Fordeler med digital teknologi. Nye selskaper og nye relasjoner
Analog er et signal som endres kontinuerlig. Det vanligste er endring over tid. På nivået av makrokosmos er alle signaler om omverdenen analoge av natur, og det er i analog form de registreres av de tilsvarende sensorene og omdannes til signaler av en annen karakter, oftest elektriske. (Riktignok er det kjent fra skolekurset at i atomer skjer alle overganger brått, kvantisert, men individuelle atomer er ikke relevante for vår vurdering).
I en datamaskin har vi å gjøre med et binært digitalt signal som bare tar to diskrete verdier, den ene verdien er tildelt 0 og den andre en 1.
I en prosessor og RAM tilsvarer dette tilstedeværelsen eller fraværet av en elektrisk ladning i en elementær minnecelle (eller, som er det samme, tilstedeværelsen eller fraværet av spenning). Forresten, i datamaskiner, er et signal der det er spenning tildelt verdien 0, og fravær av spenning er et signal 1. Selv om det ved første øyekast ville være mer logisk omvendt.
På en harddisk tilsvarer 0 magnetiseringen av en del av disken i én retning, og 1 – i motsatt retning. På CD-plater legges binærkoden inn ved stempling av fordypninger i plasten, og på CD-R og CD-RW opptaksplater dannes den binære koden ved å mørkne informasjonslaget under en laserstråle. Og den aller første registreringen av binær kode ble utført ved å slå hull i papp. Det er et hull - dette er 0, glatt papir er 1.
Det vil si at det ikke spiller noen rolle hvordan det binære signalet skapes, så lenge det produserer to nivåer som er godt forskjellige fra hverandre.
Binær digitalt signal Det finnes ikke i naturen, det er skapt av mennesket. Det er praktisk for en person å jobbe med informasjon registrert i digital form. Vi kan si at vi er tilstede når menneskeheten skaper sitt eget digitale univers. Menneskesamfunnet har skapt mange diskrete ting. For eksempel tekst - den består av individuelle diskrete bokstaver, og det er ingen kontinuitet her. For tekst og andre diskrete menneskeskapte materialer er digital datateknologi bedre egnet enn analog.
Hvis vi sammenligner digital og analog elektronikk, er digitale video- og lydbehandlingsenheter alltid utstyr av høyere klasse enn analoge enheter. Digital teknologi blir stadig mer høykvalitets og prestisjefylt.
Sammenlignet med et analogt signal har et digitalt signal to plusser og ett minus. La oss se på dem i rekkefølge.
1. Ved å bruke et analogt signal er det i prinsippet umulig å overføre informasjon uten forvrengning, et digitalt signal lar deg overføre informasjon helt uten forvrengning.
Hvorfor skjer dette? Under overføring oppstår det alltid en eller annen form for forstyrrelse i kommunikasjonslinjen, som forvrenger det overførte signalet (stiplede linjer i figuren). Ingen interferens oppstår bare i det ideelle tilfellet, som, som ethvert ideal, er uoppnåelig. Og mottakeren kan ikke gjenopprette det opprinnelige signalet, siden bare senderen har informasjon om det opprinnelige signalet.
En helt annen situasjon observeres med et digitalt signal. Også her oppstår interferens under overføring - hvor kan du komme unna det (stiplede linjer i figuren). Men ved mottak er oppgaven å gjenkjenne hvert signal som 0 eller 1 - det er ingen mellomting. Og hvis alle 0-er og 1-er gjenkjennes riktig, betyr dette at informasjonen overføres uten forvrengning.
Interferens kan ikke bare oppstå ved overføring av informasjon over lange avstander. Sterk interferens og interferens kan også forekomme inne i enhver enhet (TV, datamaskin, etc.).
To viktige konklusjoner følger av ovenstående.
a) Digital teknologi fungerer mer pålitelig.
b) Pulsmetoden (digital) for å overføre informasjon lar deg lage et ubegrenset antall absolutt identiske kopier.
I et analogt signal vil hvert trinn i kopieringen være ledsaget av tilsynekomsten av interferens; med økende stadier av sekvensiell kopiering blir kvaliteten på signalet dårligere, og til slutt blir informasjonen fullstendig uleselig.
I et digitalt signal kan støy elimineres fordi du vet hva som må elimineres - alt som skiller seg fra 0 og 1. Og fra hver etterfølgende kopi kan det lages en ny kopi, akkurat som fra originalen. Riktignok har denne fordelen ubehagelige konsekvenser, siden den skaper grunnlaget for piratkopiering og uautorisert bruk av andres immaterielle rettigheter.
Fortsettelse. Se nr. 5, 6/2009
Verktøysett
I alle forfatterens versjoner av skolens informatikkkurs er det sentrale systemdannende konseptet informasjonsbegrepet. Den grunnleggende komponenten i informatikk er vitenskapen om informasjon og informasjonsprosesser. Et spesialisert kurs i informatikk for videregående gir større muligheter for å avsløre dette grunnleggende innholdet enn et kurs i en ungdomsskole. Dette tilrettelegges for det første av propedeutikken gjennomført i tidligere klassetrinn, og for det andre av høyere matematisk og fysisk trening av elevene.
Delen om informasjonskoding er sentral i den teoretiske delen av kurset. Det gjenspeiler de grunnleggende ideene om presentasjon og transformasjon av informasjon som ligger til grunn for informasjonsteknologi. Å forstå disse ideene bidrar til en dyp forståelse av IKT for den profesjonelle brukeren og, enda viktigere, for fremtidens datasystemdesigner.
Flere detaljer enn på grunnskolen, her vi vil snakke om egenskapene til analoge og digitale former for informasjonsoverføring. Essensen av ADC - analog-til-digital signalkonvertering - er forklart i tilstrekkelig detalj.
Nøkkelbegrepet for seksjonen er koding får multilateral avklaring. En kode er en tegnsekvens som inneholder noe informasjon. Koding er prosessen med å konstruere kode. Alle kodingsalternativer kan deles inn i to grupper:
1) konvertering fra analog form til diskret, symbolsk form;
2) konvertering fra ett symbolsystem til et annet.
Metodene til den andre gruppen av koding avhenger av formålet. Det kan være følgende alternativer: overgang fra en presentasjonsstandard til en annen; reduksjon av datavolum (komprimering, pakking); klassifisering av informasjon (kryptering) og omvendt prosedyre - dekryptering; sikre feilkontroll under dataoverføring. I alle tilfeller brukes visse kodealgoritmer, ofte bak det ligger matematiske modeller. Læreren må danne seg en systematisk forståelse av elevene om kodingsproblemer og måter å løse dem på.
Informatikktimene er delt inn i teoretiske timer og dataverksted (selvfølgelig kan begge arbeidsformene kombineres i løpet av en time). I dette kurset Forfatterne foreslår en annen form for organisering av klasser - en leksjonsforskning. Materialet for en slik leksjon finnes i §5 "Numeriske eksperimenter i lydbehandling." Arbeidet består i at læreren demonstrerer numeriske eksperimenter utført i et regnearkmiljø ved hjelp av datamaskin og projeksjonsverktøy. Elevene kan gjenta de samme beregningene på PC-ene sine parallelt, men så får de oppgaver om å selvstendig fortsette forsøket. Resultatene diskuteres samlet.
I kodingsenheten fortsetter elevene å utdype sine ferdigheter i regneark og Pascal-programmering.
§1. Signal - informasjonsbærer
En person oppfatter informasjon fra omverdenen ved hjelp av sansene. Mesteparten av informasjonen vi mottar er gjennom syn og hørsel.
Hørselsorganene oppfatter lydsignaler, til som bæres av lydbølger. Synsorganene oppfatter visuelle signaler, hvis natur er elektromagnetiske bølger i et visst frekvensområde. Noen signal- dette er en endring i en fysisk mengde som overfører informasjon til det mottakende objektet(levende vesen eller teknisk innretning). Lydsignalet er assosiert med en endring i lufttrykket generert av lydbølgen og påvirker hørselsorganet. Det visuelle signalet er assosiert med endringer i parametrene for elektromagnetisk lysstråling som oppfattes av synsorganene.
I mange århundrer kunne folk bare høre lyder i en naturlig høreavstand fra kilden, og se objekter i deres synsfelt. Utviklingen av vitenskap og teknologi har tillatt mennesket å gå utover disse naturlige grensene for persepsjon.
I løpet av de siste to århundrene har forskere og oppfinnere oppnådd gode resultater med å lage kommunikasjonsverktøy for overføring av informasjon over avstand. Ulike tekniske kommunikasjonsmidler gir overføring av to typer signaler: analog Og diskret.
Et synonym for "analog" er "kontinuerlig". For eksempel er lyd en kontinuerlig bølgeprosess som forekommer i atmosfæren eller et annet kontinuerlig medium. Begrepet "diskret" betyr "delt", som består av individuelle partikler, elementer, kvanter. De første tekniske kommunikasjonsmidlene i historien var ment å overføre tekster i diskret form.
1800-tallet var et stort århundre med tekniske oppfinnelser. I 1831 oppdaget Michael Faraday fenomenet elektromagnetisk induksjon. Etter dette begynte den raske utviklingen av elektroteknikk: oppfinnelser elektrisk generator, midler for å overføre elektrisitet over en avstand blir opprettet. Elektrisitet har mange bruksområder. De viktigste av dem er: elektrisk belysning og oppvarming, elektrisk motor, telekommunikasjon - overføring av informasjon ved hjelp av elektrisitet. Ideen om å overføre informasjon via ledninger virket fantastisk på den tiden: det ble mulig å overføre tekst med hastigheten på elektrisk signaloverføring - nær lysets hastighet.
Den første elektromagnetiske telegrafen ble laget av den russiske forskeren Pavel Lvovich Schilling i 1832. I 1837 patenterte amerikaneren Samuel Morse designen hans for et elektromagnetisk telegrafapparat. Han utviklet seg også telegrafkode, kjent som morsekode.
En telegrafmelding er en sekvens av elektriske signaler som overføres fra ett telegrafapparat via ledninger til et annet telegrafapparat. Disse tekniske omstendighetene førte S. Morse til ideen om å bruke bare to typer signaler - korte og lange - for å kode meldinger som sendes over telegrafkommunikasjonslinjer.
I morsekode er hver bokstav i alfabetet kodet av en sekvens av korte signaler (prikker) og lange signaler (strek). I tabellen i fig. Figur 1 viser morsekode i forhold til det latinske og russiske alfabetet.
Ris. 1. Morsekodetabell
Den mest kjente telegrafmeldingen er SOS-nødsignalet ( S ave O ur S ouls- Spar våre sjeler). Slik ser det ut i morsekode:
- - -
Tre prikker representerer den latinske bokstaven S, tre streker representerer bokstaven O. To pauser skiller bokstavene fra hverandre. Telegrafoperatøren, som sendte en melding i morsekode, "takket ut" den ved hjelp av en telegraftast: en prikk - et kort signal, en strek - et langt signal, etter hver bokstav - en pause. På mottaksmaskinen ble meldingen tatt opp på papirbånd i form av grafiske prikker, streker og mellomrom, som ble visuelt lest av telegrafisten.
Morsekode er ujevn kode, siden for forskjellige bokstaver i alfabetet varierer kodelengden fra ett til seks tegn (prikker og bindestreker). Av denne grunn er det nødvendig med et tredje tegn - en pause for å skille bokstavene fra hverandre.
Den enhetlige telegrafkoden ble oppfunnet av franskmannen Jean Maurice Baudot i 1870. Den brukte bare to forskjellige typer signaler. Det spiller ingen rolle hva du kaller dem: prikk og strek, pluss og minus, null og én. Dette er to forskjellige elektriske signaler.
I Baudot-kodetabellen er kodelengden på alle tegnene i alfabetet den samme og lik fem. I dette tilfellet er det ikke noe problem å skille bokstaver fra hverandre: hvert femte signal er et teksttegn.
Takket være Bodos idé var det mulig å automatisere prosessen med å overføre og skrive ut brev. I 1901 ble et tastaturtelegrafapparat opprettet. Ved å trykke på en tast med en bestemt bokstav genereres et tilsvarende fempulssignal, som sendes over kommunikasjonslinjen. Mottaksenheten, under påvirkning av dette signalet, skriver ut den samme bokstaven på et papirbånd.
Morse- og Baudot-telegrafer er det diskret metoder for å overføre informasjon.
Den neste viktige begivenheten innen kommunikasjonsteknologi var oppfinnelsen av telefonen. I 1876 fikk amerikaneren Alexander Bell patent på sin oppfinnelse. Et år senere fant Thomas Alva Edison opp en telefon med karbonmikrofon, som fortsatt er i bruk. Telefonkommunikasjon overfører lyd over en avstand ved hjelp av et kontinuerlig elektrisk signal modulert med frekvensen av lydvibrasjoner. En elektrisk vekselspenning skapes i høyttalerens mikrofon, og i lytterens øretelefon omdannes den til lydvibrasjoner. Telefoni er en analog metode for å overføre lyd.
Takket være oppdagelsen av elektromagnetiske bølger i 1888 av Heinrich Hertz, ble oppfinnelsen av radiokommunikasjon mulig. Nesten samtidig, i 1895, oppfant Alexander Popov i Russland og i 1896, italieneren G. Marconi, de første radiosendere og radiomottakere. Samtidige med oppfinnelsen kalte radioen en trådløs telefon. Prinsippet for lydoverføring via radiokommunikasjon er overføring gjennom rommet av høyfrekvente (bærer) elektromagnetiske bølger modulert i amplitude av lavfrekvente lydvibrasjoner. I en radiomottaker skilles lydvibrasjoner fra bærefrekvensen og omdannes til lyd. Radiokommunikasjon er en analog metode for å overføre lyd.
På det tjuende århundre, med oppfinnelsen av fjernsynet, ble det mulig å overføre bilder over en avstand. Fjernsynets elektromagnetiske signal er også analog metode for å overføre lyd- og videoinformasjon.
I andre halvdel av det tjuende århundre skjedde det en overgang til en overveiende diskret form for informasjonsrepresentasjon for lagring, overføring og behandling. Denne prosessen begynte med oppfinnelsen av digital databehandling og måleteknologi. For tiden er databehandling i ferd med å bli en del av alle kommunikasjonssystemer: telefon, radio og TV. Digital telefoni og digital-tv er i utvikling. Internett som et universelt kommunikasjonssystem er utelukkende basert på diskret digital teknologi for lagring, overføring og behandling av informasjon.
Spørsmål og oppgaver
1. Hva er et signal?
2. Begrunn riktig bruk av uttrykket "trafikklyssignal".
3. Gi eksempler på analoge signaler i naturen som overfører informasjon.
4. Tror du menneskelig tale er en analog eller diskret form for informasjonsoverføring?
5. List opp de viktigste hendelsene i oppfinnelsens historie tekniske midler kommunikasjon.
6. Hvorfor har digitale kommunikasjonsteknologier erstattet analoge i det siste?
§2. Tekstkoding
Hva er koding
Koding er representasjon av informasjon som en kombinasjon av symboler. Koding skjer i henhold til visse regler. Kodingsregler avhenger av formålet med koden, dvs. om hvordan og til hva den skal brukes til.
Skriving er en måte å kode tale på naturlig språk. Skriftlig tekst (også kalt skriftlig tale) er ment å overføre informasjon fra én person til andre mennesker både i rom (brev, notat) og i tid (bøker, dagbøker, dokumentarkiv, etc.). Reglene folk skriver etter informasjonskoding, kalles grammatikken til et språk (russisk, engelsk, kinesisk, etc.), og en person som kan lese og skrive kalles en literate person.
Hvis opptak av tale kalles koding, så er det å lese skrevet tekst. dekoding. Siden vi uttrykker våre tanker i form av muntlig tale, kan prosessen med skriftlig utveksling av informasjon mellom mennesker representeres ved følgende diagram (se diagram).
Med denne skriftlige metoden for informasjonsutveksling brukes papir oftest som medium.
Med oppfinnelsen av tekniske kommunikasjonsmidler ble det mulig å raskt overføre tekster over lange avstander. Men denne prosessen krever bruk av et ekstra lag med koding. La oss gjenta utsagnet ovenfor igjen: kodingsmetoden avhenger av formålet med koden. Hvis koden er ment å overføre tekst over et teknisk kommunikasjonssystem, må den tilpasses funksjonene til dette systemet. Et eksempel på en slik "teknisk" kode er morsekode.
Prosessen med å overføre en telegrafmelding ved hjelp av morsekode kan representeres av følgende diagram:
Metoder for tekstkoding
Tekstkoding skjer alltid i henhold til følgende regel: hvert tegn i kildetekstalfabetet erstattes av en kombinasjon av tegn i kodingsalfabetet. For morsekode er disse reglene presentert i tabellen på ris. 1.
I Morsekodetabellen brukes to symboler for å kode de 32 bokstavene i det russiske alfabetet (bokstaven E begynte å bli brukt i skrevet tekst først på midten av det tjuende århundre): en prikk og en strek. Men ved overføring av ord pga ujevnheter i koder For forskjellige bokstaver må du også bruke et gap mellom bokstavene: en pause i sendetiden eller et mellomrom på telegrafbåndet. Derfor inneholder faktisk Morse-telegrafkodealfabetet tre tegn: prikk, bindestrek, hopp over.
Baudots telegrafkode er binær uniform fem-bits kode. På grunnlag av det, i 1932, ble det utviklet internasjonal telegrafkode ITA2, hvis kodetabell er presentert påris. 2.
Ris. 2. Telegrafkode ITA2
Binære tegnkoder er slått sammen til et tosifret heksadesimalt tallformat der det første sifferet har verdien 0 eller 1. Det finnes tre typer tegn: bokstaver, tall og tegn, og kontrolltegn. Bytting til bokstavinntastingsmodus skjer ved bruk av kode 1F 16 (binær form 1 1111). Bokstaven A har koden 03 16 (0 0011); koden for bokstaven R er 0A 16 (0 1010). Den samme koden i sifferinntastingsmodus representerer tallet 4. Ordet "BODO" i heksadesimal form er kodet som følger: 19 18 09 18. Lengden på den binære koden til dette ordet er 20.
I andre halvdel av det tjuende århundre ble datamaskiner laget og distribuert. For databehandling av tekst var det nødvendig å lage en standard for tegnkoding. I 1963 ble det vedtatt en standard, som ble kalt ASCII - amerikansk standard kode for informasjonsutveksling. ASCII er en syv-bits binær kode, den er gitt i tabellen. 1.
Koden til et tegn er serienummeret i kodetabellen. Det kan representeres i desimale, binære og heksadesimale tallsystemer. Koden i datamaskinens minne er et syv-bits binært tall. I tabellen 1 ASCII-kode er representert i kollapset heksadesimal form. Når de utvides til binær form, er kodene syv-bits binære heltall fra 000 0000 2 = 00 16 = 0 til 111 1111 2 = 7F 16 = 127. Det er totalt 2 7 = 128 tegn.
De første 32 tegnene (00 til 1F) kalles kontrolltegn. De gjenspeiles ikke i noen tegn på LCD-skjermen eller ved utskrift, men de bestemmer noen handlinger når du skriver ut tekst. Kode 08 16 (BS) sletter for eksempel forrige tegn; ved kode 07 16 (BEL) - lydsignalutgang; kode OD 16 (CR) betyr gå til begynnelsen av linjen (vognretur). Disse tegnene er arvet fra kodingen for teletype kommunikasjon, som ASCII opprinnelig ble brukt for, og det er grunnen til at slike arkaiske termer som "vogn" ble bevart.
Symboler som har en grafisk visning begynner med koden 20 16. Dette er et mellomrom - hopper over en posisjon når du sender ut. En viktig egenskap ved en ASCII-tabell er at den opprettholder den alfabetiske sekvensen for kodingen av store og små bokstaver, samt desimaler. Denne egenskapen er ekstremt viktig for programvarebehandling symbolsk informasjon, spesielt for alfabetisk sortering av ord.
ASCII-kodeutvidelse. Åtte-bits binær koding lar deg kode et alfabet på 2 8 = 256 tegn. Den første halvdelen av åttebitskoden er den samme som ASCII. Den andre halvdelen består av symboler med koder fra 128 = 80 16 = 1000 0000 2 til 255 = FF 16 = 1111 1111 2. Denne delen av kodingstabellen kalles kodeside(CP - kodeside). Kodesiden inneholder ikke-latinske alfabeter, pseudografiske tegn og noen andre tegn som ikke er inkludert i første halvdel.
I tabellen 2, 3, 4 viser kodesider med det russiske alfabetet. CP866 brukes i MS DOS-operativsystemet, CP1251 - i Windows-operativsystemet. KOI8-R-kodingen brukes i Unix-operativsystemet. Dens første halvdel er den samme som ASCII.
Vær oppmerksom på at ikke alle kodinger følger regelen for sekvensiell koding i det russiske alfabetet. Det er andre standarder for tegnkoding som bruker det russiske alfabetet.
16-bits UNICODE-standard. I 1991, en seksten-bit Internasjonal standard Unicode-tegnkoding, som lar deg kode 2 16 = 65 536 tegn. Denne kodetabellen inneholder engelsk (latin), russisk (kyrillisk), greske alfabeter, Kinesiske karakterer, matematiske symboler og mye mer. Det er ikke behov for kodesider. Utvalget av tegnkoder i heksadesimal form er fra 0000 til FFFF.
I begynnelsen av kodetabellen, i området fra 0000 16 til 007F 16, er ASCII-tegn inneholdt. 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 for kyrilliske tegn.
Lær å programmere
La oss vurdere et Pascal-program som viser en kodingstabell i kodeområdet fra 20 til 255.
Program Tabellkode;
bruker CRT; (Kobler til kontrollbiblioteket
symbolsk utgang)
var kode: byte; (heltall fra 0 til 255)
clrscr; (Sletting av tegnutdataskjermen)
til kode:= 20 til 255 gjøre
(Søker gjennom tegnkoder)
hvis(kode mod 10 = 0) deretter skriveln;
(Linjemating i 10 trinn)
skriv(chr(kod):3,kod:4);
(Utgang av symbolet og dets kode)
Operatør bruker CRT kobler til programmet et bibliotek med rutiner for å kontrollere symbolsk utdata på monitorskjermen. Deretter bruker programmet en prosedyre fra dette biblioteket: clrscr - tømme skjermen.
Type variabel byte tar opp 1 byte med minne og aksepterer mange positive heltall numeriske verdier i området fra 0 til 255.
Programmet bruker standardfunksjonen chr(kod) , som returnerer som et resultat et tegn hvis desimalkode er lik verdien av kod-variabelen.
Verdier vises i par: symbol - kode. Det er 10 slike par på en linje. Hele bordet får plass i 24 rader.
Spørsmål og oppgaver
1. Definer begrepene: kode, koding, dekoding.
2. Gi eksempler på koding og dekoding som ikke ble omtalt i avsnittet.
3. Hva er forskjellen mellom uniforme og ikke-uniforme koder?
4. Kod ordet COMPUTER ved å bruke ITA2- og ASCII-koder.
5. Hvordan vil setningen "SPARTAK - CHAMPION" leses, kodet med CP1251, hvis dekoding skjer med KOI8-R-koden?
6. Et brev ble skrevet i KOI8-R-koding, som begynner med uttrykket: "Hei, kjære Sasha!" Dekodingen foregikk i syv-bit ASCII-kode, som et resultat av at den viktigste (åttende) biten av alle karakterer gikk tapt. Skriv hvilken tekst du endte opp med. Vil mottakeren kunne forstå innholdet i brevet?
7. Bruk en regnearkprosessor for å finne ut hvilken kodeside som brukes på datamaskinen. For eksempel har Excel en funksjon CHAR(kode) som returnerer tegnet som tilsvarer en gitt desimalkode. Den inverse funksjonen til den er CODE(symbol).
8. Implementer Tabl_code-programmet på datamaskinen din. Gjør det.
9*. Komponer et lignende program som vil gi ut binære koder med tegn.
10*. Skriv et lignende program som vil skrive ut heksadesimale koder med tegn.
§3. Bildekoding
I følge noen estimater oppfatter en person omtrent 90% av informasjonen fra omverdenen visuelt. Menneskesyn er den naturlige evnen til å oppfatte bilder av gjenstander i verden rundt. Det visuelle systemet oppfatter lys som reflekteres eller sendes ut av observasjonsobjekter. Det reflekterte bildet er alt vi ser i dagslys eller kunstig lys. Vi leser for eksempel en bok og ser på illustrasjonene i den. Eksempler på utsendte bilder er bilder på en TV- eller dataskjerm.
Siden antikken har folk lært å lagre og overføre bilder i form av tegninger. Fotografiet dukket opp på 1800-tallet. Oppfinnelsen av kino av brødrene Lumière i 1895 gjorde det mulig å overføre levende bilder. På 1900-tallet ble videoopptakeren oppfunnet - et middel til å ta opp og overføre bilder på magnetbånd.
Teknikker bildekoding utvikles med bruk av digitale teknologier for lagring, overføring og behandling av bilder: digital fotografering, digital video, data-grafikk.
Når du koder et bilde, blir det romlig samplet og lyset som kommer fra hvert diskrete element i bildet blir kodet. I datateknologier det romlige rutenettet av diskrete elementer som bildet på LCD-skjermen er bygget av kalles et raster. De diskrete bildeelementene på selve skjermen kalles piksler (fig. 3). Jo tettere pikselnettet er, jo høyere bildekvalitet, desto mindre merker øynene våre dens diskrete strukturen.
Videoinformasjon er en binær bildekode som er lagret i datamaskinens minne. Hele den samlede videokoden består av lyskoder som sendes ut av individuelle piksler.
De naturlige bildene vi ser rundt oss er flerfargede. Bildelagringsteknologier bruker metoder for å skaffe monokromatisk, dvs. enkelt farge, og farget(flerfargede) bilder. Som kjent dukket de opp først svart-hvitt fotografering, svart-hvitt-kino, og senere - fargefotografering og fargekino. Det samme gjelder TV. De første dataskjermene hadde svart-hvitt-skjermer, moderne datamaskiner fargemonitorer brukes.
Farge (rød, gul, grønn, etc.) er en persons subjektive oppfatning av lysets farge. Den objektive forskjellen mellom lys av forskjellige farger ligger i lysets forskjellige bølgelengder. Den subjektive karakteren til fargeoppfatning bekreftes for eksempel av det faktum at personer som lider av fargeblindhet ikke kan skille noen farger i det hele tatt.
Monokromatisk lyskoding
Ordet "monokromatisk" betyr én farge. Det er en bakgrunnsfarge. Hele bildet er tatt ved hjelp av nyanser denne bakgrunnsfargen, forskjellig i lysstyrke(de sier også åpenhet). For eksempel, hvis bakgrunnsfargen er svart, kan du ved å gradvis gjøre den lysere, gå gjennom gråtoner til hvit farge (ris. 4). Vi kaller et slikt kontinuerlig sett med nyanser - fra svart til hvitt - svart og hvitt spektrum. Fra disse nyansene oppnås bildet i svart-hvitt-fotografering, på film- og TV-skjermer. Alle tegningene i denne opplæringen er i svart-hvitt.
Ris. 4. Kontinuerlig svart og hvitt spektrum
Bakgrunnsfargen trenger imidlertid ikke være svart. Det kan være brunt, blått, grønt osv. Dette skjer i tonede fotografier. Det var monokrome skjermer med brun eller grønn bakgrunnsfarge.
Den monokrome lyskoden indikerer lysstyrkenivået til bakgrunnsfargen. Datamaskiner bruker positive binære heltall for digitalt å kode lys. Størrelsen på den binære koden i biter kalles lyskodingsdybden.
Med diskret digital koding kontinuerlig spektrum nyanser av grunnfargen er delt inn i et helt antall segmenter, innenfor hver av disse regnes lysstyrken som konstant.
For naturlig lys er antallet nyanser av bakgrunnsfarge uendelig. Med digital koding blir antall nyanser en begrenset mengde. Antall nyanser (K) og bitdybde av koding (b) er relatert til hverandre i henhold til formelen:
Datavitenskapens hovedformel fungerer igjen!
Den faktiske lysstyrken til bildet avhenger av de fysiske forholdene for overføringen: nivået av belysning fra lyskilden når bildet reflekteres eller strøm lysstrøm fra skjermen når bildet sendes ut. Hvis den maksimale lysstyrken tas som én, vil lysstyrken til lyset i området fra svart til hvitt variere fra null til én.
På ris. Figur 5 viser samplingen av svart-hvitt-spekteret ved b = 2. Dette betyr at kodestørrelsen er 2 bits og hele spekteret er delt inn i fire nivåer - 4 nyanser.
Ris. 5. Monokromatisk koding med dybde 2
Naturlig lys, hvis lysstyrke varierer fra 0 til 1/4, vil bli representert som svart, hvis desimalkode er 0 og binærkode er 00. Neste er to nyanser av grått. Lys i lysstyrkeområdet fra 3/4 til 1 er representert som hvitt, og koden er: 3 = 11 2. Hvis lysstyrkenivået er uttrykt i prosent, er reglene for svart-hvitt-koding b = 2 kan gjenspeiles i tabellen:
På ris. 6 viser prøvetakingen av svart-hvitt-spekteret kl b = 4. Siden 2 4 = 16, er 16 forskjellige sorte og hvite nyanser kodet på denne måten. Desimalkoder og binære koder er gitt.
Eksempel. La oss vurdere et modelleksempel på koding av et svart-hvitt-bilde. Skjermens rasterstørrelse er 8 x 8 piksler. Kodingsdybden er to:
b = 2 biter. Bilde vist på ris. 7. Tallene angir nummereringen av radene og kolonnene i rasteret. Hver celle er en bildepiksel.
Bokstaven "P" er tegnet på skjermen. De tre segmentene er malt i forskjellige nyanser av bakgrunnsfarge: svart, mørk grå og lys grå. Den binære koden for bildet vil være:
Ris. 7. Diskret tegning
For klarhetens skyld presenteres den binære koden i form av en matrise, hvis rader tilsvarer rasterradene på skjermen. Dataminne er faktisk endimensjonalt, og all kode er en kjede av nuller og enere plassert i påfølgende byte med minne. Volumet av slik videoinformasjon er 16 byte. Hvis vi konverterer denne koden til heksadesimal form, blir den som følger:
FFFF D55F CFEF CFEF CFEF CFEF FFFF FFFF
Ved koding av et fargebilde brukes ulike tilnærminger, som kalles fargemodeller. Dette vil bli diskutert i detalj i avsnittet om datagrafikkteknologier.
Spørsmål og oppgaver
1. Definer begrepene: lys, farge, bilde.
2. Hva kan ikke sees og hva kan sees i absolutt mørke?
3. Hva er et raster eller en piksel?
4. Hvordan skiller et monokromt bilde seg fra et fargebilde?
5. Hva er svart-hvitt-spekteret?
6. Hvilken informasjon finnes i datakoden til et bilde?
7. Hvilket volum vil videokoden til bildet som vises på skjermen ha hvis rasterstørrelsen er 640x480 og kodedybden er 8 bits?
8. Hva er bildekodingsdybden hvis videokodevolumet er 384 KB og rasterstørrelsen er 1024x768?
9. Volumet av videokode er 600 KB, kodedybden er 16 biter. Hvilken rasterstørrelse brukes til å vise bildet: 640x480 eller 1024x768?
10. På en svart-hvitt "leketøy"-skjerm med en oppløsning på 8 x 8 piksler (se eksempel i avsnittet), vises bokstavene: N, A, Sh etter tur. Utvikle og skriv ned dens binære og heksadesimale koder for hvert viste bilde. Kodedybden er to. Ulike bokstavelementer har forskjellige fargenyanser.
11. Gjenopprett bildet på en svart-hvitt "leketøy"-skjerm ved å bruke den heksadesimale koden: F3F7 F3D7 F37F F1FF F3BF F3EF F3FB FFFF, - hvis kodedybden er to.
§4. Analog signalkodingsteknologi
I §1 ble det innført en definisjon av begrepene «analogt signal» og «diskret signal». Lyssignalet er analogt fordi det føres i en kontinuerlig strøm elektromagnetisk stråling. Lydsignalet bæres av en akustisk bølge, som genererer en kontinuerlig prosess med å endre lufttrykket med lydfrekvensen.
For å lagre bilder og lyd til digitalt format de tilsvarende analoge signalene må være kodet, dvs. presenteres som en diskret sekvens av nuller og enere - binære sifre. Prosessen med å konvertere et analogt signal til en diskret digital form kalles analog-til-digital konvertering, eller forkortet til ADC.
På ris. Figur 8 viser et diagram for å konvertere ethvert analogt signal av naturlig opprinnelse til en diskret digital kode.
Fra dette diagrammet følger det at både lys- og lydsignaler i utgangspunktet omdannes til et kontinuerlig elektrisk signal, som gjennomgår analog-til-digital konvertering.
Digitalisering av et bilde skjer under opptak på digitale foto- og videokameraer, samt når bildet legges inn i en datamaskin ved hjelp av en skanner. I kjernen fysisk prosess Transformasjonen av lys til elektrisk strøm er fenomenet med utseendet til en elektrisk ladning i en halvlederenhet - fotodiode under påvirkning av lys som faller på den.
Størrelsen på det elektriske potensialet som oppstår på fotodioden er proporsjonal med lysstyrken til lysfluksen. Denne verdien endres kontinuerlig ettersom lysstyrken til lyset endres.
Analog-til-digital konvertering innebærer å måle størrelsen på et elektrisk signal.
Måleresultater lagres i digitalt format i en minneenhet. Romlig prøvetaking skjer ved bruk av en fotodiodearray som deler bildet inn i endelig nummer elementer.
Lydkoding
La oss se nærmere på ADC-prosessen ved å bruke eksempelet på lydkoding når den legges inn i en datamaskin. Når du tar opp lyd til en datamaskin, er enheten som konverterer lydbølger til et elektrisk signal en mikrofon. Analog-til-digital konvertering produserer elektronisk krets, postet på lydkortet (lydkortet) til datamaskinen som mikrofonen er koblet til.
Amplituden og frekvensen til signalet som kommer fra mikrofonen og ankommer lydkort elektrisk signal tilsvarer amplitude- og frekvensegenskapene til det akustiske signalet. Derfor lar måling av det elektriske signalet oss bestemme egenskapene til lydbølgen: dens frekvens og amplitude.
Et analogt signal er en prosess med kontinuerlig endring i signalamplitude over tid ( ris. 9).
Ris. 9. Analog signalsampling
Det er to hovedparametre for lydkoding: samplingshastighet og kodingsbitdybde. Signalamplituden måles med jevne mellomrom. Størrelsen på et slikt tidsintervall kalles prøvetakingstrinn, som måles i sekunder. La oss betegne prøvetakingstrinnet t (s). Da vil samplingsfrekvensen uttrykkes med formelen:
H = 1/t (Hz)
Frekvensen måles i hertz. En hertz tilsvarer én måling per sekund: 1 Hz = 1 s –1.
Jo høyere samplingshastighet, desto mer detaljert vil den numeriske koden reflektere endringen i signalamplitude over tid. God lydopptakskvalitet oppnås ved samplingsfrekvenser på 44,1 kHz og høyere (1 kHz = 1000 Hz).
Bitdybdekoding ( b) er størrelsen på den binære koden som vil representere amplituden til signalet i datamaskinens minne. Bitdybde er relatert til antall nivåer av signalamplitudedeling i henhold til formelen:
Prosessen med å prøve amplituden til lyd kalles lydkvantisering. Da kan verdien av K kalles antall lydkvantiseringsnivåer ( ris. 10).
Ris. 10. Analog signalkvantisering
Verdiene for den målte mengden legges inn registrere lydkort - en spesiell minnecelle til enheten. Registerstørrelsen er b - bitdybde av koding. I det følgende vil vi også kalle denne størrelsen for kvantiseringsbitdybden. Måleresultatet er representert i registeret som et binært heltall.
Den målte fysiske mengden avrundes til nærmeste heltallsverdi, som kan lagres i lydkortregisteret.
På ris. Figur 11 viser hvordan dette skjer med tre-bits kvantisering av et analogt signal. I grafisk form Sampling og kvantisering av lyd kan representeres som en overgang fra en jevn kurve til en brutt linje bestående av horisontale og vertikale segmenter. Det antas at ved hvert tidstrinn forblir verdien av den målte mengden konstant.
Ris. 11. Måling av en variabel fysisk mengde
ved hjelp av et tre-bits register
Resultatene av en slik måling vil bli registrert i datamaskinens minne som en sekvens av tre-bits binære tall.
Volumet av innspilt lydinformasjon er lik:
3 x 9 = 27 biter.
Tre-bits sampling brukes faktisk ikke i praksis. Dette alternativet vurderes her kun som et undervisningseksempel. Minste størrelse Registeret for ekte enheter har 8 sifre. I dette tilfellet vil én målt verdi ta 1 byte dataminne, og antall kvantiseringsnivåer er 2 8 = 256. Målinger med et slikt register vil være 32 ganger mer nøyaktige enn med et tre-bits register. Med et 16-bits register vil hver verdi i minnet ta 2 byte, og antall kvantiseringsnivåer:
2 16 = 32 768. Jo høyere kvantiseringsbitdybden er, desto høyere er nøyaktigheten av målinger av en fysisk størrelse. Men samtidig øker også mengden oppsatt minne.
Den diskrete digitale representasjonen av et analogt signal reflekterer det mer nøyaktig, jo høyere samplingsfrekvens og kvantiseringsbitdybde.
Nyquist-Kotelnikov teorem. En person hører lydvibrasjoner omtrent i frekvensområdet fra 20 Hz til 20 kHz. Lyd med frekvenser over dette området kalles ultralyd, lyd med en lavere frekvens - infralyd. I kommunikasjonsteori er Nyquist-Kotelnikov-teoremet kjent, ifølge hvilken samplingsfrekvensen til ADC må være minst 2 ganger høyere enn frekvensen til det analoge signalet. Dette betyr at dersom vi ønsker å lagre 20 kHz lydinformasjon i binær kode, så må samplingsfrekvensen være minst 40 kHz. Den gjeldende digitale lydopptaksstandarden bruker en samplingsfrekvens på 44,1 kHz.
Følgende figurative analogi av denne teoremet kan gis. Maskestørrelsen på fiskenettet bestemmer størrelsen på fisken som skal holdes i den. Jo mindre maske, jo mindre fisk som holdes av garnet. Nyquist-Kotelnikov-teoremet, parafrasert på en fiskemåte, vil høres slik ut: lengden på siden av en firkantet celle i garnet skal være halvparten av tverrstørrelsen til den minste fisken som må fanges i garnene. For eksempel, hvis den tverrgående størrelsen på fisken skal være minst 10 cm, bør siden av kvadratmasken til fiskenettet ikke være mer enn 5 cm. Når du utfører ADC, er de "fangede" harmoniske lik fisk fanget i nettet; Samplingstrinnet ligner størrelsen på nettverkscellene. Overtoner vil bli diskutert mer detaljert i neste avsnitt.
Oppgave 1. Lyd ble spilt inn i datamaskinen i 10 sekunder. Bestem volumet av registrert informasjon hvis samplingsfrekvensen var 10 kHz og kvantiseringsbiten var 16 biter.
Antall målinger tatt av lydsignalet (N) ved samplingsfrekvensen H (Hz) for tiden t (s) beregnes med formelen: N = H t. Ved å erstatte problemdataene får vi: N = 10 000·10 = 100 000 målinger. Kvantiseringsbredde: 16 bits = 2 byte. Derav volumet av lydinformasjon:
I = 100 000 2 = 200 000 b = 200 000/1024 KB = 195,3125 KB
Oppgave 2. Filen lagrer den innspilte lyden. Dataene ble ikke komprimert. Filstørrelsen er 1 MB. Det er kjent at opptaket ble gjort med en frekvens på 22 kHz med en lydkvantiseringsdybde på 8 biter. Bestem spilletiden når du spiller av en lyd som er lagret i en fil.
Fra løsningen på det forrige problemet følger det at volumet av lydinformasjon (I), samplingsfrekvens (H), kvantiseringsbitdybde (b) og lydopptakstid (t) er relatert med formelen:
Hvis den innspilte lyden spilles av uten forvrengning, er avspillingstiden lik opptakstiden. Herfra vil den nødvendige verdien beregnes ved hjelp av formelen:
t = I/(Hb)
Når vi beregner, konverterer vi verdiene til I og b til byte, og verdien av H til hertz:
t = 1 1024 1024/(22 000 1) 47,66 s
Spørsmål og oppgaver
1. Nevn hovedstadiene i kodingsteknologi for analoge signaler av naturlig opprinnelse.
2. I hvilke enheter forekommer lyskoding?
3. Hva tekniske enheter brukes til lydkoding?
4. Definer begrepene: samplingsfrekvens, kvantiseringsbitdybde, kvantiseringsnivåer.
5. Bestem volumet digital kode ved opptak av lyd i 1 minutt, hvis samplingsfrekvensen var 44,1 Hz og kvantiseringsbiten var 8 bits.
6. Bestem samplingsfrekvensen ved koding av lyd, hvis volumet på lydfilen er 500 KB, er opptakstiden 0,5 minutter, og kvantiseringsbiten er 16 biter. Filen ble hentet etter 50 % komprimering av kildekoden.
§5. Numeriske eksperimenter på lydbehandling
Funksjonsgraf Y(x) er en visuell (grafisk) visning av avhengigheten av verdien til funksjonen Y på verdien av argumentet x. Grafen er konstruert innenfor definisjonsdomenet til funksjonen (domenet for endring i argumentet x) og verdiområdet til Y. Hvis en funksjon har et uendelig definisjonsdomene, så segmentet der oppførselen til funksjonen er mest karakteristisk er valgt for å konstruere grafen. Grafen til en periodisk funksjon må minimum gjenspeile én periode med endring i funksjonens verdier.
Eksperiment 1: Harmoniske oscillasjoner
La oss vurdere en metode for å konstruere en graf for en periodisk funksjon som beskriver harmoniske oscillasjoner. Harmoniske oscillasjoner er periodiske endringer over tid av en fysisk størrelse, beskrevet av sinus- eller cosinusfunksjoner. Generelt ser de slik ut:
Y = En synd(2 vt+ j) eller Y = A cos(2vt+ j)
Her er A amplituden til oscillasjonene; t - tid (funksjonsargument); v- oscillasjonsfrekvens, målt i hertz; j er startfasen av svingninger.
Perioden til funksjonene sin og cos er lik 2. Verdien av funksjonen (Y) varierer i området fra –A til +A. Grafen til sinusfunksjonen kalles en sinusbølge.
Lydvibrasjoner beskrevet av en harmonisk funksjon kalles harmoniske vibrasjoner. Rene musikalske toner: do, re, mi, etc. - representerer harmoniske lydvibrasjoner av forskjellige frekvenser. Harmoniske lydvibrasjoner produseres av en stemmegaffel, referansekilden til musikalsk tone. Harmoniske svingninger utføres av en matematisk pendel. I en elektrisk oscillerende krets endres strømstyrken periodisk i henhold til en harmonisk lov.
La oss se på en måte å plotte en harmonisk funksjon i et regnearkmiljø. La oss vise hvordan dette gjøres ved å bruke MS Excel-regnearkprosessoren som et eksempel.
Arbeidet foregår i to trinn:
1 - funksjonstabulering;
2 - plotte en funksjon.
Det resulterende regnearket vises i ris. 12.
Ris. 12. Tabell og graf over den harmoniske funksjonen.
Parametrene til funksjonen er oscillasjonsfrekvensen n og amplituden A. Disse parameterne legges inn henholdsvis i cellene C1 og C2. Verdien av startfasen j vil bli tatt lik null.
Tabulering er konstruksjonen av en tabell med funksjonsverdier på et visst intervall av argumentverdier med et konstant trinn. Tab-trinnet (t) er skrevet i celle G1.
Tabellen er plassert i cellene A4:B25. Kolonne A inneholder verdiene til argumentet - tid t, i kolonne B - funksjonsverdier Y=A sin(2 vt). Tidsendringen starter fra verdien t= 0 (celle A5). I celle A6 er formelen skrevet: =A5+$G$1. Denne formelen kopieres deretter til følgende celler i kolonne A. Dette sikrer at tiden endres med et konstant trinn, lagret i celle G1.
Formelen legges inn i celle B5:
=$C$2*SIN(2*PI()*$C$1*A5).
Denne formelen beregner verdien av funksjonen fra argumentet i celle A5. Standard funksjon PI() returnerer verdien av det pytagoreiske tallet p. Formelen i celle B5 kopieres ned i kolonnen til celle B25.
På ris. Figur 12 viser resultatene av tabulering av funksjonen for verdiene n = 10 Hz, A = 1. Tabuleringstrinnet er tatt lik 0,005. Ved en frekvens på 10 Hz er oscillasjonsperioden 1/10 = 0,1 s. Med et tabuleringstrinn på 0,005 passer 20 trinn inn i en periode. Dette er ganske tilstrekkelig antall verdier til å plotte en funksjonsgraf.
Bygge en graf. For grafisk behandling av data i en regnearkprosessor finnes det en veiviser for å lage diagrammer og grafer. Det kalles opp gjennom menyen ved hjelp av kommandoene: Sett inn - Diagrammer. De videre trinnene i algoritmen er som følger:
1 - velg diagramtype: standard - spot, utsikt - utjevning av linjer
2 - still inn dataområdet (funksjonsverdier): i kolonner - B5:B25; ROW-fane, verdier X: A5:A25
3 - definer tittelen: Y=A synd(2vt) ; bildetekster under aksene: t, Y; rutenett linjer; legende (nei); datasignaturer (nei).
4 - angi på hvilket ark av boken du skal merke diagrammet.
Klikk på FERDIG. Tidsplanen er opprettet.
Linjetykkelsen, bakgrunnsfargen og rutenetttypen kan konfigureres separat ved å bruke kontekstmenyen (høyre museknapp), innstilling nødvendige formater gjenstander.
En person hører lydvibrasjoner i gjennomsnitt i frekvensområdet fra 20 Hz til 20 kHz. Frekvensen på 10 Hz er frekvensen til infralyd. Noen dyr oppfatter det ved øret. Hvis du dobler frekvensen, vil den nedre frekvensgrensen for menneskelig hørbarhet nås. Men da vil to perioder med oscillasjon passe på et tidsintervall på 0,1 sekunder. Dette eksperimentet kan enkelt utføres ved hjelp av et innebygd regneark. Endre frekvensverdien i celle C1 til 20, hvoretter tabellen vil bli beregnet på nytt, og grafen vil ha formen vist i ris. 13.
Ris. 13. Graf over lydvibrasjoner for n = 20 Hz
I et tidsintervall på 0,1 sekunder ble 2 perioder av funksjonen oppfylt. Derfor er oscillasjonsperioden 0,05 sekunder.
Oppgaver. Gjør noen eksperimenter på regnearket for frekvensverdier: 5, 15, 30, 40 Hz. Bestem i hvert tilfelle hvor mange perioder med oscillasjon som passer innenfor et intervall på 0,1 sekunder.
Forsøk 2: ikke-harmoniske vibrasjoner
I grenen av matematikk kalt harmonisk analyse, er det bevist at enhver periodisk funksjon Y(t) med frekvens n kan representeres som en sum av harmoniske (sinusformede) funksjoner med frekvensene n, 2n, 3n, 4n... Slike termer kalles harmoniske, og representasjonen av en funksjon som summen av harmoniske kalles dens harmoniske ekspansjon:
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 , …. - innledende faser av harmoniske. Antall ledd for noen funksjoner kan være endelig, men det kan også være uendelig.
Eksempel. La oss konstruere en graf av en ikke-harmonisk periodisk funksjon, representert som summen av to harmoniske:
Y(t) = A 1 sin(2 v t ) + A 2 synd( 4v t )
De innledende fasene er null. La oss utføre beregninger for følgende parameterverdier: v= 20 Hz, A 1 = A 2 = 1. Som ovenfor vil vi utføre beregninger over en tidsperiode fra 0 til 0,1 sekunder, tabuleringstrinnet er 0,005.
For å få en verditabell, erstatt bare innholdet i celle B5 med følgende formel:
=$C$2*SIN(2*PI()*$C$1*A5)+$C$2*SIN(2*PI()*2*$C$1*A5)
Kopier deretter denne formelen ned i kolonne B.
Ris. 14. Graf over ikke-harmoniske svingninger
Den konstruerte grafen er presentert på ris. 14. Fra grafen er det tydelig at oscillasjonsperioden er 0,05 s, dvs. lik perioden for den første harmoniske. Den maksimale amplituden til oscillasjonene økte og ble omtrent 1,54.
1. Skaff en graf over svingninger som er forskjellig fra de som er vurdert i eksemplet ved at amplituden til den andre harmoniske er halvparten av den første: A 2 = A 1 /2.
2. Få en graf over svingninger som består av tre harmoniske med følgende parametere: A 1 = 1,
v n 1 = 20 Hz; A 2 = A 1 /2,v 2
= 2v 1 Hz; A 3 = A 2 /2,v 3
= 2v 2 Hz. De innledende fasene er null.
3. Få en graf over svingninger som består av to harmoniske med parametrene: A 1 = 1,v 1 = 20 Hz, j 1 = 0; A 2 = A 1,v 2 = 2v 1 Hz, j2 = p/2. Sammenlign den resulterende grafen med grafen på ris. 14. Hvordan påvirket faseforskyvningen mellom harmoniske amplituden til svingningene og perioden for svingningene?
Eksperiment 3: Lydsampling og kvantisering
Dette eksperimentet simulerer analog-til-digital konverteringsprosessen. ADC inkluderer signalsampling etter tid og kvantisering signalamplitudeverdier. Tidssampling bestemmes av verdien av samplingsfrekvensen H (Hz). Tidstrinnet mellom to målinger er 1/N sekunder.
Amplitudekvantiseringsprosessen bestemmes av: b. Antall kvantiseringsnivåer er 2 b . Kodene som bestemmer amplituden til lydsignalet er heltall i området fra 0 til 2 b – 1.
En modell avn, implementert i et regneark, er presentert i fig. 15. Et harmonisk signal med en frekvens på n = 20 Hz vurderes. Signalfrekvensverdien er lagret i celle C1. ADC-samplingsfrekvensen er H = 200 Hz (celle C2). Kvantiseringsdybde b = 8 biter (celle G2).
Kolonne A inneholder tidspunktene for signalmålinger når du utfører en ADC. I celle A5 - det første øyeblikket t = 0. Deretter øker tiden i trinn på 1/H s. I celle A6 er formelen skrevet: =A5+1/$C$2. Deretter kopieres denne formelen ned i kolonne A.
Amplitudeverdien til det analoge signalet beregnes ved hjelp av formelen:
Y = 0,5(1+sin(2 v t ))
Denne transformasjonen av sinusoiden flytter den til regionen med ikke-negative Y-verdier i området fra 0 til 1. Dette gjøres for å forenkle beskrivelsen av den videre kvantiseringsprosessen. Følgende formel legges inn i celle B5: =(1+SIN(2*PI()*$C$1*A5))/2. Denne formelen kopieres deretter ned i kolonne B.
Kolonne C inneholder målekoder for signalamplitude, representert som heltalls desimaltall. Når de skrives til datamaskinens minne, blir de oversatt til binært system Regning. Formelen er plassert i celle C5: =INTEGER(B5*2^$G$2) . Betydningen er som følger: siden Y ligger i området fra 0 til 1, vil verdien av uttrykket være lik heltall i området fra 0 til 2 b. Her firkantede parenteser betegne valget av en heltallsdel av et tall.
Når du konstruerer et "Signal Coding"-diagram, bør du velge "Histogram"-typen. Diskret utsikt histogrammer gjenspeiler tydelig kodens diskrete natur. Tabellen er bygget basert på 21 signalmålinger. For disse verdiene av n og H var det mulig å måle to perioder med signaloscillasjoner.
Når du endrer tre modellparametere: v, Í og b - tabellen vil automatisk bli beregnet på nytt. Hvis du for eksempel øker samplingsfrekvensen med 2 ganger, dvs. satt i en celle C2 er tallet 400, så får vi grafene presentert i ris. 16.
Ris. 15. Harmoniske analoge signal- og kvantiseringsresultater.
Ris. 16. ADC med samplingsfrekvens 400 Hz
Målingene ble gjort over én svingeperiode. Den diskrete koden beskriver nå den oscillerende prosessen mer detaljert.
Ris. 17. ADC med 16-bits kvantiseringsdybde
og samplingsfrekvens 400 Hz
Kvantiseringshistogram på ris. 17 ble oppnådd for b = 16. Det kan sees at rekkevidden av kodeverdier har økt. Følgelig gir koding mer nøyaktig informasjon om signalstørrelsen enn med b = 8.
1. Utfør beregninger med følgende parameterverdier:
v= 20 Hz, H = 100 Hz, b = 8 bits. Sammenlign med resultatene på ris. 15. Trekk konklusjoner.
2. Gjennomfør numeriske eksperimenter på koding av ikke-harmoniske svingninger. Ta funksjonene som beskriver ikke-harmoniske svingninger fra oppgavene til eksperiment nr. 2.
3*. Fra Nyquist-Kotelnikov-teoremet følger det at for å rekonstruere harmoniske oscillasjoner med frekvens n ved bruk av en diskret kode, må samplingsfrekvensen ikke være mindre enn 2 v, dvs. følgende vilkår må være oppfylt: H 2v. Prøv å teste dette teoremet på vår modell. Prøv å forklare resultatene dine.
4. Skriv et program i Pascal som simulerer kodingsprosessen til et analogt signal (uten grafikk). Programmet skal reprodusere tabellene som ble hentet ovenfor i tabellprosessormiljøet.
§6. Binær kodekomprimering
All informasjon på en datamaskin er representert i form av binær kode. Jo større volumet denne koden har, jo mer minneplass tar den opp, og jo mer tid tar det å overføre den over kommunikasjonskanaler. Alt dette påvirker datamaskinens ytelse, om effektiviteten ved bruk av datanettverk.
Datavolumreduksjon skjer ved binær kodekomprimering. Det er to mulige kompresjonssituasjoner:
1) tap av informasjon som følge av komprimering er uakseptabelt;
2) delvis tap av informasjon som følge av komprimering er akseptabelt.
I det første tilfellet kompresjon, eller pakke, produseres data kun for midlertidig lagring på media eller overføring via kommunikasjonskanaler. For å jobbe med disse dataene trenger du dem utpakking, dvs. reduksjon til den opprinnelige formen. I dette tilfellet bør ikke en eneste bit gå tapt. For eksempel, hvis tekst er komprimert, skal ikke et eneste tegn i den forvrenges etter dekomprimering. Det komprimerte programmet må også gjenopprettes fullstendig, siden den minste forvrengning vil gjøre det ubrukelig. Tapsfri komprimering brukes ofte når du lager og filarkiver.
Pakking med delvis tap av informasjon utføres ved å komprimere bilde (grafikk, video) og lydkode. Denne muligheten er assosiert med de subjektive evnene til menneskelig syn og hørsel.
Forskning fra forskere har vist at synet vårt påvirkes mer betydelig av lysstyrken til et bildepunkt (piksel) enn dets fargeegenskaper. Derfor kan volumet av videokode reduseres ved å lagre fargekoder ikke for hver piksel, men etter én, to osv. rasterpiksler. Jo større gapene er, desto mer komprimeres videodataene, men bildekvaliteten blir dårligere.
Ved koding av videofilmer - dynamiske bilder, tas det hensyn til synsegenskapen. Rask bevegelige deler av en film kan kodes i mindre detalj enn statiske bilder.
Den vanskeligste koden å komprimere er lydkoden. Med god opptakskvalitet er det ukomprimerte volumet veldig stort, og redundansen er relativt liten. De psykofysiologiske egenskapene til menneskelig hørsel brukes også her. Den tar hensyn til hvilke harmoniske av naturlig lyd hørselen vår er mer mottakelig for og hvilke som er mindre følsomme. Svake oppfattede harmoniske filtreres ut gjennom matematisk prosessering. Kompresjon forenkles også ved å ta hensyn til det ikke-lineære forholdet mellom amplituden til lydvibrasjoner og ørets oppfatning av lydvolum.
Ulike bilde- og lydkomprimeringsalgoritmer brukes til å implementere forskjellige formater for presentasjon av grafikk, video og lyd. Dette vil bli nærmere omtalt i avsnittet om informasjonsteknologi.
Emballasje uten tap av informasjon. Det er to tilnærminger til å løse problemet med å komprimere informasjon uten å miste den. Den første tilnærmingen er basert på bruken av en ujevn symbolsk kode. Den andre tilnærmingen er basert på ideen om å identifisere dupliserte kodefragmenter.
La oss vurdere hvordan du implementerer den første tilnærmingen. I en åtte-bits tegnkodingstabell (som KOI-8) er hvert tegn kodet i åtte biter og opptar derfor 1 byte i minnet. I avsnitt 1.2.3 i læreboken vår ble det sagt at hyppigheten av forekomst av forskjellige bokstaver (tegn) i teksten er forskjellig. Det ble også vist der at informasjonsvekten til symboler er større jo lavere forekomstfrekvensen er. Ideen om å komprimere tekst til datamaskinens minne: Unngå å kode alle tegn med samme lengdekoder. Symboler med mindre informasjonsvekt, dvs. ofte forekommende tegn bør kodes med en kortere kode sammenlignet med sjeldnere forekommende tegn. Med denne tilnærmingen kan du redusere mengden total tekstkode betydelig og følgelig plassen den opptar i datamaskinens minne.
Vi har allerede sett på morsekode, som bruker prinsippet ujevn kode. Hvis en prikk er kodet med en null og en strek med en ener, vil det være en binær kode. Riktignok er det et problem med å skille bokstaver fra hverandre. I en telegrafmelding løses det ved hjelp av en pause – faktisk det tredje tegnet i morsekode.
En av de enkleste, men svært effektive måtene å konstruere en binær ikke-uniform kode som ikke krever en spesiell skilletegn er D. A. Huffman-algoritmen (D. A. Huffman, 1952). En variant av Huffman-kodetabellen brukt på store bokstaver Det latinske alfabetet er gitt i tabellen. 5.
I denne tabellen er bokstavene ordnet i synkende rekkefølge etter gjentakelsesfrekvens i teksten. Bokstavene E og T, de mest brukte i tekster, har koder på 3 bits i størrelse. Og de sjeldneste bokstavene Q og Z er 10 biter. Hvordan større størrelse av tekst som er kodet med en slik kode, desto mindre er informasjonsvolumet sammenlignet med volumet når du bruker en enkeltbyte-koding.
En spesiell egenskap ved denne koden er dens såkalte prefiks struktur. Dette betyr at koden til et hvilket som helst tegn ikke sammenfaller med begynnelsen av koden til alle andre tegn. For eksempel er koden for bokstaven E 100. Se på tabellen. 5. Det er ingen annen kode som begynner med disse tre tegnene. Basert på denne funksjonen skilles tegnene fra hverandre algoritmisk.
Eksempel 1. Bruk Huffman-kode til å kode følgende tekst, bestående av 29 tegn:
WENEEDMERSNOWFORBETTERSKIING
Bruker tabell 5, kode 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
Etter å ha plassert denne koden i minnet, byte for byte, vil den ha formen:
01110110 01100100 10011011 00011111 01011100 01101100 11100111 01010011 11010110 11100100 00100110 01011011 01101000 11101010 10110000 001
I heksadesimal form vil det bli skrevet slik:
76 64 9B 1F 5C 6C E7 53 D6 E4 26 5B 68 EA B0 20.
Dermed vil tekst som tar opp 29 byte i ASCII-koding ta 16 byte i Huffman-koding. Komprimeringsforholdet er forholdet mellom kodestørrelsen i byte etter komprimering og størrelsen før komprimering (dvs. i 8-biters koding). I i dette eksemplet Kompresjonsforholdet viste seg å være 16/29 0,55.
Avkoding (utpakking) av teksten gjøres vha binær tre Huffman-koding. Grafisk bilde Huffman-tre som tilsvarer tabellen. 5, vist i fig. 18. Et tre kalles binært hvis det ikke kommer mer enn to grener ut av hvert toppunkt.
Bladene på dette treet, som ligger i enden av grenene, er symboler på alfabetet. Symbolkoden er dannet av en sekvens av binære sifre plassert på banen fra roten av treet til bladsymbolet.
Utpakking av teksten skjer ved å skanne den binære koden fra venstre til høyre, med start fra det første sifferet, og bevege seg fra roten langs de tilsvarende (som har samme binære kode) grenene til treet til en bokstav nås. Etter å ha valgt en bokstav i koden, begynner prosessen med å dekode neste bokstav igjen fra roten til det binære treet.
Eksempel 2. Dekod følgende binære kode oppnådd ved hjelp av Huffman-algoritmen (koden er delt inn i byte med mellomrom):
01010001 00100101 00100011 11111100
Når vi beveger oss langs Huffman-treet, starter fra det første sifferet til venstre, får vi følgende dekoding:
Resultatet er ordet HUFFMAN. Den pakkede koden tok 4 byte, kilde -
7 byte. Derfor var kompresjonsforholdet 4/7 0,57.
tre på ris. 18 representerer en forkortet versjon av Huffman-koden. Det må fullt ut ta hensyn til alle mulige tegn som finnes i teksten: mellomrom, skilletegn, parenteser, etc.
I programmer som komprimerer tekst, bygges en tabell over symbolfrekvens for hver behandlet tekst, og deretter genereres koder med forskjellig lengde, for eksempel Huffman-koder. I dette tilfellet blir tekstkomprimering enda mer effektiv, siden kodingen er justert spesifikt til den gitte teksten. I programmeringsteori kalles algoritmer som finner den optimale løsningen for hver spesifikke variant av et problem grådige algoritmer.
Til metoder kompresjon ved å ta hensyn til antall repetisjoner kodefragmenter inkluderer RLE-algoritmen og Lempel-Ziv-algoritmene. RLE-algoritmen identifiserer grupper av påfølgende identiske enkeltbytekoder. Hver slik gruppe erstattes av to byte: den første indikerer antall repetisjoner (ikke mer enn 127), den andre indikerer den repeterende byten. På grunn av sin enkelhet fungerer denne algoritmen ganske raskt. Den er mest effektiv når den er komprimert grafisk informasjon, som inneholder store områder med jevn skyggelegging.
Lempel-Ziv-algoritmene (LZ77, LZ78) oppdager repeterende sekvenser av byte. De kan betinget kalles ord. Hvis det under sekvensiell visning av dataene oppdages et ord som allerede har blitt møtt før, dannes det en referanse til det i form av en forskyvning tilbake i forhold til den nåværende posisjonen og lengden til ordet i byte. Programvareimplementering av slike algoritmer er mer komplisert enn for RLE-metoden. Men kompresjonseffekten er mye høyere.
Vi kommer tilbake til informasjonskodingsmetoder senere når vi vurderer teknikker for å beskytte data gjennom kryptering.
Spørsmål og oppgaver
1. I hvilke tilfeller kan delvis tap av informasjon tillates under datakomprimering, og i hvilke tilfeller bør det ikke tillates?
2. Hvordan lar koder med variabel lengde deg "komprimere" tekst?
3. Kod inn følgende tekst ved å bruke Huffman-koder:
GODT NYTT ÅR. Beregn kompresjonsforholdet.
4. Dekrypter følgende kode ved å bruke Huffman binærtre:
11110111 10111100 00011100 00101100 10010011
01110100 11001111 11101101 001100
5. Hva er tanken bak RLE-kompresjonsalgoritmen? Hvilken type informasjon er best komprimert av denne algoritmen?
6. Hva er ideen med Lempel-Ziv-komprimeringsalgoritmen?
7. Hvilke egenskaper ved menneskelig syn og hørsel brukes til å komprimere grafisk og lydinformasjon?
For mer informasjon om komprimeringsalgoritmer, se: Andreeva E.V., Bosova L.L., Falina I.N. Matematisk grunnlag for informatikk. M.: BINOM. Kunnskapslaboratoriet, 2007.
Forelesning 4. Nettverkskommunikasjonsmetoder.
Nettverkskommunikasjonsmetoder
Signaler
Som nevnt før er det mange måter fysisk skapelse og signaloverføring, elektriske pulser kan reise gjennom kobbertråd, lyspulser kan reise gjennom glass eller plastfiber, radiosignaler kan reise gjennom luften, og laserpulser kan også bevege seg i det infrarøde eller synlige området. Konvertering av enere og nuller som representerer data i en datamaskin til energipulser, kalt koding (modulasjon).
I likhet med klassifiseringen av datanettverk, kan signaler klassifiseres basert på deres ulike egenskaper. Signalene er som følger:
analog og digital,
modulert og modulert,
synkron og asynkron,
simpleks, halv dupleks, full dupleks og multipleks
Analoge og digitale signaler
Avhengig av formen på elektrisk spenning (som kan sees på oscilloskopskjermen), deles signaler inn i analoge og digitale. Mest sannsynlig er du allerede kjent med disse begrepene, siden de ganske ofte finnes i dokumentasjonen til diverse elektronisk utstyr , som båndopptakere, fjernsyn, telefoner og så videre.
På en måte representerer analogt utstyr den utgående epoken av elektronisk teknologi, og digitalt utstyr representerer den nyeste epoken som erstatter den. Imidlertid bør det huskes at en type signal ikke kan være bedre enn en annen. Hver av dem har sine egne fordeler og ulemper, så vel som sine egne bruksområder. Selv om digitale signaler blir stadig mer brukt, vil de aldri erstatte analoge signaler.
Analoge signalparametre
Analoge signaler endres jevnt og kontinuerlig over tid, slik at de kan representeres grafisk som en jevn kurve (fig. 4.1).
I naturen er de aller fleste prosessene fundamentalt analoge. For eksempel er lyd en endring i lufttrykket som kan konverteres til elektrisk spenning ved hjelp av en mikrofon. Ved å bruke denne spenningen til inngangen til oscilloskopet, kan du se en graf som ligner på den som er vist i fig. 4.1, dvs. Du kan se hvordan lufttrykket endres over tid.
For å visualisere analog informasjon klarere, tenk på det tradisjonelle speedometeret i en bil. Når bilens hastighet øker, beveger nålen seg jevnt langs skalaen fra ett tall til et annet. Et annet eksempel er å stille inn en stasjon i en radiomottaker: når du dreier på knappen, endres den mottatte frekvensen jevnt.
De fleste analoge signaler er sykliske, eller periodiske, i naturen, for eksempel radiobølger, som er høyfrekvente oscillasjoner av et elektromagnetisk felt. Slike sykliske analoge signaler er vanligvis preget av tre parametere.
Amplitude. Maksimum eller minimum verdi av signalet, dvs. bølgehøyde.
Frekvens. Antallet sykliske signalendringer per sekund. Frekvens måles i Hertz (Hz); 1 Hz er en syklus per sekund.
Fase. Posisjonen til en bølge i forhold til en annen bølge eller i forhold til et tidspunkt som fungerer som et referansepunkt. Fasen måles vanligvis i grader, og det antas at en full syklus er lik 360 grader.
Digitale signalparametre
Et annet navn på digitale signaler er diskrete Begrepet diskrete tilstander brukes ganske ofte Digitale signaler endres fra en diskret tilstand til en annen nesten øyeblikkelig, uten å stoppe i mellomtilstander (fig. 4.2).
Et eksempel på et digitalt signal kan være det nyeste digitale speedometeret i en bil (sammenlign med eksempelet på et analogt speedometer i forrige avsnitt). Når kjøretøyets hastighet øker, skifter tallene som indikerer hastighetsverdien i kilometer i timen med jevne mellomrom, og signalverdien er fundamentalt diskret: for eksempel er det ingen mellomverdier mellom de diskrete tilstandene "125 km/t" og "126 km/t». Et annet eksempel på digital informasjon er den nyeste radioen, der brukeren legger inn et eksakt tall som tilsvarer frekvensen til radiostasjonen for å stille inn på en bestemt stasjon.
Sammenligning av analoge og digitale signaler
Datamaskiner er digitale maskiner. Informasjonen de behandler er representert med nuller og enere. Et binært siffer er enten 0 eller 1, med ingenting mellom eller utenfor dem. På grunn av denne klarheten er digitale signaler svært nyttige for å representere og overføre datadata, og det er derfor de brukes i de aller fleste nettverk.
På grunn av teknologiens enkelhet har digitale signaler en rekke fordeler:
Digitalt utstyr er generelt billigere enn analogt utstyr.
Digitale signaler er mindre utsatt for forstyrrelser.
Analoge signaler har imidlertid også noen fordeler:
De er enkle å multipleksere, dvs. overføre et stort antall signaler over én kanal.
De er mindre utsatt for dempning (svekkelsen av signalet med økende avstand), så med samme kraft som senderenheten kan de overføres over en større avstand.
Generelt er både analoge og digitale signaler nyttige. Men i datanettverk tillater digitale signaler høyere nivåer av sikkerhet, gjennomstrømning og pålitelighet. I tillegg er digitale linjer mye mindre utsatt for feil enn analoge linjer.
Lokale nettverk er nesten alltid basert på overføring av digitale signaler via kabel. Analoge signaler brukes i noen wide area-nettverk.
Modulerte og umodulerte signaler
Et viktig kjennetegn ved overføringsmetoden er kanalkapasiteten, som er direkte relatert til signalmodulasjon. Et digitalt signal kalles umodulert hvis overganger fra en diskret tilstand til en annen representerer spenningsstøt i en kabel eller et annet medium. Samtidig, i et modulert signal, er overgangen mellom diskrete tilstander en endring i amplituden til det såkalte bæresignalet, som er høyfrekvente spenningsfluktuasjoner.
Det umodulerte signalet opptar hele kommunikasjonskanalen. Utenom det kan ingenting annet overføres over kommunikasjonskanalen. Et eksempel på umodulerte signaler er signalene i en Ethernet-kabel.
Ved bruk av modulasjon kan flere digitale signaler ved forskjellige bærefrekvenser sendes over én kanal. I tillegg kan ikke bare digitale, men også analoge signaler overføres ved forskjellige bærefrekvenser. Et eksempel kan være et kabel-TV-system der én kabel betjener dusinvis av TV-kanaler, som hver har forskjellige overføringer.
Umodulerte signaler
Umodulerte signaler er ganske enkle: bare ett signal sendes langs kabelen om gangen. Et umodulert signal er oftest et digitalt signal, selv om det også kan være analogt.
Data- og kommunikasjonsteknologi bruker primært umodulerte digitale signaler. For eksempel utveksler en datamaskin modulerte digitale signaler med skjermer, skrivere, tastaturer osv. Et eksempel på bruk av modulerte digitale signaler er ISDN-systemet (Integrated Services Digital Network), der mange signaler overføres på separate kanaler over en enkelt kabel. Umodulerte signaler kan overføres i to retninger, dvs. I hver ende av kabelen kan du installere både en sender og en mottaker som opererer samtidig.
Modulerte signaler
Ved å bruke modulerte signaler er det mulig å organisere flere kommunikasjonskanaler over en kabel, og hver kommunikasjonskanal kan operere på sin egen bærefrekvens uten å forstyrre andre kanaler.
Modulerte signaler er ensrettet. Dette betyr at signalet bare sendes i én retning: en sender er installert i den ene enden av kabelen, og en mottaker er installert i den andre. Imidlertid kan flere kanaler i forskjellige retninger operere samtidig på en kabel.
I tillegg til kabel-tv, brukes modulerte signaler i DSL-systemet (Digital Subscriber Line), der data og tale overføres samtidig over samme linje, eventuelt via satellitt- eller radiobølger.
Multipleksingsmetoder brukes til å plassere flere kommunikasjonskanaler på en linje.
Multipleksing
Multipleksing er samtidig overføring av mange signaler over en linje. På mottakersiden blir de multipleksede signalene gjenopprettet, dvs. er skilt fra hverandre. La oss gå tilbake til kabel-TV-eksemplet. TV-en har en innebygd signaldekoder som velger én kanal og forkaster resten. Takket være dette kan seeren velge ønsket program.
Mange litteraturkilder snakker om multipleksingsmetoder kun i forhold til analoge signaler, men digitale signaler kan også multiplekses. Følgende grunnleggende multipleksingsmetoder brukes:
frekvensdelingsmetode (FDM);
tidsinndeling av kanaler (Time Division Method - TDM);
ved høydensitetsbølgelengde (Dense Wavelength Division Multiplexing - DWDM).
Frekvensinndeling
Med frekvensseparasjon av kanaler som opptar samme linje, opererer hver kanal på sin egen frekvens (fig. 4.3). Vanligvis multiplekses analoge signaler ved å bruke denne metoden. For å muliggjøre toveiskommunikasjon med frekvensdeling, er det nødvendig å installere både en multiplekser og en demultiplekser på hver side.
Tidsinndeling av kanaler
Vanligvis brukes denne metoden til å multiplekse digitale signaler. Med tidsinndeling tildeles hver kanal sine egne tidsintervaller. I mottakerenden separeres signalene fra forskjellige kanaler med en demultiplekser (fig. 4.4).
Høy tetthet bølgelengde multipleksing
Denne multipleksingsmetoden brukes til å overføre signaler over fiberoptiske kabler. Signalene til hver kanal overføres av en lysstråle med sin egen bølgelengde. Fysisk faller denne metoden sammen med frekvensdeling av kanaler, siden bølgelengden til en lysstråle er unikt relatert til dens frekvens. Imidlertid er forskjellene i maskinvareimplementeringer av disse metodene så store at de fortsatt betraktes som separate metoder. Som vist i fig. 4.5 kan forskjellige data overføres samtidig over en optisk fiber, ved hjelp av forskjellige metoder (for eksempel SONET og ATM).
Asynkron og synkron overføring
Dataene som er innebygd i et digitalt signal er faktisk representert av endringer i diskrete signaltilstander. Vi kan gjenopprette våre opprinnelige nuller og enere ved å måle spenningen med et voltmeter på bestemte tidspunkter. Du må imidlertid vite nøyaktig på hvilke tidspunkt målingene skal tas. Synkronisering, dvs. Tidskoordinering innen kommunikasjonsteknologi er ikke mindre viktig enn på alle andre områder av livet vårt.
I nettverksteknologier kalles slik tidskoordinering bitsynkronisering. Elektroniske enheter synkroniserer individuelle biter ved å bruke asynkrone eller synkrone metoder.
Asynkron overføring
Denne metoden bruker en startbit plassert i begynnelsen av hver melding for synkronisering. Når startbiten når mottakerenheten, synkroniserer den i det øyeblikket sin interne klokke med klokken til senderenheten.
Synkron overføring
Ved synkron overføring koordineres de interne klokkene til sende- og mottaksenhetene av innebygde mekanismer. For eksempel kan tidsinformasjon være innebygd i datasignaler. Denne metoden kalles synkronisering med garanterte tilstandsendringer. Blant synkrone metoder er dette den vanligste.
En annen synkron metode er synkronisering ved hjelp av et eget tidssignal, hvor tidsinformasjon overføres mellom sender og mottaker på en egen kanal. En annen synkron metode er gating. I dette tilfellet utføres synkronisering ved hjelp av spesielle strobe-pulser.
Enkelte, halv-dupleks og full-dupleks overføringsmetoder
Kanalene som datasignaler overføres gjennom kan operere i en av tre moduser: simpleks, halv-dupleks og full-dupleks. Disse metodene er forskjellige i retningene signalene sendes i.
Enkel overføring
Som navnet antyder, er dette den enkleste overføringsmetoden. Det kalles noen ganger enveis fordi signaler går i bare én retning, som biler på en enveiskjørt gate (Figur 4.6).
Et eksempel på simplekskommunikasjon er TV. Data (TV-programmer) overføres til TV-en. Ingen signaler overføres fra TV-en tilbake til studioet eller kabelselskapet. Derfor inkluderer TV-en kun en signalmottaker, men ikke en sender.
For tiden blir interaktive TV-systemer stadig mer utbredt, slik at signaler kan overføres ikke bare fra studio til TV, men også i motsatt retning. Imidlertid støtter de fleste kabelselskaper fortsatt bare simpleksoverføring. Dette skapte et alvorlig problem med fremkomsten av Internett. Det eksisterende kabelsystemet var kun i stand til å overføre data i én retning, til brukeren.
Denne feilen gjør det for eksempel umulig for en bruker å få tilgang til websider, fordi brukerens nettleser må sende sin forespørsel til nettstedet. Kabelselskaper tilbyr to måter å løse dette problemet på:
overføre brukerforespørsler (som alltid er mye kortere enn nettsider) over telefonlinjer, og websider - via TV-kabler;
installere nytt kabelutstyr med toveis overføring.
De fleste bedrifter brukte den første metoden som et midlertidig alternativ til den andre, mer avanserte. Hvis du forlater kabeloverføringssystemet simplex, vil brukeren bare måtte bære kostnadene ved å kjøpe kabel- og telefonmodem (med sistnevntes gjennomstrømning på ikke mer enn 56 Kbps.) I dette tilfellet, ressursene til høyhastighetskabelen kanalen vil bli brukt fullt ut.
Mange kabelselskaper oppgraderer raskt utstyret sitt for å støtte toveiskommunikasjon, mens andre fortsatt bare gir enveis Internett-data over TV-kabel. I disse områdene er kundene tvunget til å bruke både kabel- og analogmodem koblet til telefonlinjen.
Halv dupleks overføring
Sammenlignet med simpleks er fordelene med halv-dupleks overføring åpenbare: signaler kan overføres i begge retninger. Dessverre er imidlertid ikke denne veien bred nok til at signaler passerer i begge retninger samtidig. I halv-dupleksmetoden sendes signaler kun i én retning til enhver tid (fig. 4.7).
Halvdupleksmetoden brukes i mange radiokommunikasjonssystemer, for eksempel kommunikasjon med politibiler. I disse systemene, mens mikrofonknappen er trykket, kan du snakke, men du kan ikke høre noe. Hvis brukere trykker på mikrofonknappene i begge ender samtidig, vil ingen av dem høre noe.
Dupleks overføring
Driften av et dupleks kommunikasjonssystem ligner på en toveis gate: biler kan bevege seg i begge retninger samtidig (Figur 4.8).
Et eksempel på duplekskommunikasjon er det vanlige telefonsamtale. Begge abonnentene kan snakke samtidig, og hver av dem hører hva den andre sier i den andre enden av linjen (selv om det ikke alltid er mulig å skjønne hva som ble sagt).
Problemer som oppstår under signaloverføring
Signalene som datamaskiner kommuniserer gjennom er underlagt ulike forstyrrelser og begrensninger. Ulike kabeltyper og overføringsmetoder har ulik følsomhet for interferens.
Elektromagnetisk interferens
Elektromagnetisk interferens er inntrenging av et eksternt elektromagnetisk signal som forstyrrer formen til det ønskede signalet. Når ekstern støy legges til det ønskede signalet, kan den mottakende datamaskinen ikke tolke signalet riktig.
Tenk deg at du kjører i en bil ved siden av en kraftig industriinstallasjon og hører på radio samtidig. Et tydelig og leselig signal dekkes plutselig av støy og knitring. Dette skjer fordi radiostasjonens signal er supplert med sterke signaler generert av en installasjon som er plassert nærmere enn radiostasjonen. Dette er grunnen til at elektromagnetisk interferens noen ganger kalles støy.
Ganske ofte kommer forstyrrelser fra en ukjent kilde. Det er mange enheter der elektriske signaler ikke utfører informasjonsfunksjoner, men er et biprodukt av ulike produksjonsprosesser. Interferensen de skaper kan spre seg over avstander på opptil flere kilometer.
Elektromagnetisk interferens forårsaker problemer ikke bare i datakommunikasjonsteknologi. I byer er det mange enheter som sender og mottar elektromagnetiske signaler: mobiltelefoner, radiokommunikasjon, fjernsynssendere og mottakere. Elektromagnetisk interferens kan forårsake mange problemer, for eksempel dårlige TV-bilder, flyulykker på grunn av kommunikasjonssvikt med ekspeditøren, død av en pasient på grunn av funksjonsfeil i medisinsk utstyr, etc. Det er også langsiktige bivirkninger av elektromagnetisk stråling, for eksempel kan kreft eller leukemi være forårsaket av langvarig eksponering for kraftig kilde elektromagnetiske felt.
Innen kommunikasjonsteknologi er uskjermede kobbertråder spesielt følsomme for elektromagnetisk interferens. Den ytre metallmantelen til koaksialkabler beskytter dem sterkt mot forstyrrelser. Den samme funksjonen utføres av metallskallet til det skjermede tvunnede paret. Uskjermet tvunnet parkabel er ganske utsatt for interferens. Fiberoptiske kabler er fullstendig ufølsomme for elektromagnetisk interferens fordi signalene i dem ikke er elektriske impulser, men en lysstråle. Derfor, under forhold med sterk elektromagnetisk interferens, fungerer fiberoptiske kommunikasjonskanaler best.
Radiofrekvensinterferens
Radiofrekvensinterferens er forårsaket av signaler fra radiosendere og andre enheter som genererer signaler ved radiofrekvenser. Disse inkluderer også dataprosessorer og skjermer. Radiofrekvens anses å være elektromagnetisk stråling ved frekvenser fra 10 KHz til 100 GHz. Stråling ved frekvenser fra 2 til 10 GHz kalles også mikrobølgestråling.
Påvirkningen av radiofrekvensinterferens elimineres ved å bruke støyfiltre som brukes i ulike typer nettverk.
Crosstalk
Denne typen interferens inkluderer signaler fra ledninger plassert i en avstand på flere millimeter fra hverandre. Elektrisk strøm som flyter gjennom en ledning skaper et elektromagnetisk felt, som genererer signaler i en annen ledning som ligger i nærheten. Ganske ofte, når du snakker i telefon, kan du høre andres dempet samtaler. Årsaken til dette er krysstale.
Crosstalk reduseres kraftig ved å tvinne de to ledningene sammen, slik det gjøres med tvunnet par kabler. Jo flere svinger det er per lengdeenhet, jo mindre påvirkning av interferens. Bruken av fiberoptisk kabel eliminerer dette problemet fullstendig. Du kan plassere så mange optiske fibre du vil inne i ett skall, og de vil ikke forstyrre hverandre, fordi signalene i dem ikke er elektriske impulser, men lysstråler.
Signaldemping
Når elektriske signaler passerer gjennom kabelen, blir de svakere. Jo større avstand til kilden, jo svakere er signalet. Det er ikke vanskelig å forestille seg dette ved å forestille seg at du prøver å si noe til en person som er et stykke unna deg. Hvis han er 5 meter unna, så vil han høre stemmen din (signal) tydelig og høyt, men er han 50 meter unna vil han ha vanskeligheter med å forstå hva du roper til ham om. Denne svekkelsen av signalet med avstand kalles signaldempning.
Dempning er grunnen til at ulike nespesifiserer en grense for kabellengde. Hvis denne begrensningen overholdes, vil ikke dempningseffekten påvirke den normale driften av kommunikasjonskanalen.
Når frekvensen øker, øker dempningen fordi jo høyere frekvensen til signalet er, desto mer intens blir spredningen av dens elektromagnetiske energi til det omkringliggende rommet. Når frekvensen øker, blir selve ledningen fra en signalbærer til en antenne, og sprer energien ut i rommet.
Signaler i en fiberoptisk kabel er også utsatt for demping. De to hovedårsakene er absorpsjon av lysstrålen av urenheter i glasset og spredning av strålen på grunn av små endringer i den optiske tettheten til glasset som dannes under produksjonen. Imidlertid kan fiberoptiske kabler overføre et signal over en mye større avstand enn kobberkabler uten å redusere kraften til uakseptable nivåer.
Båndbredde
Kommunikasjonsbåndbredde måles vanligvis i megabit per sekund (Mbps). Båndbredden påvirkes av rekkevidden til signalet, typen medium og avstanden signalet sendes over.
Begrepene høy og lav gjennomstrømning er veldig relative. For eksempel virker lOBaseT Ethernet-gjennomstrømningen på 10 Mbps veldig høy sammenlignet med gjennomstrømningen til et telefonmodem (50 Kbps), samtidig som den virker dystert lav sammenlignet med Gigabit Ethernet (1 Gbps) eller høyhastighets wide area-nettverk tilkoblinger som SONET og ATM.
Et viktig kriterium ved valg av kabeltype og nettverksarkitektur er nødvendig (både nå og i fremtiden) båndbredde.
Nettverksvekstplanlegging
På nettverksplanleggingsstadiet er det nødvendig å huske at båndbredde er en ressurs som alltid er utilstrekkelig. Innkjøp av utstyr med høyere gjennomstrømming enn det er behov for i dag god investering kapital: tilleggskostnader vil definitivt betale seg.
Datamaskin og kommunikasjonsteknologier utvikler seg i et raskt tempo. På 1980-tallet hadde typiske WAN-koblinger en kapasitet på 10 Kbps, og lokale nettverk hadde en kapasitet på 2,5 Mbps. Den gang var det ingen som forestilte seg at det en dag ville være nødvendig å overføre noe med en hastighet høyere enn 100 Mbit/s. Tross alt gjorde teknologier som videokonferanser, taleoverføring eller overføring av store filer som nå er utbredt. ikke eksisterer ennå.
Å legge en kabel med økt båndbredde er mye enklere og billigere enn å bytte ut kabelen med en ny. La oss si at du installerer et 10BaseT-nettverk, som det er tilstrekkelig med en Kategori 3-kabel med en båndbredde på 10 Mbit/s. Ved å kjøpe en kategori 3-kabel i stedet for en kategori 5-kabel sparer du noen få dollar. Men om noen år, når du trenger å oppgradere nettverket til 100 Mbps (og dette vil nesten helt sikkert skje), må du bytte ut alle kablene. Dette vil koste betydelig mer enn om du kjøpte og installerte Kategori 5-kabel direkte.
Nettverkstilgangsmetoder
Det finnes flere forskjellige tilgangsmetoder som passer til forskjellige nettverksarkitekturer og topologier. De mest brukte metodene er:
passerer markøren (relétilgang);
be om prioriteringer.
CSMA/CD-metoden
For øyeblikket er den vanligste metoden for LAN-tilgangskontroll CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection). Populariteten til CSMA/CD-metoden skyldes i stor grad at den brukes i den for tiden mest vanlige Ethernet-arkitekturen.
Dette er en veldig rask og effektiv metode for å gi tilgang til en Ethernet-kabel. For å forstå hvordan det fungerer, la oss se på fragmentene av navnet separat.
Mediekontroll. Når en datamaskin er i ferd med å overføre data til et nettverk ved hjelp av CSMA/CD-metoden, må den først sjekke om en annen datamaskin sender sine data over samme kabel samtidig. Med andre ord, sjekk statusen til mediet: om det er opptatt med å overføre andre data.
Flere tilgang. Dette betyr at flere datamaskiner kan begynne å overføre data til nettverket samtidig.
Konfliktdeteksjon. Dette hovedoppgaven CSMA/CD-metoden. Når datamaskinen er klar til å sende, sjekker den statusen til mediet. Hvis kabelen er opptatt, sender ikke datamaskinen signaler. Hvis datamaskinen ikke hører andres signaler i kabelen, begynner den å sende. Det kan imidlertid skje at to datamaskiner lytter til kabelen og, uten å oppdage signaler, begynner å overføre begge samtidig. Dette fenomenet kalles signalkollisjon.
Når signaler er i konflikt i en nettverkskabel, blir datapakker ødelagt. Men alt er ikke tapt. I CSMA/CD-metoden venter datamaskiner i en tilfeldig periode og sender deretter de samme signalene igjen. Hvorfor må tidsperioden være tilfeldig? Hvis begge datamaskinene venter et visst fast antall millisekunder, kan ventetidene deres falle sammen og alt vil gjenta seg om igjen. Datamaskinen som er den første som gjentar overføringen av pakken (som tilfeldig har en kortere tidsperiode) "vinner" tilgang til nettverket i et rulettspill.
Sannsynligheten for konflikter er lav, siden de bare oppstår hvis begynnelsen av pakkene stemmer overens, dvs. svært korte perioder. Fordi signaler overføres med høye hastigheter (10 eller 100 Mbps i Ethernet), forblir ytelsen høy.
Implementeringen av CSMA/CD-metoden er definert av IEEE 802.3-spesifikasjonene.
CSMA/CA-metoden
Navnet på metoden står for Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance.
CSMA/CA er en mer "trustless" metode. Hvis datamaskinen ikke finner andre signaler i kabelen, konkluderer den ikke med at banen er fri, og du kan sende dine dyrebare data. I stedet sender datamaskinen først en forespørsel om å sende signal - RTS (Request to Send). Ved å gjøre dette kunngjør han til andre datamaskiner at han har til hensikt å begynne å overføre data. Hvis en annen datamaskin gjør det samme samtidig, vil det være en konflikt av signaler, ikke datapakker. På denne måten kan datapakker aldri kollidere. Dette kalles konfliktforebygging.
Ved første øyekast er den konfliktforebyggende metoden mye mer avansert enn konfliktdeteksjonsmetoden. Imidlertid er ytelsen lavere på grunn av det faktum at det i tillegg til dataene er nødvendig å sende KTS-signaler, hvorav de aller fleste er unødvendige. Faktisk dobles antallet signaler som kommer på kabelen nesten.
CSMA/CA-metoden brukes i AppleTalk-nettverk.
Sender et token
Finnes det en tilgangsmetode som fungerer uten signalkollisjoner i det hele tatt? En slik metode finnes: det er en token-pass-metode.
Token-overføringsmetoden er ikke-konkurransedyktig. I denne metoden kan ikke to datamaskiner begynne å sende et signal samtidig. Metoden fungerer som et seminar der en deltaker ikke kan begynne å snakke før han får ordet. På samme måte sender ikke en datamaskin på et token-passerende nettverk før tokenet går til den.
Signaler er informasjonskoder som folk bruker for å formidle budskap i et informasjonssystem. Signalet kan gis, men det er ikke nødvendig å motta det. Mens en melding bare kan betraktes som et signal (eller et sett med signaler) som ble mottatt og dekodet av mottakeren (analogt og digitalt signal).
En av de første metodene for å overføre informasjon uten deltagelse av mennesker eller andre levende vesener var signalbranner. Når fare oppsto, ble bål tent sekvensielt fra en stolpe til en annen. Deretter vil vi vurdere metoden for å overføre informasjon ved hjelp av elektromagnetiske signaler og vil dvele i detalj om emnet analogt og digitalt signal.
Ethvert signal kan representeres som en funksjon som beskriver endringer i dets egenskaper. Denne representasjonen er praktisk for å studere radiotekniske enheter og systemer. I tillegg til signalet i radioteknikk er det også støy, som er alternativet. Støy har ikke nyttig informasjon og forvrenger signalet ved å samhandle med det.
Konseptet i seg selv gjør det mulig å abstrahere fra spesifikke fysiske størrelser når man vurderer fenomener knyttet til koding og dekoding av informasjon. Matematisk modell signal i forskning lar deg stole på parametrene til tidsfunksjonen.
Signaltyper
Signaler ved fysisk miljø Informasjonsbærere er delt inn i elektriske, optiske, akustiske og elektromagnetiske.
I henhold til innstillingsmetoden kan signalet være regelmessig eller uregelmessig. Et regulært signal er representert som en deterministisk funksjon av tid. Et uregelmessig signal i radioteknikk er representert av en kaotisk funksjon av tid og analyseres ved hjelp av en sannsynlighetstilnærming.
Signaler, avhengig av funksjonen som beskriver parameterne deres, kan være analoge eller diskrete. Et diskret signal som har blitt kvantisert kalles et digitalt signal.
Signal Prosessering
Analoge og digitale signaler behandles og dirigeres til å sende og motta informasjon kodet i signalet. Når informasjonen er hentet ut, kan den brukes til ulike formål. I spesielle tilfeller formateres informasjon.
Analoge signaler forsterkes, filtreres, moduleres og demoduleres. Digitale data kan også være gjenstand for komprimering, deteksjon osv.
Analogt signal
Sansene våre oppfatter all informasjon som kommer inn i dem i analog form. Hvis vi for eksempel ser en bil som går forbi, ser vi dens bevegelse kontinuerlig. Hvis hjernen vår kunne motta informasjon om sin posisjon én gang hvert 10. sekund, ville folk stadig blitt overkjørt. Men vi kan estimere avstanden mye raskere, og denne avstanden er klart definert i hvert øyeblikk.
Absolutt det samme skjer med annen informasjon, vi kan evaluere volumet når som helst, føle trykket fingrene våre utøver på gjenstander osv. Med andre ord har nesten all informasjon som kan oppstå i naturen analog visning. Den enkleste måten å overføre slik informasjon på er gjennom analoge signaler, som er kontinuerlige og definerte til enhver tid.
For å forstå hvordan et analogt elektrisk signal ser ut, kan du tenke deg en graf som viser amplitude på den vertikale aksen og tid på den horisontale aksen. Hvis vi for eksempel måler temperaturendringen, vil en kontinuerlig linje vises på grafen som viser verdien til hvert øyeblikk. For å overføre et slikt signal ved hjelp av elektrisk strøm, må vi sammenligne temperaturverdien med spenningsverdien. Så for eksempel kan 35,342 grader Celsius kodes som en spenning på 3,5342 V.
Analoge signaler ble tidligere brukt i alle typer kommunikasjon. For å unngå interferens må et slikt signal forsterkes. Jo høyere støynivå, det vil si interferens, jo mer må signalet forsterkes slik at det kan mottas uten forvrengning. Denne metoden for signalbehandling bruker mye energi på å generere varme. I dette tilfellet kan det forsterkede signalet i seg selv forårsake interferens for andre kommunikasjonskanaler.
I dag brukes fortsatt analoge signaler i TV og radio, for å konvertere inngangssignalet til mikrofoner. Men generelt sett blir denne typen signaler erstattet eller erstattet av digitale signaler overalt.
Digitalt signal
Det digitale signalet er representert av sekvensen digitale verdier. De mest brukte signalene i dag er binære digitale signaler, da de brukes i binær elektronikk og er lettere å kode.
I motsetning til den forrige signaltypen, har et digitalt signal to verdier "1" og "0". Hvis vi husker eksempelet vårt med temperaturmåling, vil signalet genereres annerledes. Hvis spenningen som tilføres av det analoge signalet tilsvarer verdien av den målte temperaturen, vil et visst antall spenningspulser tilføres i det digitale signalet for hver temperaturverdi. Selve spenningspulsen vil være lik "1", og fravær av spenning vil være "0". Mottaksutstyret vil dekode pulsene og gjenopprette de opprinnelige dataene.
Etter å ha sett for oss hvordan et digitalt signal vil se ut på en graf, vil vi se at overgangen fra null til maksimum er brå. Det er denne funksjonen som gjør at mottakerutstyret kan "se" signalet tydeligere. Hvis det oppstår interferens, er det lettere for mottakeren å dekode signalet enn ved analog overføring.
Det er imidlertid umulig å gjenopprette et digitalt signal med et veldig høyt støynivå, mens det fortsatt er mulig å "trekke ut" informasjon fra en analog type med stor forvrengning. Dette er på grunn av klippeeffekten. Essensen av effekten er at digitale signaler kan overføres over bestemte avstander, og så bare stoppe. Denne effekten oppstår overalt og løses ved ganske enkelt å regenerere signalet. Der signalet bryter, må du sette inn en repeater eller redusere lengden på kommunikasjonslinjen. Repeateren forsterker ikke signalet, men gjenkjenner sin opprinnelige form og sender det ut eksakt kopi og kan brukes etter ønske i kretsen. Slike signalrepetisjonsmetoder brukes aktivt i nettverksteknologier.
Blant annet skiller analoge og digitale signaler seg også i evnen til å kode og kryptere informasjon. Dette er en av årsakene til overgangen mobil kommunikasjon til "siffer".
Analogt og digitalt signal og digital-til-analog konvertering
Vi må snakke litt mer om hvordan analog informasjon overføres over digitale kommunikasjonskanaler. La oss bruke eksempler igjen. Som allerede nevnt er lyd et analogt signal.
Hva skjer i mobiltelefoner som overfører informasjon via digitale kanaler
Lyden som kommer inn i mikrofonen blir eksponert analog-til-digital konvertering(ADC). Denne prosessen består av 3 trinn. Individuelle signalverdier tas med like tidsintervaller, en prosess som kalles sampling. I følge Kotelnikovs teorem om kanalkapasitet, bør frekvensen for å ta disse verdiene være dobbelt så høy som den mest høy frekvens signal. Det vil si at hvis kanalen vår har en frekvensgrense på 4 kHz, vil samplingsfrekvensen være 8 kHz. Deretter blir alle valgte signalverdier avrundet eller, med andre ord, kvantisert. Jo flere nivåer som opprettes, desto høyere er nøyaktigheten til det rekonstruerte signalet på mottakeren. Alle verdier konverteres deretter til binær kode, som sendes til basestasjonen og deretter når den andre parten, som er mottakeren. En digital-til-analog konvertering (DAC) prosedyre finner sted i mottakerens telefon. Dette er en omvendt prosedyre, hvis mål er å oppnå et signal ved utgangen som er så identisk som mulig med den originale. Deretter kommer det analoge signalet ut i form av lyd fra telefonens høyttaler.
08.11.2016
Digitale teknologier endrer våre vaner, interiøret i leilighetene våre, livsstilen vår og kommunikasjonsspråket vårt. De vil transformere næringsliv og myndigheter, underholdning og utdanning, vitenskap og medisin. De har betydelig forandret mennesket selv, spesielt i sosioøkonomiske og kulturelle aspekter. Hver tredje innbygger på planeten vår har med seg mobiltelefon og på steder der kommunikasjonen er "ikke veldig god" trenger vi forsterkning av mobilkommunikasjon og retningsantenner. Alle større antall Vi tilbringer timer «i det digitale rom» på Internett og bruker mindre og mindre tid til medier som TV og radio. Papirmedier blir erstattet av elektroniske. Et økende antall metropassasjerer leser ikke tradisjonelle bøker, men elektroniske versjoner lastet ned fra Internett.
Digital teknologi slik vi kjenner den i dag har radikalt endret både vår virksomhet og våre personlige liv. Datalagring og overføring har blitt mer effektiv. Internett, spesielt siden etableringen av WWW, lar menneskeheten skape og dele informasjon og kunnskap på global skala.
Digital, usynlig og allestedsnærværende
Det neste trinnet i den digitale revolusjonen vil være den allestedsnærværende digital teknologi. Våre kameraer og MP3-spillere, elektroniske notatbøker og mobiltelefoner minner stadig mer om lommedatamaskiner, og får muligheten til videoopptak, lydopptak og høyhastighets dataoverføring.
Tekniske innovasjoner basert på det meste ulike teknologier, inkludert radioidentifikasjon og radiosensorer, endrer mønstre av menneskelig eksistens i vår digitale tidsalder. Informasjons- og kommunikasjonsevner blir usynlige og allestedsnærværende.
Teorien om fremtidens "allestedsnærvær av datamaskiner" av Mark Weiser - tidligere sjefforsker ved Xerox Palo Alto Research Center - sier at de kraftigste, avanserte og dyptgripende teknologiene er "de som forsvinner, vever seg inn i hverdagslivet til kl. de løses opp i henne." I følge denne oppfatningen vil alle våre kjente ting snart bli til miniatyrdatamaskiner. Og dette er ikke fiksjon. Man trenger bare å ta hensyn til trendene i skiftende generasjoner av datamaskiner. De blir ikke bare mindre. De blir flere og flere og mer og mer uerstattelige. Å løse mange problemer vil ikke lenger kreve menneskelig inngripen, og teknologier som var så merkbare i går vil forsvinne fra vårt syn i morgen. Samtidig, overalt i miljøet vårt, vil de mest dagligdagse tingene ha evnen til å behandle informasjon.
For to og et halvt tiår siden var datamaskiner som betjener dusinvis av mennesker vanlig. Så kom den personlige datamaskinen, én maskin per person, og nå er samfunnet vårt i overgangsfasen til allestedsnærværende databehandling, med flere digitale enheter som betjener én person. Figur 2, hentet fra Mark Weisers artikkel «The 21st Century Computer», illustrerer fremveksten av epoken med utbredt databehandling. Den viser stadiene av vekst, metning og nedgang for tre generasjoner datamaskiner.
Nye vektorer for nettverksutvikling
Den lenge forutsagte digitale konvergensen er i ferd med å bli en realitet på mange områder av livet. I løpet av de siste to tiårene har telefonkommunikasjon endret seg til det ugjenkjennelige. Trådløs telefoni har blitt utbredt. Samtidig slutter telefonen å kun være et middel for talekommunikasjon. Datatrafikk i kommunikasjonsnettverk vokser mye raskere enn taletrafikk. Og mens mobiloperatører streber etter å få maksimalt utbytte av talekommunikasjon, operatører av andre tjenester - Voice over Internet Protocol (VoIP) - prøver å minimere denne fordelen.
VoIP-teknologien skylder sin økende popularitet til mange fordeler, som til sammen utgjør en ekstremt attraktiv kommunikasjonsmetode for mange kategorier brukere - fra husmødre til transkontinentale selskaper. VoIP-samtaler er ofte gratis eller i det minste billigere enn vanlig telefoni. Brukere kan ringe mottakeren fra hvor som helst med Internett-tilgang, og bruke en rekke tilleggstjenester, for eksempel viderekobling, videosamtaler, konferansesamtaler, fildeling osv.
VoIP-tjenester har eksistert siden 90-tallet. Imidlertid har deres utbredte distribusjon blitt merkbar relativt nylig. Blant de mest kjente tjenestene rettet mot spesifikke forbrukere er Skype.
Skype er en tjeneste der du kan bruke et spesielt dataprogram til å ringe gratis til andre Skype-abonnenter rundt om i verden. Hvis abonnenter har webkameraer, lar Skype deg organisere videokonferanser. Du kan også ringe vanlige fasttelefoner og mobiltelefoner til svært lave priser. Skype inkluderer funksjonene til direktemeldingssystemer, samtidig som du kan organisere chatter med opptil 100 personer samtidig og lagre informasjonen som mottas.
Skype startet sin virksomhet i 2003 og ble et par år senere kjøpt av eBay, verdens største nettverksauksjon. Tillegget av Skype til eBay fikk flere andre store selskaper til å begynne å eksperimentere med Internett-telefoni. Dermed kjøpte Microsoft nylig VoIP-selskapet Teleo, Yahoo! kjøpte selskapet DialPad, og Google startet gi Snakketjeneste. Tilbydere av telefonitjenester viser også interesse for VoIP. British Telecom og Nokia tester smarte abonnentterminaler som sømløst bytter mellom mobil- og VoIP-nettverk, slik at abonnenter slipper å kjøpe to forskjellige terminaler og betale regninger fra to operatører.
En ny type infrastruktur
Enheter som utveksler data via radio kan enkelt kobles til et nettverk: ingen behov for å grave grøfter eller bygge kabelkanaler, ingen behov for å legge kabler. Imidlertid kan den moderne verden med sine multi-gigabyte-strømmer ikke klare seg uten en fast infrastruktur, så faste nettverk står heller ikke stille. Hovedretningen for utviklingen her er opprettelsen av fullskala optiske nettverk preget av enorm gjennomstrømning. I utviklede land er ryggradsnettverk som gir langdistanse og internasjonal kommunikasjon allerede helt optiske. Nettverk som kobler hjem og industribygg til stamnettet – de såkalte aksessnettene – bruker i dag fortsatt kobberkabler og DSL-teknologier. Men de vil utvilsomt bli erstattet av optiske linjer, som implementerer FTTH-konseptet (fiber-til-hjemmet). Vel, det siste trinnet - optiske linjer kommunikasjon inne i bygninger vil heller ikke ta lang tid å komme frem.
Den generelle konsensus blant eksperter er at i den utviklede verden vil optiske nettverk danne den allestedsnærværende faste infrastrukturen. Disse nettverkene vil bli supplert med radionettverk, hvis rolle vil være treenig.
Først: å sikre praktisk tilkobling av terminalenheter til infrastrukturen. I likhet med begrepet «last mile» som er mye brukt i dagens telekommunikasjonslitteratur, vil morgendagens radioaksessnettverk være «last meter»-nettverk – avstanden fra lokale transceivere til optiske nettverk.
For det andre: kommunikasjon for bevegelige objekter. Denne rollen, som den første, er en klassisk mobilrolle.
Den tredje rollen er relativt ny. Den består av å koble sammen enheter uten å bruke infrastruktur. gir dette mening? Ja det har det. For eksempel for alle steder og situasjoner der infrastruktur rett og slett ikke eksisterer (for eksempel i utviklingsland) eller er utilgjengelig eller skadet (for eksempel på grunn av en ulykke). I tillegg, hvis vi tror på teorien om datamaskiners allestedsnærvær, må vi en dag koble mange billige enheter til ett nettverk, noe som sannsynligvis vil løse noen lokale problemer på kontoret eller hjemme. Det er sannsynlig at det vil bli for dyrt å utstyre slike enheter med UMTS- eller WLAN-grensesnitt. Det er her vi trenger muligheten til å koble til enheter uten å koble dem til nettverksinfrastrukturen. Det var for slike formål at Bluetooth-teknologi ble oppfunnet på en gang, som ble det første skrittet i denne retningen.
Ny livsstil
Det er lite sannsynlig at noen er i stand til å beregne hvor stor den er i dag Verdensveven. Yahoo! anslår størrelsen til 40 milliarder sider. Hundrevis av ganger mer - volumet av lukkede data lagret av ulike organisasjoner.
Vi bruker ofte Internett uten å vite det. Når vi ringer et telefonnummer, tror vi ikke at en del av måten samtalen vår vil gå gjennom en VoIP-seksjon via Internett. Når vi sender en e-post til en kollega på neste kontor, bryr vi oss ikke om hvilke servere den går gjennom. Når vi klikker på Søk-knappen på Google eller Yahoo!, ønsker vi bare å få informasjon. Internett, sammen med illusjonen om kunnskapens "universalitet", har brakt oss en ny stil liv. Og sammen med den nye livsstilen - nytt marked tjenester.
Hvor stort er det digitale livsstilsmarkedet?
På ett nivå er dette stort segment, som kombinerer digitale næringer som kommunikasjon, TV- og radiokringkasting og dataindustrien. Men på den annen side er dette et marked for én person som setter like stor pris på både betalt og gratis tjenester. Det bør huskes her at den sentrale sosiale kraften til markedet for nye kommunikasjonstjenester er samfunnets tendens til individualisering, kundens ønske om å velge produkter og tjenester, kun styrt av deres behov. Leverandører og operatører vil derfor måtte tilby forbrukere muligheten til direkte og personlig å velge og tilpasse tjenestene de mottar. Multimedia kommunikasjon, elektronisk handel, telemedisin, fjernundervisning, allestedsnærværende datamaskiner - i hjem, kontorer, biler; radionettverk i kafeer og treningsklubber, butikker og hoteller, flyplasser og universiteter - alt dette vil til sammen føre til en betydelig økning i global trafikk som sendes over Internett.
Dermed er det helt åpenbart at foran våre øyne må tre komponenter av nye tjenester - kommunikasjon, fjernsyns- og radiokringkasting og dataindustrien - forenes og skape et nytt marked som ennå ikke har riktig navn, men det vil dukke opp og sannsynligvis veldig snart.
Nye motsetninger
IBM Global Business Services har publisert en ny rapport, Navigating the Media Disruption: Innovation and Deliving New Business Models, som beskriver konflikten som tradisjonelle innholdseiere og distributører står overfor. Det er dette rapporten kaller «mediegapet», som er preget av spenningen i forholdet mellom tradisjonelle aktører i mediemarkedet og «nykommere» fra feltet digitale teknologier. IBM-eksperter spår at i løpet av de neste fire årene vil totale inntekter fra nye typer medieinnholdsdistribusjon vokse med 23 % per år – omtrent fem ganger høyere enn veksten i det tradisjonelle medie- og underholdningsmarkedet. I tillegg, ifølge ekspertestimater, med overgangen til digitale teknologier for dannelse, lagring og distribusjon av innhold, vil musikkindustrien tape omtrent 90–160 milliarder dollar, og TV- og filmindustrien vil lide enda større tap hvis en akseptabel løsning på dagens konfliktsituasjon ikke er funnet.
Hvis du ser nøye etter, kan du enkelt se et klart skille mellom det gamle og det nye innholdsdistribusjonsmiljøet. Det tradisjonelle miljøet fortsetter å være dominert av innhold som er skapt av spesialister og distribuert gjennom proprietære plattformer. Det er beskyttet av hologrammer, stemplet "Alle rettigheter forbeholdt", fremdriften av distribusjonen overvåkes av høyt betalte advokater, tilfeller av ulovlig (lest - ubetalt) bruk av slikt innhold vurderes i domstoler i forskjellige instanser. I det nye miljøet blir innhold ofte laget av brukere og tilgang til gjennom åpne ressurser. Disse polare trendene definerer tydelig konflikten mellom eksisterende og nye markedsaktører.
En annen konflikt oppstår mellom eksisterende markedsaktører – tradisjonelle eiere av ressurser (filmselskaper, spillutviklere og innspillingsstudioer) og deres distributører (TV-selskaper, forhandlere, filmdistributører, kabel- og satellitttjenesteleverandører). Den eksisterende oppdelingen av mediemiljøet setter partnere opp mot hverandre i kampen for inntektsvekst.
Dagens konfrontasjon mellom tradisjonelle og nye multimedieressursleverandører har nådd et punkt høyeste spenning. Problemet, som i utgangspunktet var rent teknisk og kun bestod i å erstatte analog kommunikasjon med digital, har vokst til et økonomisk, juridisk og til og med politisk. Så det er på tide å endre forretningsmodeller, innovere og tenke nytt om partnerskap.
Nye selskaper og nye relasjoner
Tradisjonelt måles markeder i form av tilbud og etterspørsel, på grunnlag av hvilke produsenter og tjenesteleverandører bestemmer hvilke «verdier» forbrukerne skal betale for og prøver å skape disse verdiene. Men i den nye digitale verdenen ser det ut til at forbrukerne skaper disse verdiene selv. Klassiske eksempler Slike "selvbetjening" er massive nettspill og offentlige nettsteder.
Selv tradisjonelle firmaer som telekomoperatører begynner å bevege seg i retning av "personalisering." På 1800-tallet ble telegrafmeldinger skrevet ut og dekodet av ansatte i telegrafselskaper, på 1900-tallet kunne brukerne sende og motta meldinger selv, men nettverksutstyret tilhørte telefonselskapet. På 1800-tallet ble utstyr eid av brukeren i økende grad brukt til å overføre meldinger.
Lignende trender kan observeres i datafeltet (for eksempel bruk av gratis og åpen kildekode) og i kringkasting (hvor vanlige folk deltar i økende grad i innholdsskaping ved å dukke opp i reality-TV-programmer eller ringe inn i studioet til et direktesendt TV- eller radioprogram).
Bevegelsen mot personalisering og økt verdi skapt av brukerne selv endrer markedets ansikt. Hovedindikatorene på dette er følgende.
Hva er en tjeneste og hvem er dens forbruker?
Hva kan betraktes som en grunnleggende informasjons- og kommunikasjonsteknologitjeneste i dag? For tjue år siden ble det definert som "en telefon i hvert hjem." I dag er grunnleggende service ikke bare tilgjengeligheten av nødvendige tjenester eller utstyr, men også kvaliteten de gir. I kampen om kvalitet og gjennomstrømming, og til syvende og sist for oppdragsgiver, brytes spydene, selskaper slår seg sammen og går konkurs, regulatoriske grunnlag kollapser, konsepter skrives og prognoser går ikke i oppfyllelse.
På slutten av 2006 publiserte International Telecommunication Union sin syvende årsrapport fra en gruppe analytikere om trender i utviklingen av Internett. Den har tittelen "Digital.life" og sier at vi i løpet av de kommende tiårene kan forvente begynnelsen av en ny æra av digitalisering, der dagens "Internett av data og mennesker" vil vike for morgendagens "Internet of Things."
I rapporten sin minner ITU-analytikere leseren på hvordan vi helt i begynnelsen av Internett-æraen ble overrasket over muligheten for kontakt - uten telefonoperatører og langdistansesamtaler - med folk som befinner seg i utlandet, i andre tidssoner, og til og med i andre halvkuler. Hvor uvanlig det var å få tilgang til informasjon mens du var foran en skjerm hjemmedatamaskin, og ikke i Lenin-biblioteket!
Det neste logiske trinnet i denne teknologiske revolusjonen, ifølge eksperter, vil være nettverksbygging av livløse gjenstander. De vil kommunisere i sanntid og dermed radikalt transformere Internett. Ifølge rapporten er det for tiden rundt 875 millioner globale nettverksbrukere i verden. Og dette tallet kan rett og slett dobles hvis folk forblir fremtidens primære brukere. Men eksperter forventer at antallet terminaler koblet til nettverket i løpet av de neste tiårene vil utgjøre titalls milliarder. Dette er grunnlaget for tingenes internett. "Tingenes internett vil muliggjøre ny bruk av ting som vi aldri har forestilt oss før," spår forfatterne av rapporten.
Men selv om det er mange grunner til bekymring, er én ting klar: vitenskap og teknologi fortsetter å bevege seg fremover. Internett slutter å være noe uavhengig, det dekker hele livet vårt. Investeringer på flere milliarder dollar i databehandlings- og overføringsteknologier fører til fremveksten av flere og flere nye tjenester og muligheter for forbrukerne, noe som betyr flere og flere nye markeder og nye inntekter. Denne prosessen er uforutsigbar, akkurat som forløpet til oppfinnerens tanker er uforutsigbart.
Det er neppe verdt å prøve å forstå veiene til fremskritt før du fortsetter å gå videre. Gitt den svimlende hastigheten som teknologier dukker opp og endrer seg med, kan et kunstig stopp "å realisere" være ganske dyrt. Og i dette er jeg klar til å argumentere med forfatterne av ITU-rapporten jeg allerede har nevnt, som ber om å høste fordelene av tingenes globale internett "bare etter å ha full forståelse for denne fremgangen, fordelene og vanskelighetene forbundet med den."
Vår verden blir gradvis digital. Vi er nå i selve episenteret av den digitale revolusjonen, som oppsto tidlig på 1980-tallet og gradvis fortrenger analoge tjenester og enheter fra våre liv og virksomheter, og erstatter dem med digitale.