Цифровая связь, печать, звук, изображение

Цифровая связь означает, что при передаче все - начиная от музыки до живописи - превращается в ряд чисел. Воспроизведение осуществляется быстрее, данные легче хранить, и они свободны от искажений. Это стало возможным только с появлением компьютерной технологии вычислений.

Аналоговые и цифровые сигналы. В природе большая часть информации поступает к нам в форме звука или света, которые распространяются в виде волн. Коммуникационные системы могут использовать как постоянные, так и дискретные сигналы. Системы, в которых применяются непрерывные сигналы, называют аналоговыми, поскольку они создают изменения электрического тока или напряжения, аналогичные исходным волнам. Цифровые коммуникационные системы, напротив, измеряют исходные волны и описывают их рядом дискретных чисел.

Эти числа превращают в бинарные (система счисления, основанная на цифрах 1 и 0). Затем с помощью бинарных чисел генерируют поток электрических импульсов, в которых цифра 1 соответствует состоянию «вкл.» (включено), а 0 - состоянию «выкл.» (выключено). Когда импульсы попадают в приемник, устройство, называемое цифроаналоговым преобразователем (ЦАП), превращает их снова в звук или свет, позволяя нам услышать сообщение или увидеть изображение, которые были переданы всего лишь как поток единиц и нулей.

Преимущества цифр. Цифровая передача имеет много преимуществ над аналоговой. Ее природа позволяет обнаружить и исправить ошибки, сжать информацию для ускорения передачи. Цифровые устройства могут общаться, поскольку они используют информацию в одинаковой, цифровой, форме. Поэтому вы можете, например, подключить цифровую камеру к компьютеру, загрузить музыкальные файлы из Интернета или послать фотографию по электронной почте.

1. Аналоговый сигнал. Передается изменениями электрического напряжения или тока. Он может возникать, например, в микрофоне, представляя звуковую волну, или в видеокамере, передавая изменения яркости сцены.

2. Дискретизация. Амплитуду (или «высоту») волны измеряют через равные интервалы времени. В цифровых телефонных передачах волну измеряют по шкале от 0 до 255.

3. Квантование. Аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) превращает десятичное значение каждой дискреты в двоичное. Двоичные числа представляют значение только в виде нулей и единиц.

4. Передача. Сигнал передается по проводу, оптоволоконному кабелю или с помощью микроволновой радиосвязи в форме потока импульсов (потока битов).

5. Искажение. Электрические импульсы могут претерпевать искажения во время передачи. Часть искажений – следствие воздействий других сигналов канала, а часть - так называемый шум - возникает спонтанно всякий раз, когда обрабатывается сигнал.

6. Регенерация. Если сигнал получен своевременно, искажения можно удалить и восстановить(регенерировать) исходные импульсы. В системы цифровых коммуникаций обычно встраивают пункты регенерации, чтобы обеспечить доставку сигнала в состоянии, пригодном для безошибочного декодирования обратно в аналоговый.

Цифровая печать. Во всех компьютерах двоичные числа используют для представления букв, цифр и рукописных символов. Эти компьютерные коды впервые были стандартизованы в 1963 в виде американского стандартного кода для обмена информацией (American Standard Code for Information Interchange, или код ASCII), известного также как машинный код.

Код ASCII в настоящее время применяется во всех персональных компьютерах в странах, где используют латинский алфавит, в нем строка из восьми двоичных цифр (или бит) представляет один из 128 символов. Этого достаточно для кодирования строчных и прописных букв, цифр, знаков препинания, а первые 32 символа этого кода являются управляющими, например «перевод строки». Дополнительные, или «расширенные», 128 символов применяются для кодирования графических символов и нелатинских букв.

Буква «к», например, кодируется числом 107. Когда на клавиатуре нажимают клавишу «к», генерируется машинный код 107, который затем превращается в эквивалентное двоичное число (01101011). Этот двоичный сигнал обрабатывается компьютером, и буква «к» появляется перед вами на экране; все это происходит в течение микросекунд.

Для представления языков с более сложным алфавитом, таких, как китайский и японский, требуется 16 двоичных цифр.

Цифровой звук. Впервые цифровой звук был передан по телефону. Когда звук превращают из аналогового в цифровой, его измеряют (дискретизируют) через равные интервалы времени. Качество получающегося при этом сигнала зависит как от точности измерения (разрешения шкалы), так и от скорости дискретизации (число измерений в секунду).

Используют два основных типа дискретизации: 8-битовую и 16-битовую. Однако эта технология быстро развивается, позволяя разрабатывать воспроизведение звука со все более высоким качеством.

8-битовая дискретизация. В цифровой телефонии применяют 8-битовую дискретизацию, так как человеческий голос обладает не очень широким набором частот. В этом процессе частоты звуковой волны измеряют как двоичное число из 8 цифр. Каждое измерение получает одно из 256 различных значений, поскольку 256 - наибольшее число, которое может быть представлено 8 двоичными единицами. В результате мы слышим вполне ясную речь, но этого недостаточно, например, для передачи музыки. Цифровые телефоны проводят дискретизацию со скоростью 8000 раз в секунду. Скорости в 10 000 измерений в секунду (10 кГц) достаточно для цифровой записи речи.

16-битовая дискретизация. В аудиокомпакт-дисках используется 16-битовая дискретизация, которая дает шкалу с 65 636 различными уровнями сигнала, а измерения проводят со скоростью 44 100 раз в секунду (44,1 кГц) в каждом из двух стереоканалов. В результате получают значительно более качественное звучание по сравнению с 8-битовой дискретизацией. Новые системы, такие, как DVD-аудио, используют 24-битовую дискретизацию (почти 17 млн. значений уровня сигнала).

Цифровое изображения. Все электронные системы обработки изображений действуют по принципу сканирования изображения узкими полосками. Каждая полоска в свою очередь разбивается на мелкие квадраты, называемые пикселями (от англ. - элемент изображения). Для воспроизведения цвета каждый пиксель кодируют по уровню красного, зеленого и синего - трех первичных цветов, содержащихся в нем. Для каждого пикселя измеряют яркость каждого цвета и, как в других цифровых системах, превращают в двоичное число. В результате получают так называемое битовое, или растровое, изображение, которое можно передать по линии связи, записать и воспроизвести на экране телевизора, мониторе компьютера или другим цифровым устройством.

Чистота и четкость изображения зависят от нескольких факторов: числа пикселей в заданном участке, частоты сканирования и глубины цвета - числа уровней (как для звука), в которых измеряется яркость каждого цвета в одном пикселе. Высококачественные цветные изображения обычно сканируют с разрешением 12 бит на каждый первичный цвет (4096 различных градаций яркости) и 22 500 пикселей на квадратный дюйм, что примерно в 8 раз превосходит разрешение телевизионного или компьютерного экрана.

Лоскутная картина. Каждый пиксель интерпретирует цветовые значения внутри своего маленького квадрата.