stigende grad i indholdsskabelse ved at optræde i reality-tv-shows eller ringe ind i studiet til et direkte tv- eller radioprogram).

Bevægelsen mod personalisering og øget værdi skabt af brugerne selv ændrer markedets ansigt. De vigtigste indikatorer for dette er følgende.

Hvad er en service, og hvem er dens forbruger?

Hvad kan betragtes som en grundlæggende informations- og kommunikationsteknologitjeneste i dag? For tyve år siden blev det defineret som "en telefon i hvert hjem." I dag er grundlæggende service ikke kun tilgængeligheden af ​​nødvendige tjenester eller udstyr, men også den kvalitet, de leverer. I kampen for kvalitet og gennemstrømning og i sidste ende for kunden brydes spydene, virksomheder fusionerer og går konkurs, regulatoriske grundlag kollapser, koncepter skrives og prognoser går ikke i opfyldelse.

I slutningen af ​​2006 offentliggjorde International Telecommunication Union sin syvende årsrapport fra en gruppe analytikere om tendenser i udviklingen af ​​internettet. Den har titlen "Digital.life" og siger, at vi i de kommende årtier kan forvente begyndelsen af ​​en ny digitaliseringsæra, hvor dagens "Internet af data og mennesker" vil vige pladsen for morgendagens "Internet of Things."

I deres rapport minder ITU-analytikere læseren om, hvordan vi helt i begyndelsen af ​​internet-æraen var forbløffet over muligheden for kontakt - uden telefonoperatører og langdistanceopkald - med mennesker, der er placeret i udlandet, i andre tidszoner og endda i andre halvkugler. Hvor usædvanligt det var at få adgang til information, mens du var foran en skærm hjemmecomputer, og ikke i Leninbiblioteket!

Det næste logiske skridt i denne teknologiske revolution vil ifølge eksperter være netværk af livløse objekter. De vil kommunikere i realtid og derved radikalt transformere internettet. Ifølge rapporten er der i øjeblikket omkring 875 millioner globale netværksbrugere i verden. Og dette tal kan simpelthen fordobles, hvis folk forbliver fremtidens primære brugere. Men eksperter forventer, at antallet af terminaler tilsluttet netværket i de kommende årtier vil beløbe sig til titusinder af milliarder. Dette er grundlaget for tingenes internet. "The Internet of Things vil muliggøre nye anvendelser af ting, som vi aldrig har forestillet os før," forudsiger rapportens forfattere.

Men selvom der er mange grunde til bekymring, er én ting klar: videnskab og teknologi fortsætter med at bevæge sig fremad. Internettet holder op med at være noget uafhængigt; det dækker hele vores liv. Multimilliardinvesteringer i databehandlings- og transmissionsteknologier fører til fremkomsten af ​​flere og flere nye tjenester og muligheder for forbrugerne, hvilket betyder flere og flere nye markeder og nye indkomster. Denne proces er uforudsigelig, ligesom forløbet af opfinderens tanker er uforudsigeligt.

Det er næppe værd at prøve at forstå fremskridtenes veje, før man fortsætter med at bevæge sig fremad. I betragtning af den svimlende hastighed, hvormed teknologier opstår og ændrer sig, kan et kunstigt stop "at indse" være ret dyrt. Og i dette er jeg klar til at argumentere med forfatterne af den ITU-rapport, jeg allerede har nævnt, som opfordrer til at høste fordelene af tingenes globale internet "først efter fuldt ud at have forstået dette fremskridt, fordelene og vanskelighederne forbundet med det."

Vores verden bliver gradvist digital. Vi er nu i selve epicentret af den digitale revolution, som opstod i begyndelsen af ​​1980'erne og gradvist fortrænger analoge tjenester og enheder fra vores liv og virksomheder og erstatter dem med digitale.