Информатика и программное обеспечение ПЭВМ

Например, для русского языка сейчас широко используются пять таблиц кодировок:

1.5.3. Два способа кодирования изображения

Изображение на экране компьютера (или при печати с по-мощью принтера) составляется из маленьких точек - пикселов. Их так много, и они настолько малы, что человеческий глаз воспринимает картинку как непрерывную. Следовательно, качество изображения будет тем выше, чем плотнее расположены пиксели (т. е. чем больше разрешение устройства вывода) и точнее закодирован цвет каждого из них.

Для получения наивысшей точности цветопередачи достаточно иметь по 256 значений для каждого из основных цветов (вместе это дает 256³ - более 16 млн. оттенков). Во многих случаях можно обойтись несколько меньшей точностью цветопередачи. Если использовать для представления каждой составляющей по 5 бит (тогда для хранения данных пикселя будет нужно не 3, а 2 байт), удастся закодировать 32 768 оттенков.

На практике встречаются (и нередко) ситуации, когда гораздо важнее не идеальная точность, а минимальный размер файла: бывают изображения, где изначально используется небольшое количество цветов. В этих случаях поступают так: собирают все нужные оттенки в таблицу и нумеруют, после чего хранят уже не полный код цвета каждого пикселя, а номера (индексы) цветов в таблице. Чаще всего используют 256-цветные таблицы. В разных компьютерах могут быть приняты разные стандартные таблицы цветов, поэтому не исключено, что открыв полученный от кого-нибудь графический файл, можно увидеть совершенно немыслимую картинку.

При печати на бумаге используется несколько иная цветовая модель: если монитор испускает свет, то оттенок получается в результате сложения цветов, а краски поглощают свет - цвета вычитаются. Поэтому в качестве основных используют голубую, сиреневую и желтую краски. Кроме того, из-за неидеальности красителей к ним обычно добавляют четвертую краску - черную. Для хранения информации о каждой краске чаще всего используют 1 байт.

Растровые изображения очень хорошо передают реальные образы. Они замечательно подходят для фотографий, картин и в случаях, когда требуется максимальная "естественность". Такие изображения легко выводить на монитор или принтер, поскольку эти устройства тоже основаны на растровом принципе. Однако есть у них и ряд недостатков. Растровое изображение высокого качества (с высоким разрешением и большой глубиной цвета) может занимать десятки, и даже сотни мегабайт памяти. Для их обработки нужны мощные компьютеры, но и они нередко "задумываются" на десятки минут. Любое изменение размеров неизбежно приводит к ухудшению качества: при увеличении пикселы не могут появиться "из ничего", при уменьшении - часть пикселов будет просто выброшена.

Есть другой способ представления изображений - объектная (векторная) графика. В этом случае в памяти хранится не сам рисунок, а правила его построения, т. е., например, не все пикселы круга, а команда "построить круг радиусом 30 с центром в точке с координатами (50, 135) и закрасить его красным цветом". Быстродействия современных компьютеров вполне достаточно, чтобы перерисовка происходила почти мгновенно.

На первый взгляд, все становится гораздо более сложным. Зачем же это нужно? Во-первых, и это самое главное, векторное изображение можно как угодно масштабировать, выводить на устройства, имеющие любое разрешение, - и всегда будет получаться результат с наивысшим для данного устройства качеством, ведь картинка каждый раз "рисуется" заново, используя столько пикселов, сколько возможно.

Во-вторых, в векторном изображении все части (так называемые "примитивы") могут быть изменены независимо друг от друга: любой из них можно увеличить, повернуть, деформировать, перекрасить, даже стереть, но остальных объектов это никоим образом не коснется.

В-третьих, даже очень сложные векторные рисунки, содержащие тысячи объектов, редко занимают более нескольких сотен килобайт, т. е. в десятки, сотни, а то и тысячи раз меньше аналогичного растрового.

Но почему, если все так хорошо, векторная графика не вытеснила растровую? Сам принцип ее формирования предполагает использование объектов с исключительно ровными четкими границами, а это сразу выдает их искусственность, поэтому область применения векторной графики довольно ограничена - это чертежи, схемы, стилизованные рисунки, эмблемы и другие подобные изображения.

1.5 Кодирование звука

Если преобразовать звук в электрический сигнал, например с помощью микрофона, можно увидеть плавно изменяющееся с течением времени напряжение. Для компьютерной обработки такой аналоговый сигнал нужно каким-то образом преобразовать в последовательность двоичных чисел. Если измерять напряжение через равные промежутки времени и записывать полученные значения в память компьютера, то этот процесс называется дискретизацией (оцифровкой), а устройство, выполняющее его, - аналого-цифровым преобразователем (АЦП).

Чтобы воспроизвести закодированный таким образом звук, нужно выполнить обратное преобразование, для чего служит цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), а затем сгладить получившийся ступенчатый сигнал.

Чем выше частота дискретизации (количество отсчетов за секунду) и больше разрядов отводится для каждого отсчета, тем точнее будет представлен звук. Размер звукового файла увеличивается, поэтому в зависимости от характера звука, требований, предъявляемых к его качеству и объему занимаемой памяти, выбирают некоторые компромиссные значения. Например, при записи на компакт-диски используются 16-битные отсчеты при частоте дискретизации 44 032 Гц. При работе только с речевыми сигналами достаточно 8-битных отсчетов при частоте 8 кГц.

Описанный способ кодирования звуковой информации универсален, он позволяет представить любой звук, преобразовывать его самыми разными способами. Бывают случаи, когда выгодней действовать по-иному. Человек издавна использует довольно компактный способ представления музыки - нотную запись. Чтобы перевести символьную информацию в понятную компьютеру форму, достаточно иметь таблицу соответствий символов этого языка их двоичным кодам.

В 1983 г. ведущие производители компьютеров и музыкальных синтезаторов разработали стандарт, определивший такую систему кодов, - MIDI.

Конечно, такая система кодирования позволяет записать далеко не всякий звук, она годится только для инструментальной музыки. Но есть у нее и неоспоримые преимущества: чрезвычайно компактная запись, естественность для музыканта (практически любой MIDI-редактор позволяет работать с музыкой в виде обычных нот), легкость замены инструментов, изменения темпа и тональности мелодии. Коме того, качество звучания зависит от возможностей синтезатора или звуковой платы компьютера, с помощью которых производится запись.

Заметим, что существуют и другие компьютерные форматы записи музыки, основанные на подобном же принципе.

1.5.5 Цифровое кодирование

При цифровом кодировании дискретной информации применяют потенциальные и импульсные коды.

В потенциальных кодах для представления логических единиц и нулей используется только значение потенциала, а его перепады, формирующие законченные импульсы, во внимание не принимаются. Импульсные коды позволяют представить двоичные данные либо импульсами определенной полярности, либо частью импульса - перепадом потенциала определенного направления.

При использовании прямоугольных импульсов для передачи дискретной информации необходимо выбрать такой способ кодирования, который одновременно достигал бы нескольких целей:

имел при одной и той же битовой скорости наименьшую ширину спектра результирующего сигнала;

обеспечивал синхронизацию между передатчиком и приемником;

обладал способностью распознавать ошибки;

обладал низкой стоимостью реализации.

Более узкий спектр сигналов позволяет на одной и той же линии добиваться более высокой скорости передачи данных. Кроме того, часто к спектру сигнала предъявляется требование отсутствия постоянной составляющей, т. е. наличия постоянного тока между передатчиком и приемником.

Синхронизация передатчика и приемника нужна для того, чтобы приемник точно знал, в какой момент времени необходимо считывать новую информацию с линии связи, поэтому в сетях применяются самосинхронизирующиеся коды, сигналы которых несут для передатчика указание о том, в какой момент времени нужно осуществлять распознавание очередного бита или нескольких бит, если код ориентирован более чем на два состояния сигнала. Любой резкий перепад сигнала, так называемый фронт, может служить хорошим указанием для синхронизации приемника с передатчиком.

Требования, предъявляемые к методам кодирования, являются взаимно противоречивыми, поэтому каждый из рассматриваемых ниже популярных методов цифрового кодирования обладает своими преимуществами и своими недостатками по сравнению с другими.

1.5.5.1 Метод биполярного кодирования с альтернативной

инверсией (AMI)

В этом методе используются три уровня потенциала: отрицательный, нулевой и положительный. Для кодирования логического нуля используется нулевой потенциал, а логическая единица кодируется либо положительным потенциалом, либо отрицательным, при этом потенциал каждой новой единицы противоположен потенциалу предыдущей. В AMI используются три уровня сигнала на линии. Дополнительный уровень требует увеличения мощности передатчика примерно на 3 дБ для обеспечения той же достоверности приема бит на линии, что является общим недостатком кодов с несколькими состояниями сигнала по сравнению с кодами, которые различают только два состояния.

1.5.5.2 Потенциальный код с инверсией при единице

Существует код, похожий на AMI, но только с двумя уровнями сигнала. При передаче нуля он передает потенциал, установленный в предыдущем такте, а при передаче единицы потенциал инвертируется на противоположный. Это называется потенциальным кодом с инверсией при единице. Для улучшения потенциальных кодов используют два метода. Первый метод основан на добавлении в исходный код избыточных бит, содержащих логические единицы; второй - на предварительном "перемешивании" исходной информации таким образом, чтобы установить примерно одинаковую вероятность появления единиц и нулей на линии. Устройство, или блоки, выполняющие "перемешивание", называются скремблерами (scramble - свалка, беспорядочная сборка).

1.5.5.3 Биполярный импульсный код

Кроме потенциальных в сетях используются и импульсные коды когда, данные представлены полным импульсом или его частью - фронтом. Наиболее простым случаем такого подхода является биполярный импульсный код, в котором единица представлена импульсом одной полярности, а ноль - другой. Он обладает отличными самосинхронизирующими свойствами, но постоянная составляющая может присутствовать. Кроме того, спектр у него шире, чем у потенциальных кодов. Из-за слишком широкого спектра биполярный импульсный код используется редко.

1.5.5 Манчестерский код

В локальных сетях до недавнего времени самым распространенным методом кодирования был так называемый манчестерский код. Он применяется в технологиях Ethernet и Token Ring. Здесь для кодирования единиц и нулей используется перепад потенциала, т. е. фронт импульса. Информация кодируется перепадами потенциала, происходящими в середине каждого такта.

Логическое кодирование используется для улучшения потенциальных кодов типа AMI и должно заменять длинные последовательности бит, приводящие к постоянному потенциалу, вкраплениями единиц. Для логического кодирования характерны два метода: избыточные коды и скремблирование.

Избыточные коды основаны на разбиении исходной последовательности бит на порции, часто называемые символами. Затем каждый исходный символ заменяется на новый, который имеет большее количество бит, чем исходный.

Скремблирование - это перемешивание данных скремблером перед передачей их в линию с помощью потенциального кода. Методы скремблирования заключаются в побитном вычислении результирующего кода на основании бит исходного кода и полученных в предыдущих тактах бит результирующего кода.

1.5.6 Обработка аналоговой и цифровой информации

Формы представления информации в современном мире весьма многообразны. Ее можно получить самыми разными способами: извлечь, наблюдая за окружающим миром, событиями в жизни общества; присутствуя в театре, кино; посещая выставки; при чтении книг, журналов; изучении различных документов, чертежей и т. п.

Информация, получаемая посредством визуального наблюдения, чтения, является зрительной. Ее можно не только получить, но и передать с помощью мимики и жестов, а также книг, газет, картин, чертежей и других различных изображений.

В общении людей присутствует звуковая информация. К ней относятся: устная речь, музыкальные звуки и всевозможные восклицания.

Особое внимание следует уделить письменности - знаковому (буквенному) представлению устной речи, в котором звукам соответствуют буквы.

С одной стороны, чтение книг, журналов и других источников, содержащих информацию в письменном виде, относится к зрительной информации; с другой стороны, письменность - это обозначение устной речи, которая относится к звуковой информации. Таким образом, одну и ту же информацию можно прочитать, т. е. увидеть и услышать.

Следует отметить, что устная передача информации намного богаче письменной. В разговоре всегда присутствуют различные интонации, выражающие эмоциональное состояние говорящего. Это придает особую выразительность и несет в себе дополнительную информацию. То же самое можно сказать и о музыкальных произведениях. Аналогично письменности ноты являются знаковым представлением музыкальных звуков. Но записанное в нотах музыкальное произведение не сравнимо с тем же произведением, исполненным музыкантом.

Обмен информацией происходит не только среди людей. Работа машин также невозможна без процессов обработки информации.

В существующих на сегодняшний день разнообразных технических устройствах и системах прием, обработка и передача информации осуществляются с помощью сигналов. Сигналы отражают физические характеристики изучаемых объектов и процессов. Кроме этого, информация в виде сигнала может различным образом перерабатываться, сохраняться, уничтожаться и т. п.

На сегодняшний день различают несколько видов сигналов: звуковые, которые можно услышать при работе милицейской сирены; световые, передающие информацию от пульта дистанционного управления к телевизору. Но наибольшее распространение в современных технических устройствах получили электрические сигналы. Это связано с тем, что для них в настоящее время созданы наилучшие технические средства обработки, хранения и передачи.

При передаче информации посредством электрического сигнала значение информации, заключенной в этом сигнале, выражается в параметрах электрического тока: силе тока и напряжении. При этом информация, переносимая таким сигналом, может быть самой разнообразной.

Существующие в технических устройствах сигналы делятся на непрерывные (аналоговые) и дискретные.

Непрерывность сигнала означает возможность его изменения на любую малую величину в любой заданный малый промежуток времени (рис. 1.3).

Непрерывный сигнал. Образование аналогового сигнала происходит, например, при получении первичной информации с датчиков,

Рис. 1.3. Непрерывный сигнал

связанных с изучаемым объектом или внешней средой. Полученный аналоговый сигнал, требует дальнейшей обработки. Это может быть передача, преобразование или сохранение. Продемонстрировать аналоговую обработку сигнала можно, рассматривая процесс преобразования сигнала, идущего от микрофона к динамику. Чтобы динамик мог воспроизвести звуковой сигнал, поступивший на вход микрофона, необходимо, чтобы произошел процесс обработки поступившего сигнала. Микрофон преобразует звуковой сигнал в слабый электрический, выходной характеристикой которого является напряжение. Микрофон и динамик применяются в случае, когда стоит проблема усиления звукового сигнала. Для этого производится обработка - целенаправленное усиление аналогового электрического сигнала до требуемой величины. Получив таким образом необходимый сигнал, динамик его преобразовывает в звуковой, но уже более сильный, чем поступивший на вход микрофона.

Примером аналоговой передачи сигнала является передача речевой информации по телефонным проводам.

Аналоговое сохранение информации является также довольно распространенным явлением, например, запись звукового сигнала на магнитофонную ленту.

До 70-х гг. ХХ в. технические устройства работали только с аналоговыми сигналами, каковыми являлись и способы их обработки. Это означало, что обработка сигнала проводилась на непрерывном интервале времени (в каждый малый промежуток времени). В результате получался также аналоговый сигнал (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Аналоговое преобразование сигнала

С появлением в 70-х гг. ХХ в. микропроцессора (основного элемента ЭВМ), а также микросхем с высокой степенью интеграции стали получать распространение дискретные и цифровые сигналы, а вместе с ними и соответствующие способы их обработки.

Дискретность сигнала означает возможность его измерения только на конечном отрезке, в строго определенные моменты времени. Следовательно, сам сигнал представляет собой уже не непрерывную функцию, а последовательность дискретных значений. На рисунке 1. 5 показаны дискретные значения функции, полученные в дискретные моменты времени, имеющие лишь только приближенные числовые значения. В зависимости от решаемой задачи эти значения могут быть зафиксированы только в данных временных точках, но могут сохранять свое значение в промежутке от данной до следующей точки измерения.

Рис. 1.5. Дискретный сигнал

В случае когда наличие приближенных значений не удовлетворяет поставленной задаче, производят округление имеющихся значений с заданной степенью точности. Вместо приближенных значений получаются определенные конечные числовые значения (рис. 1.6). Дискретный сигнал, значения которого выражены определенными конечными числами, называется цифровым.

Аналогично аналоговым устройствам обработки аналоговых сигналов существуют также специальные технические устройства для обработки, хранения, передачи цифровых сигналов. Бурное развитие вычислительной техники, средств телекоммуникации непосредственно связано с обработкой цифровых сигналов, поскольку цифровая cвязь имеет множество преимуществ по сравнению с аналоговой.

Рис. 1.6. Цифровой сигнал

Цифровой способ хранения информации нашел широкое применение при записи различного рода информации на аудио- и видео-компакт-дисках (CD-ROM).

Цифровая передача данных используется при обмене информацией между компьютерами с помощью модема или при работе с факсимильными средствами связи.

Довольно сложной оказывается цифровая обработка сигнала, например, цифровыми фильтрами, основанными на алгоритмах преобразования Фурье.

Несмотря на то что цифровая обработка информации приобретает в настоящее время все большее распространение, отказаться от аналоговой невозможно: еще остается достаточно много систем и устройств, в которых информация может передаваться только в виде аналогового сигнала. В связи с этим решаются различные вопросы, ищутся способы преобразования аналогового сигнала в цифровой и наоборот.

Очевидно, при преобразовании исходного аналогового сигнала в цифровой появляется определенная погрешность, что является недостатком. Но, увеличивая число дискретов по оси времени и функции сигнала, можно достичь уменьшения погрешности. Использование современных высокоскоростных технических средств обработки и хранения цифровых сигналов позволяет значительно упростить и удешевить процесс преобразования аналогового сигнала в цифровой, а также устранить недостатки, присущие аналоговой передаче сигнала (например влияние шумов) и получить ряд важных преимуществ.

В результате даже такие области телекоммуникации, как телефонная связь и радиовещание, где традиционным являлся аналоговый сигнал, переходят на цифровую форму обработки и передачи сигналов. Этот процесс получил наибольшее развитие с появлением глобальных компьютерных сетей. Распространенным средством осуществления связи между компьютерами является телефонная сеть. Исходное сообщение, поступающее в телефонную линию, преобразуется в аналоговый сигнал. После этого специальные технические средства производят последующее преобразование этого аналогового сигнала в цифровой, и уже в цифровом виде он обрабатывается, хранится, передается. Только достигнув получателя, цифровой сигнал преобразуется обратно в аналоговый и воспринимается абонентом в привычном ему виде.

Таким образом, существующие виды информации: зрительная и звуковая, с помощью которых общаются люди, а также информация в виде сигналов, непосредственно связаны между собой. Преобразования информации из одного вида в другой показывают, насколько важен и непрерывен процесс обмена информацией. Применение технических устройств делает этот процесс неотъемлемой частью жизни человеческого общества.

1.5.7 Модуляция сигналов

Вследствие сильного затухания электромагнитной волны для передачи сигнала на расстояния приходится вызывать достаточно мощные электромагнитные колебания среды. Следовательно, перед передачей сигнал надо в достаточной мере усилить, произвести некоторые преобразования, чтобы получатель смог выделить (детектировать) полезный сигнал из общего фона электромагнитных колебаний среды.

Модуляция сигнала - процесс изменения одного сигнала в соответствии с формой другого сигнала.

Модуляция осуществляется для передачи данных с помощью электромагнитного излучения. Обычно модификации подвергается синусоидальный сигнал (несущая). Различают амплитудную, частотную, фазовую, импульсно-кодовую, спектральную, поляризационную модуляции.

В радиосвязи чаще всего используют амплитудную (АМ, AM -amplitude modulation), частотную (ЧМ, FM - frequency modulation) и фазовую (ФМ, РМ - phase modulation) модуляции. При передаче сообщения, представленного дискретными символами, вместо термина "модуляция" применяется термин "манипуляция", а само колебание называется манипулированным.

Несущая - синусоидальный сигнал определенной частоты с низким коэффициентом затухания для данной среды передачи, модулируемый полезным сигналом.

Амплитудная модуляция - это модуляция, при которой незатухающие колебания изменяются по амплитуде в соответствии с модулирующими колебаниями более низкой частоты (рис. 1.7).

В радиовещании в длинно- и средневолновом диапазонах радиоволн широко используется амплитудная модуляция сигнала. На вход модулятора подаются опорный и передаваемый (модулирующий) сигналы, а на выходе получают смодулированный, положительная огибающая которого и есть исходный сигнал. Для корректного преобразования необходимо, чтобы несущая частота была в два раза выше, чем верхняя граница полосы модулирующего сигнала. Спектр амплитудно-модулированного колебания содержит составляющую несущей частоты f_н и две боковые полосы (верхнюю и нижнюю), имеющие спектр, подобный спектру модулирующего колебания.

Таким образом, спектр модулированного сигнала симметричен, и для рационального использования передающего оборудования одну из боковых полос спектра передаваемого сигнала подавляют. При использовании разных частот опорного сигнала можно одновременно передавать несколько независимых сигналов, только необходимо соблюсти условие непересечения полос смодулированных сигналов. Данный способ модуляции довольно прост в реализации, но менее устойчив к помехам, чем другие методы, рассматриваемые ниже. Помехонеустойчивость объясняется относительно узкой полосой модулированного сигнала (всего в два раза шире, чем у исходного). Тем не менее это обстоятельство позволяет использовать амплитудную модуляцию в низко- и среднечастотных диапазонах электромагнитного спектра. Амплитудная манипуляция используется в низкоскоростных информационных системах (скорость менее 600 бит/с).

Рис. 1.7. Амплитудная модуляция

Частотная модуляция - это модуляция, при которой несущая частота сигнала изменяется в соответствии с модулирующим колебанием.

При частотной модуляции модулирующий сигнал модулирует не мощность опорного сигнала, а его частоту (рис. 1.8), т. е. если уровень сигнала увеличивается, то частота растет и наоборот. Из-за этого спектр частотно-модулированного сигнала значительно шире, и соответственно, хорошая помехоустойчивость, но необходимо использовать высокочастотные диапазоны вещания. Частотная манипуляция находит применение в модемах, обеспечивающих скорость передачи 1200-1800 бит/с.