Аналоговый сигнал
Это природный тип сигналов окружает нас повсеместно и постоянно. Звук, изображение, тактильные ощущения, запах, вкус и команды мозга. Все возникающие, во Вселенной без участия человека, сигналы являются аналоговыми.
p, blockquote 3,0,0,0,0 —>
В электронике, электротехнике и системах связи аналоговую передачу данных применяют со времени изобретения электричества. Характерной особенностью является непрерывность и плавность изменения параметров. Графически сеанс аналоговой связи можно описать как непрерывную кривую, соответствующую величине электрического напряжения в определённый момент времени. Линия изменяется плавно, разрывы возникают только при обрыве связи. В природе и электронике аналоговые данные генерируются и распространяются непрерывно. Отсутствие непрерывного сигнала означает тишину или черный экран.
p, blockquote 4,0,0,0,0 —>
В непрерывных системах связи аналогом звука, изображения и любых других данных является электрические или электромагнитные импульсы. Например, громкость и тембр голоса передаются от микрофона на динамик посредством электрического сигнала. Громкость зависит от величины, а тембр от частоты напряжения. Поэтому при голосовой связи сначала напряжение становится аналогом звука, а потом звук аналогом напряжения. Таким же образом происходит передача любых данных в аналоговых системах связи.
p, blockquote 5,0,0,0,0 —>
Информатика
Информатика — это комплексная, техническая наука, которая систематизирует приемы создания, сохранения, воспроизведения, обработки и передачи данных средствами вычислительной техники, а также принципы функционирования этих средств и методы управления ними.
Термин «информатика» образован из двух слов: информация и автоматика. Этот термин введен во Франции в середине 60-х лет XX ст., когда началось широкое использование вычислительной техники.
Появление информатики обусловлено возникновением и распространением новой технологии сбора, обработки и передачи информации, связанной с фиксацией данных на машинных носителях.
Приведем некоторые определения науки информатики.
Информатика – наука об информации.
или
– это наука о структуре и свойствах информации, способах сбора, обработки и передачи информации
или
– информатика, изучает технологию сбора, хранения и переработки информации, а компьютер основной инструмент в этой технологии.
Предмет информатики как науки составляют:
- аппаратное обеспечение средств вычислительной техники;
- программное обеспечение средств вычислительной техники;
- средства взаимодействия аппаратного и программного обеспечения;
- средства взаимодействия человека с аппаратными и программными средствами.
Средства взаимодействия в информатике принято называть интерфейсом. Поэтому средства взаимодействия аппаратного и программного обеспечения иногда называют также программно-аппаратным интерфейсом, а средства взаимодействия человека с аппаратными и программными средствами — интерфейсом пользователя.
Основной задачей информатики как науки — является систематизация приемов и методов работы с аппаратными и программными средствами вычислительной техники.
Информатика — практическая наука. Ее достижения должны проходить проверку на практике и приниматься в тех случаях, если они отвечают критерию повышения эффективности.
В составе основной задачи сегодня можно выделить такие основные направления информатики для практического применения:
- архитектура вычислительных систем (приемы и методы построения систем, предназначенных для автоматической обработки данных);
- интерфейсы вычислительных систем (приемы и методы управления аппаратным и программным обеспечением);
- программирование (приемы, методы и средства разработки комплексных задач);
- преобразование данных (приемы и методы преобразования структур данных);
- защита информации (обобщение приемов, разработка методов и средств защиты данных);
- автоматизация (функционирование программно-аппаратных средств без участия человека);
- стандартизация (обеспечение совместимости между аппаратными и программными средствами, между форматами представления данных, относящихся к разным типам вычислительных систем).
1. Хранение информации
Хранение информации– это процесс помещения информации в определенное хранилище с целью извлечения ее оттуда через некоторое время для дальнейшего использования
Для хранения информации человек, прежде всего, использует свою память. Можно считать, что мозг – это одно из самых совершенных хранилищ информации, во многом превосходящее компьютерные средства. Для запоминания и поиска информации используются нервные клетки мозга – нейроны, их более ста миллиардов. К сожалению, человек многое забывает, поэтому необходимо хранить информацию.
Устройства хранения информации
пергамент
Древние : камень, папирус, береста, пергамент
современные носители информации
Современные: бумага, магнитная лента, перфокарты и перфоленты, электронные носители
магнитные диски, лазерные диски, флэш-память
Передача информации – это целенаправленный процесс, в результате которого информация передается от одного объекта к другому.
Формы информации
В математическом словаре понятие дискретности определяется так: «дискретность (от лат. discretus – разделенный, прерывистый) – прерывность; противопоставляется непрерывности». Таким образом, информация может быть представлена либо в непрерывной, либо в дискретной форме. Они разные по своей природе и потому обладают существенными отличиями между собой.
Любые существующие вокруг явления либо объекты всегда подлежат представлению в виде тех или иных физических характеристик и показателей. Применительно к циклону, например, это скорость ветра, температура воздуха, объем выпавших осадков и прочие величины, имеющие отношение к данному явлению.
Когда требуется описать человека, то обычно упоминаются следующие данные: возраст, рост, вес, температура тела, артериальное давление и т.д.
Каждый из упомянутых физических показателей обладает своим определенным диапазоном. Те или иные величины могут принимать бесконечное количество значений.
Формы информации
Именно такие величины называют непрерывными, как и доносимую через них информацию. Как правило, значения таких величин идут одно за другим, без разрывов в виде существенных скачков. В качестве примера – масса объекта, которая может быть представлена любым числом (от нуля до бесконечности), даже дробным. Есть еще величины, которыми обозначают нечто целое (что нельзя представить в дробном виде). К примеру, это количество человек в музыкальном коллективе, число атомов в молекуле и т.п.
Существуют объекты, непременным свойством которых является способность принимать в определенный момент некие точные значения, представленные в виде знаков либо цифр. Вот именно это свойство получило название дискретной информации об объекте. Такая информация отличается прерывистостью, что позволяет пронумеровать и представить требуемые данные в виде цифр (с помощью логических нуля и единицы).
Узнай, какие ИТ — профессии входят в ТОП-30 с доходом от 210 000 ₽/мес
Павел Симонов
Исполнительный директор Geekbrains
Команда GeekBrains совместно с международными специалистами по развитию карьеры
подготовили материалы, которые помогут вам начать путь к профессии мечты.
Подборка содержит только самые востребованные и высокооплачиваемые специальности и направления в
IT-сфере. 86% наших учеников с помощью данных материалов определились с карьерной целью на ближайшее
будущее!
Скачивайте и используйте уже сегодня:
Павел Симонов
Исполнительный директор Geekbrains
Топ-30 самых востребованных и высокооплачиваемых профессий 2023
Поможет разобраться в актуальной ситуации на рынке труда
Подборка 50+ бесплатных нейросетей для упрощения работы и увеличения заработка
Только проверенные нейросети с доступом из России и свободным использованием
ТОП-100 площадок для поиска работы от GeekBrains
Список проверенных ресурсов реальных вакансий с доходом от 210 000 ₽
Получить подборку бесплатно
pdf 3,7mb
doc 1,7mb
Уже скачали 23402
Примеры дискретных значений: любые фигуры в геометрии, символы алфавита, количество высотных зданий в мегаполисе и т.п.
Для того чтобы информация об объекте была максимально полной, её часто преподносят сразу в двух возможных формах представления.
Первый пример: квадрат – это дискретное значение в описании геометрической фигуры, а точная длина его стороны – это уже непрерывное значение.
Второй пример: масса, которую показывают весы (пружинные либо стрелочные) – это, собственно, величина непрерывная. Но весы представляют её в дискретной форме, то есть дискретизируют информацию с учетом того, у какой именно шкалы остановится стрелка или бегунок (если весы пружинного типа). В данном конкретном примере чем мельче деления шкалы, тем точнее дискретизация, а значит, и показатель массы предмета, который вы взвешиваете.
Список книг помогающих разобраться в аналоговых и цифровых сигналах
Для более глубокого понимания и сравнения принципов обработки и передачи данных следует обратиться к следующей литературе:
p,blockquote 32,0,0,0,0 —>
- Sato Y. Обработка сигналов. Первое введение. / Под редакцией Ёсифуми Амемия. — Москва: Издательский дом «ДОДЕКА-XXI», 2002 В книге изложены основы техники ЦОС. Она предназначена для любителей, студентов и учащихся, только начинающих изучать системы передачи данных.
- Введение в цифровую фильтрацию / Под редакцией Р. Богнера и А. Константинидис, перевод с английского — Москва: Мир, 1977 В этой книге в популярной и доступной форме описаны различные системы обработки данных. В нем сравниваются аналоговые и цифровые системы и описываются их преимущества и недостатки.
- Основы цифровой обработки сигналов: курс лекций /Авторы: А.И. Солонина, Д.А. Улахович, С.М. Арбузов, Е.Б. Соловьев, И.И. Гук. — СПб: Издательство «БХВ-Петербург», 2005 г. Книга основана на курсе лекций для Государственного технического университета имени Бонч-Бруевича. В книге изложены теоретические основы обработки данных, описаны дискретные и цифровые системы с различными методами преобразования. Она предназначена для изучения в университетах и для квалификации специалистов.
- Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов (второе издание) — Санкт-Петербург: Издательство «Питер», 2006 Электронный учебный комплекс по дисциплине «Цифровая обработка сигналов». Представлены лекционный курс, лабораторно-практические занятия и методические рекомендации для самостоятельной работы. Предназначен для преподавателей и для самостоятельного изучения студентами старших курсов.
- Лайонс Р. Цифровая обработка сигналов. Предисловие: Бином-Пресс, 2006 Эта книга знакомит с деталями DSP. Книга написана понятным языком и снабжена большим количеством иллюстраций. Это одна из самых простых и понятных книг на русском языке.
p, blockquote 33,0,0,1 —>.
Старая добрая аналоговая связь быстро теряет свою актуальность. Несмотря на модернизацию и усовершенствования, возможности обмена данными достигли своего предела. Кроме того, остаются старые беды — искажения и шумы. Цифровая связь, с другой стороны, не имеет этих недостатков и передает большие объемы данных быстро, точно и без ошибок.
Измерение информации
Для начала вспомним, что вся информация в компьютере хранится в виде двоичного кода – определенной последовательности нулей и единиц. Подробнее об этом мы рассказывали в статье «Основные понятия об информации». Храня информацию, компьютер выделяет ей место в памяти, в которое и будут записаны двоичные коды закодированных файлов.
В чем измеряется информация?
Бит — наименьшая единица измерения объема информации. Ему соответствует одна цифра двоичного кода.
И по той же причине, почему нам неудобно измерять расстояние от Москвы до Владивостока линейкой, которая влезает в пенал, для измерения размера больших файлов мы будем использовать не биты, а увеличенные единицы измерения (как километры для метров):
| 1 байт = 8 бит1 килобайт (кбайт) = 1024 байт1 мегабайт (мбайт) = 1024 кбайт1 гигабайт (гбайт) = 1024 мбайт1 терабайт (тбайт) = 1024 гбайт |
Перевод между ними происходит посредством деления и умножения. Например:
- 5 гбайт = 5 * 1024 мбайт = 5120 мбайт;
- 2048 кбайт = 2048 / 1024 мбайт = 2 мбайт;
- 800 бит = 800 / 8 байт = 100 байт.
| Почему в килобайте 1024 байт?Мы привыкли, что, например, в 1 килограмме – ровно 1000 грамм, а в 1 метре – ровно 100 сантиметров и так далее. При измерении информации берется не ровно 1000, а 1024. Почему так?Причина в различиях систем счисления. Наша родная система счисления – десятичная, потому что нам удобно считать 10 пальцев на руках. А родная система счисления для компьютера – двоичная. Он знает всего две цифры и ему удобнее выделять в своей памяти количество места, равное степени двойки: \(2^{10}=1024\). |
Поэтому нам, информатикам, неплохо бы знать степени двойки, как таблицу умножения, хотя бы до 10 степени. Это поможет избавить себя от постоянных перерасчетов одного и того же. А понадобятся они нам еще не раз:
| 2 = 1 | 21 = 2 | 22 = 4 | 23 = 8 |
| 24 = 16 | 25 = 32 | 26 = 64 | 27 = 128 |
| 28 = 256 | 29 = 512 | 210 = 1024 | 211 = 2048 |
Зная эти степени, мы можем гораздо удобнее оформлять промежуточные расчеты в задачах, где надо перевести большие значения величины информации в биты.
Например, 25 гбайт в битах можно представить двумя способами:
- 25 гбайт = 25 * 1024 мбайт = 25 * 1024 * 1024 кбайт = 25 * 1024 * 1024 * 1024 байт = 25 * 1024 * 1024 * 1024 * 8 бит = 214748364800 бит;
- 25 гбайт = 25 * 210 мбайт = 25 * 210 * 210 кбайт = 25 * 210 * 210 * 210 байт = 25 * 210 * 210 * 210 * 23 бит = 25 * 233 бит.
Когда это лишь промежуточная запись при решении задачи, второй вариант, очевидно, удобнее, так как со степенями работать проще, чем с огромными числами.
Методы дискретизации
Дискретизация – это процесс преобразования непрерывного сигнала в дискретный формат, то есть представление сигнала в виде последовательности дискретных значений. Существует несколько методов дискретизации, которые могут быть использованы в различных областях, таких как аналоговая и цифровая обработка сигналов, компьютерная графика и т.д. Рассмотрим некоторые из них:
Импульсная дискретизация (Pulse Amplitude Modulation – PAM)
Импульсная дискретизация – это метод, при котором непрерывный сигнал амплитуды дискретизируется путем измерения его значения в определенные моменты времени. Для этого используются импульсы, которые представляют собой короткие периодические сигналы. Амплитуда каждого импульса соответствует значению непрерывного сигнала в момент времени его появления. Полученные значения амплитуды записываются в виде последовательности дискретных значений.
Дельта-модуляция (Delta Modulation – DM)
Дельта-модуляция – это метод, при котором непрерывный сигнал амплитуды дискретизируется путем сравнения его значения с предыдущим значением и записи разницы между ними. Если текущее значение сигнала больше предыдущего, то записывается единица, иначе – ноль. Полученная последовательность битов представляет собой дискретное представление сигнала.
Квантование (Quantization)
Квантование – это метод, при котором непрерывный сигнал амплитуды разбивается на конечное число уровней или интервалов. Каждый уровень соответствует диапазону значений амплитуды, и значение сигнала округляется до ближайшего уровня. Полученные значения записываются в виде последовательности дискретных значений.
Частотная дискретизация (Frequency Sampling)
Частотная дискретизация – это метод, при котором непрерывный сигнал частоты разбивается на конечное число дискретных значений. Для этого используется анализ спектра сигнала и выбор определенных частотных компонентов. Полученные значения записываются в виде последовательности дискретных значений.
Это лишь некоторые из методов дискретизации, которые могут быть использованы для преобразования непрерывного сигнала в дискретный формат. Выбор метода зависит от конкретной задачи и требований к точности и качеству представления сигнала.
Информационная культура человека
Информационное общество – общество, в котором большинство работающих заняты производством, хранением, переработкой, продажей и обменом информации
Этапы информационных революций
I информационная революция — появление письменности
II информационная революция – появление печатного станка
III информационная революция – появление электрических средств передачи и хранения информации (телефон, радио, телеграф, телевизор)
IV информационная революция – появление компьютерной техники
Информационная культура человека – умение человека работать с информацией и грамотно использовать для ее получения, передачи и хранения компьютерных информационных технологий.
-
Наличие навыков по использованию различных технических средств – от телефона до персональных компьютеров и компьютерных сетей.
- Способность использовать в своей работе компьютерную информационную технологию.
- Умение извлекать и работать с информацией из различных источников – от периодической печати до электронных коммуникаций.
- Умение представлять информацию в понятном виде и эффективно ее использовать.
- Умение работать с различными видами информации.
Побочные эффекты дискретизации
Все существующие в природе сигналы аналоговые и потому требуют оцифровки для того, чтобы их можно было обрабатывать, хранить или передавать. То есть, тут необходима дискретизация, и выполняется она с помощью аналого-цифровых приборов.
А далее любой сигнал поддается кодировке, цифровой обработке, хранению либо передаче на расстояние.
Побочные эффекты дискретизации
Нередко требуется выполнение обратной операции, то есть, преобразование цифрового сигнала в аналоговый. Например, когда вы слушаете компакт-диск, то в ходе воспроизведения записанные в цифровом виде высокочастотные сигналы выдаются в виде низкочастотных звуковых.
Откройте для себя захватывающий мир IT! Обучайтесь со скидкой до 61% и получайте современную профессию с гарантией трудоустройства. Первый месяц – бесплатно. Выбирайте программу прямо сейчас и станьте востребованным специалистом.
Степень точности обратного преобразования сигнала может быть разной, в зависимости от частоты дискретизации. С повышением частоты улучшается и точность воспроизведения. Кроме того, имеет значение количество уровней квантования (в каждой выборке). Опять же, с повышением уровня растет и точность.
Таким образом, большее количество уровней и высокая частота дают на выходе больше цифровых данных. А чтобы их обрабатывать, хранить и передавать, необходим внушительный объём ресурсов. Поэтому тут следует находить баланс, подбирать приемлемую точность воспроизведения сигнала и объём ресурсов для его обеспечения.Что можно сказать, резюмируя всё вышеизложенное?
Для реализации целого ряда задач человеку требуется преобразование той или иной информации из одного вида в другой. К примеру, когда вы читаете вслух, то преобразуете текст (это дискретная форма данных) в звук (непрерывная форма). А транскрибаторы выполняют обратную операцию, то есть, представляют звуковую информацию в виде текста.
Популярные статьи
Высокооплачиваемые профессии сегодня и в ближайшем будущем
Дополнительный заработок в Интернете: варианты для новичков и специалистов
Востребованные удаленные профессии: зарабатывайте, не выходя из дома
Разработчик игр: чем занимается, сколько зарабатывает и где учится
Как выбрать профессию по душе: детальное руководство + ценные советы
Информация, представленная именно в дискретной форме, лучше всего подходит для обработки, хранения и передачи в автоматическом режиме. Собственно, в этом и есть ее неоспоримый плюс, к примеру, для той же информатики. На последнюю опирается работа всей компьютерной техники, и при подготовке программистов особый упор делается на изучение именно дискретизации.
История появления термина
Вычислительная техника
Если вчитаться, нигде не написано, откуда пришло в мир определение — аналоговый. На западе термин употреблялся с сороковых годов профессионалами вычислительной техники. Именно в период Второй мировой войны появились первые компьютерные системы, называемые цифровыми. И для различения пришлось придумать новые эпитеты.
В мир бытовой техники понятие аналоговый вошло лишь в начале 80-х, когда на свет вышли первые процессоры Intel, а мир игрался в игрушки на ZX-Spectrum, эмулятор для устройств сегодня возможно раздобыть в интернете. Геймплей требовал необыкновенного упорства, сноровки и отменной реакции. Наравне с детворой собирали ящики и били вражеских инопланетян и взрослые. Современные игры намного уступают первым пташкам, захватившим на некоторое время умы игроков.
Звукозапись и телефония
К началу 80-х на свет стала появляться поп-музыка в электронной обработке. Музыкальный телеграф представлен на суд публики в 1876 году, не обрёл признания. Популярная музыка нравится аудитории в широком понимании слова. Телеграф умел издавать единственную ноту, передавать на расстояние, где та воспроизводилась динамиком специальной конструкции. И хотя Битлз использовали при создании Сержанта Пеппера электронный орган, синтезатор вошёл в обиход в поздние 70-е годы. По-настоящему популярным и цифровым инструмент стал уже в середине 80-х: вспомним Modern Talking. Ранее использовались синтезаторы на аналоговых схемах, начиная с Novachord в 1939 году.
Итак, потребности в различении аналоговых и цифровых технологий у рядового гражданина не возникало, пока последние не вошли прочно в обиход. Слово аналоговый стало достоянием публики с начала 80-х. Что касается происхождения термина, традиционно считается, что указатель заимствован из телефонии, позже перекочевал в звукозапись. Аналоговые колебания непосредственно подаются на динамик, немедленно раздается голос. Сигнал похож на человеческую речь, становится электрическим аналогом.
Если подать на динамик цифровой сигнал, раздастся непередаваемая какофония из нот разной тональности. Эта «речь» знакома любому, кто грузил в память компьютера программы и игры с магнитной ленты. На человеческую не походит, потому что цифровая. Что касается дискретного сигнала, в простейших системах он подается прямо на динамик, служащий интегратором. Удача или неуспех предприятия всецело зависят от правильно подобранных параметров.
Одновременно термин фигурировал в звукозаписи, где непосредственно с микрофона музыка и голос шли на ленту. Магнитная запись стала аналогом реальных артистов. Виниловые пластинки подобны музыкантам и поныне считаются лучшим носителем для любых композиций. Хотя показывают ограниченный срок службы. CD нынче часто содержат цифровой звук, расшифровываемый декодером. Согласно Википедии, новая эра началась в 1975 году (en.wikipedia.org/wiki/History_of_sound_recording).
Электрические измерения
В аналоговом сигнале наблюдается пропорциональность между напряжением, либо током и откликом на воспроизводящем устройстве. Термин тогда сочтём произошедшим от греческого analogos. Что означает пропорциональный. Впрочем, сравнение аналогично указанному выше: сигнал подобен голосу, воспроизводимому колонками.
Вдобавок в технике применяется для обозначения аналоговых сигналов иной термин – непрерывные. Что соответствует данному выше определению.
Преимущества и недостатки сигналов разных видов
Со времени изобретения аналоговая передача сигнала была значительно усовершенствована. И прослужила долгое время передавая информацию, звук и изображение. Несмотря на множество улучшений сохранила все свои недостатки – шумы при воспроизведении и искажения при передаче информации. Но главным аргументом для перехода на другую систему обмена данными стал потолок качества передаваемого сигнала. Аналоговый не может вместить объём современных данных.
Совершенствование методов записи и хранения, прежде всего видео контента, оставили аналоговый сигнал в прошлом. Единственным преимуществом аналоговой обработки данных пока ещё является широкое распространение и дешевизна устройств. Во всём остальном аналоговый уступает цифровому сигналу.
Цифрово-аналоговое преобразование
Цифрово-аналоговое преобразование (ЦАП) – это процесс преобразования цифрового сигнала в аналоговый формат. В цифровом сигнале информация представлена в виде дискретных значений, а в аналоговом сигнале информация представлена в непрерывной форме.
ЦАП используется для восстановления аналогового сигнала после его обработки в цифровом формате. Это может быть необходимо, например, для воспроизведения звука на аудиоустройствах или для вывода видео на экраны.
Процесс ЦАП состоит из нескольких этапов:
Цифровой сигнал
Исходный цифровой сигнал представлен в виде последовательности дискретных значений, которые были получены в результате аналогово-цифрового преобразования.
Цифровой фильтр
Цифровой фильтр используется для обработки цифрового сигнала и удаления нежелательных шумов или искажений. Он может выполнять различные операции, такие как фильтрация высоких или низких частот, усиление или ослабление определенных частот и т. д.
Цифро-аналоговый преобразователь
Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) преобразует цифровой сигнал в аналоговый формат. Он использует значения цифрового сигнала и соответствующие им аналоговые значения для создания непрерывного аналогового сигнала.
Фильтр низких частот
Фильтр низких частот используется для удаления высокочастотных компонентов, которые могут возникнуть в результате преобразования цифрового сигнала в аналоговый формат. Это позволяет получить более гладкий и чистый аналоговый сигнал.
Выходной аналоговый сигнал
После прохождения всех этапов преобразования, получается выходной аналоговый сигнал, который может быть использован для воспроизведения звука, видео или других аналоговых данных.
Цифрово-аналоговое преобразование является важным процессом в области цифровой обработки сигналов и позволяет нам использовать и передавать информацию, которая изначально была представлена в цифровом формате, в аналоговом формате для воспроизведения и визуализации.