Методи і принципи кодування інформації в цифрових каналах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Національний університет “Львівська політехніка”

Реферат

з дисципліни:«Радіо- та оптичні тракти безпровідних інформаційних мереж»

На тему: «Методи і принципи кодування інформації в цифрових каналах»

Львів 2014



Зміст

Вступ

1. Інформація

2. Одиниці виміру цифрової інформації

3. Передача цифрової інформації

4. Кодування і декодування цифрової інформації

5. Кодування текстової інформації

6. Кодування графічної інформації

7. Кодування звукової інформації

Висновок

Список використаної літератури



Вступ

Цифрові технології день у день все більше наповнюють навколишній світ, і цей процес з часом тільки прискорюється. У повсякденному побуті будь-якого з нас вже сьогодні присутня велика кількість різних цифрових пристроїв, кожне з яких має характеристики та властивості, значення яких виявляється не завжди відомим і зрозумілим для споживача. Деякі з стали вже абсолютно звичними електронні пристрої, так само як і комп'ютерні програми, залишаються для споживача якимись чорними ящиками, пристрій і принцип дії яких приховано від очей.

Історична довідка.

Згідно з гіпотезою американського дослідника історії походження мови Г. Хьюза, запропонованій у 1973 р., звуковій мові людей передувала мова жестів, яка почала спонтанно виникати 3 млн. років до н. е. Потім мова жестів стала доповнюватися мовою 20…40 звуків. Лише за 100 тис. років до н. е. мова звуків остаточно витіснила мову жестів. Посилено розвиватися звукова мова почала лише останні 100…40 тис. років до н. е.

Першим підтвердженням цієї гіпотези служить те, що мови жестів мавп (шимпанзе використовують 200 жестів, а горили -- 1000) і дітей у домовний - „сенсомоторний” - період збігаються.

Друге підтвердження гіпотези було отримано екпериментально. Так, коли мавпу навчали мові жестів людини (її навчали так, як навчають глухоніму людину), вона засвоювала близько 500 слів і досягала рівня розвитку п'ятирічної дитини. Мавпа спілкувалася цією мовою з людьми й іншими родичами-мавпами. При цьому мавпа навіть уміла робити узагальнення (на зразок: цитрина й мандарин -- цитрусові) та ще й лаятися (так, знаючи слово „сміття”, мавпа вилаяла чоловіка, який роздратував її: „Ти -- сміттєвий (тобто “брудний”) чоловік”.

Писемну мову фіксували на камені, вузликами, на корі, на шкірі тощо.

Стан інформації в суспільстві від рабовласницького ладу до розквіту капіталістичного ладу (початок 19 ст.).

Дослідження інформації розпочалося з виникнення телеграфу й дослідження проблем передачі повідомлень у ньому.

Сучасна теорія інформації виникла на основі математичної теорії зв'язку.

Мандруючи в 1832 р. через океан, Самюель Морзе розпочав створення першого телеграфного апарата. У першому варіанті на паперову стрічку виводились крапки й тире, які позначали слова із заздалегідь складеної таблиці дозволених для передачі слів (1837 р.). Це був однополюсний телеграф (струм є або нема).

У 1839 р. Морзе у сумісній роботі з Альфредом Вайлем відмовився від цього методу й запропонував той спосіб, який тепер називають азбукою Морзе. Тут букви позначають крапками, тире й паузами між ними (тире дорівнює тривалості трьох крапок). Пауза позначалася відсутністю струму, а крапки й тире -- короткими й довгими імпульсами струму.

Коди літер були нерівновеликі, тобто чим частішою була літера, тим коротшим був її код (це вело до скорочення часу передачі повідомлень). Частоти визначалися на основі кількості літер у набірних касах.

У 1843 р. уряд США прийняв рішення про встановлення телеграфного зв'язку між Вашингтоном і Балтимором. Виявилося, що прокладання кабелю під землею та під водою веде до того, що сигнали можуть зливатися чи змінюватися (наприклад, крапка -- на тире). Тому для прокладання було обрано стовпи, на які підвішували кабель.

На кабель, як виявилося, впливає магнітне поле Землі, яке викликає в ньому певні „паразитні” струми. Такі струми було пізніше названо шумами.

Пізніше телеграф удосконалили, а саме -- його зробили двохполюсним: струму нема, стум іде в одному напрямі або в протилежному напрямі.

У 1855 р. особливості передачі сигналів розрахував Вільям Томсон (лорд Кельвін).

У 1874 р. Томас Едісон використав не тільки два різні напрями струму, а й додав до кожного напряму два різні значення. Але це вело до того, що ці значення стало важче розрізняти.

Нова хвиля досліджень розпочалася після винаходу в 1875 р. Олександром Грехемом Беллом телефона.

Великий вклад у проблему передачі сигналів зробив відомий математик Жозеф Фур'є, який запропонував математичний апарат для дослідження накладання сигналів один на одного (враховувалася амплітуда коливань, їх частота й хххх). Крім нього, проблемами передачі сигналів каналами електричного зв'язку займалися також відомі математики Анрі Пуанкаре, а також американський математик Гаррі Найквіст (у 1924 р. опублікував одну з базових статтей, де показав, як залежить швидкість передачі від кількості значень у сигналі). Найквіст також встановив, як правильно визначити максимально можливу швидкість передачі сигналів по каналу за 1 с.; він вказав, як правильно одночасно передавати по одному каналу і телеграфні повідомлення, і телефонні розмови; вказав, як залежить швидкість передачі від ширини діапазону використовуваних частот; вказав на наявну надлишкову складову в сигналі.

У 1928 р. американський дослідник Хартлі опублікував роботу „Передача інофрмації”. Він першим показав, що кількість інформації в повідомленні H ріна

H = n log2 s,

де n -- кількість вибраних символів, а s -- кількість різних символів у наборі, з яких роблять вибір. Ця формула справедлива тоді, якщо вибір символів рівноімовірний.

Під час Другої світової війни роботи в ділянці передачі інформації було перервано. Але з'явилася нова група задач: як по електричному сигналу від радіолокатора визначити, в якій точці через певний час буде літак, що зараз має якісь певні координати? Цю задачу вирішили російський математик А. Колмогоров і Н. Вінер (автор книги „Кібернетика”, 1948 р.).

Кібернетичний період.

Етап класичної імовірнісної теорії інформації К. Шеннона. У час війни проблемою передачі інформації зайнявся ще один відомий математик -- Клод Шеннон. Він займався дослідженням того, якого типу сигнали потрібно посилати, щоби краще передати повідомлення певного типу по заданому каналу з шумами. Таким чином, було поставлено проблему ефективного кодування й надійного отримання повідомлення. Так виникла класична (імовірнісна) теорія інформації.

У повному викладі основні положення цієї теорії було опубліковано в 1948 р. у двох статтях.

Етап виникнення алгоритмічної та семантичної концепцій теорії інформації (А. Колмогорова, Р. Карнапа й І. Бар-Хіллела). Як виявилося, теорія інформації К. Шеннона фактично стосувалася лише передачі сигналів у технічних каналах зв'язку, а тому до другого значення слова інофрмація („знання”) вона мала доволі опосередковане відношення. Тому науковці вели дослідження для подолання вказаного недоліку. Результатом цих досліджень стало виникнення ще двох концепцій теорії інформації.

Перша з цих двох концепцій була опублікована в 1953 р. дослідниками Р. Карнапом та І. Бар-Хіллелом. Ця концепція була названа семантичною, оскільки передбачала визначення кількості інформації у твердженнях -- конструкціях математичної логіки.

Друга концепція була опублікована в 1965 р. відомим російським математиком А. Колмогоровим. Вона отримала назву алгоритмічної, оскільки передбачала визначення кількості інформації на основі програми (і, відповідно, алгоритму), яка перетворює ордин об'єкт в інший.

1. Інформація

Перш за все, хотілося б сказати, що всі цифрові технології засновані на методах кодування і передачі інформації. Розглянемо детальніше, що ж таке цифрова інформація, її одиниці виміру, принципи кодування і передачі цифрової інформації.

Термін «інформація» походить від латинського informatio, - роз'яснення, виклад, обізнаність.

Інформацію можна класифікувати різними способами, і різні науки це роблять по-різному. Наприклад, у філософії розрізняють інформацію об'єктивну і суб'єктивну. Об'єктивна інформація відображає явища природи і людського суспільства. Суб'єктивна інформація створюється людьми і відображає їх погляд на об'єктивні явища.

В інформатиці окремо розглядається аналогова інформація і цифрова. Це важливо, оскільки людина завдяки своїм органам почуттів, звик мати справу з аналоговою інформацією, а обчислювальна техніка, навпаки, в основному, працює з цифровою інформацією.

Людина сприймає інформацію за допомогою органів почуттів. Світло, звук, тепло - це енергетичні сигнали, а смак і запах - це результат впливу хімічних сполук, в основі якого теж енергетична природа. Людина відчуває енергетичні впливу безперервно і може ніколи не зустрітися з однією і тією ж їх комбінацією двічі. Немає двох однакових зелених листків на одному дереві і двох абсолютно однакових звуків - це інформація аналогова. Якщо ж різним кольорам дати номери, а різним звукам - ноти, то аналогову інформацію можна перетворити у цифрову.

Музика, коли її слухають, несе аналогову інформацію, але якщо записати її нотами, вона стає цифровою.

Різниця між аналоговою інформацією і цифровий, перш за все, в тому, що аналогова інформація неперервна, а цифрова дискретна.

До цифровим пристроям відносяться персональні комп'ютери - вони працюють з інформацією, представленої в цифровій формі, цифровими є і музичні програвачі лазерних компакт-дисків.

2. Одиниці виміру цифрової інформації

Біт - найменша одиниця подання інформації. Байт - найменша одиниця обробки і передачі інформації. Одиниця виміру інформації називається біт (bit) - скорочення від англійських слів binary digit, що означає двійкова цифра.

У комп'ютерній техніці біт відповідає фізичному стану носія інформації: намагнічене - не намагнічене, є отвір - немає отвору. При цьому один стан прийнято позначати цифрою 0, а інше - цифрою 1. Вибір одного з двох можливих варіантів дозволяє також розрізняти логічні істину і брехню. Послідовністю бітів можна закодувати текст, зображення, звук або яку-небудь іншу інформацію. Такий метод представлення інформації називається двійковим кодуванням (Binary encoding).

В інформатиці часто використовується величина, яка називається байтом (byte) і рівна 8 бітам. І якщо біт дозволяє вибрати один варіант з двох можливих, то байт, відповідно, 1 з 256 (2 ^8). Поряд з байтами для вимірювання кількості інформації використовуються більші одиниці:

1 Кбайт (один кілобайт) = 2 ¹⁰ байт = 1024 байта;

1 Мбайт (один мегабайт) = 2 ¹⁰ Кбайт = 1024 Кбайта;

1 Гбайт (один гігабайт) = 2 ¹⁰ Мбайт = 1024 Мбайта.

Наприклад, книга містить 100 сторінок; на кожній сторінці - 35 рядків, в кожному рядку - 50 символів. Обсяг інформації, що міститься в книзі, розраховується наступним чином:

Сторінка містить 35 Ч 50 = 1750 байт інформації. Обсяг всієї інформації в книзі (у різних одиницях):



1750 Ч 100 = 175 000 байт.

175 000 / 1024 = 170,8984 Кбайт.

170,8984 / 1024 = 0,166893 Мбайт.

3. Передача інформації

Інформація передається у вигляді повідомлень від деякого джерела інформації до її приймача за допомогою каналу зв'язку між ними. Джерело посилає передане повідомлення, яке кодується в передаваний сигнал. Цей сигнал посилається по каналу зв'язку. У результаті в приймачі з'являється сигнал, що приймається, який декодується і стає прийнятою повідомленням. Передача інформації з каналів зв'язку часто супроводжується впливом перешкод, що викликають спотворення і втрату інформації.

Будь-яка подія чи явище може бути виражене по-різному, різними способами, різним алфавітом. Щоб інформацію більш точно і економно передати по каналах зв'язку, її треба відповідно закодувати.

Інформація не може існувати без матеріального носія, без передачі енергії. Закодоване повідомлення набуває вигляду сигналів-носіїв інформації, які йдуть на каналі. Вийшовши на приймач, сигнали повинні знайти знову загальнозрозумілою вигляд за допомогою декодуючого пристрою.

Сукупність пристроїв, предметів або об'єктів, призначених для передачі інформації від одного з них, що назване джерелом, до іншого, іменованого приймачем, називається каналом інформації, або інформаційним каналом.

Прикладом може служити телефон. При телефонної передачі джерело повідомлення - говорить. Кодуючий пристрій, змінює звуки слів в електричні імпульси, - мікрофон. Канал, по якому передається інформація, - телефонний дріт. Частина трубки, яку ми підносимо до вуха, виконує роль декодуючого пристрої (електричні сигнали знову перетворюються на звуки). Інформація надходить в "приймаючий пристрій" - вухо людини на іншому кінці дроту. Канал включає в себе телефонні апарати (пристрої), проводи (предмети) і апаратуру АТС (пристрої). Особливістю цього інформаційного каналу є та обставина, що при вступі до нього інформація, представлена ??у вигляді звукових хвиль, перетворюється в електричні коливання і потім передається. Такий канал називається каналом з перетворенням інформації. Але це приклад передачі аналогової інформації.

Ще один приклад, але вже цифрової інформації - комп'ютер. Окремі його системи передають одна одній інформацію за допомогою сигналів. Комп'ютер - пристрій для обробки інформації (як верстат - пристрій для обробки металу), він не створює з "нічого" інформацію, а перетворює те, що в нього введено. Комп'ютер є інформаційним каналом з перетворенням інформації: інформація надходить із зовнішніх пристроїв (клавіатура, диск, мікрофон), перетворюється у внутрішній код і обробляється, перетвориться у вид, придатний для сприйняття зовнішнім вихідним пристроєм (монітором, друкуючим пристроєм, динаміками і ін), і передається на них.

4. Кодування і декодування цифрової інформації

Кодування інформації - це процес формування певного уявлення інформації. Інформація здійснює перехід від вихідної форми подання інформації у форму, зручну для зберігання, передачі або обробки. Декодування - коли інформація здійснює зворотний перехід до вихідного поданням інформації.

У більш вузькому сенсі під терміном «кодування» часто розуміють перехід від однієї форми подання інформації до іншої, більш зручною для зберігання, передачі або обробки. Комп'ютер може обробляти тільки інформацію, представлену в числовій формі. Вся інша інформація (звуки, зображення, показання приладів і т. д.) для обробки на комп'ютері повинна бути перетворена в числову форму.

цифрова інформація кодування оцифрування

Як правило, вся інформація в комп'ютері представлені за допомогою нулів і одиниць. Іншими словами, комп'ютери зазвичай працюють у двійковій системі числення, оскільки при цьому пристрої для їх обробки виходять значно простішими. За допомогою двох цифр 0 і 1 можна закодувати будь-яке повідомлення.

Інженерів такий спосіб кодування залучив простотою технічної реалізації - є сигнал чи ні сигналу. Ці стани легко розрізняти. Недолік двійкового кодування - довгі коди. Але в техніці легше мати справу з великою кількістю однотипних елементів, ніж з невеликим числом складних.

Пристрої, що забезпечують кодування і декодування, будемо називати відповідно кодувальником і декодировщик. На рис. 1 наведена схема, що ілюструє процес передачі повідомлення у випадку перекодування, а також впливу перешкод.

В даний час існують різні способи кодування і декодування інформації в комп'ютері. Вибір способу залежить від виду інформації, яку необхідно кодувати: текст, число, графічне зображення або звук. Для чисел, крім того, важливу роль відіграє те, як буде використовуватися число: у тексті або в обчисленнях, або в процесі введення-виведення.

Розглянемо основні принципи кодування інформації в комп'ютері.

5. Кодування текстової інформації

Починаючи з 60-х років, комп'ютери все більше стали використовувати для обробки текстової інформації і в даний час велика частина ПК у світі зайнято обробкою саме текстової інформації.

Для кодування одного символу потрібно один байт інформації. Враховуючи, що кожен біт приймає значення 1 або 0, отримуємо, що за допомогою 1 байта можна закодувати 256 різних символів. (2 ⁸ = 256) Кодування полягає в тому, що кожному символу ставиться у відповідність унікальний двійковий код від 00000000 до 11111111 (або десятковий код від 0 до 255). Важливо, що присвоєння символу конкретного коду - це питання угоди, яке фіксується кодовою таблицею.

Наприклад, ви натискаєте на комп'ютері латинську букву S. У цьому випадку в пам'ять комп'ютера записується код 01010011. Для виведення букви S на екран в комп'ютері відбувається декодування - з цього двійкового коду будується його зображення.

Цифри кодуються за стандартом ASCII в двох випадках - при введенні-виведенні і коли вони зустрічаються у тексті. Якщо цифри беруть участь в обчисленнях, то здійснюється їх перетворення в іншій двійковий код.

Візьмемо число 57. При використанні в тексті кожна цифра буде представлена ??своїм кодом згідно з таблицею ASCII. У двійковій системі це - 00110101 00110111. При використанні в обчисленнях код цього числа буде отримано за правилами перекладу в двійкову систему і отримаємо - 00111001.

6. Кодування графічної інформації

Під графічною інформацією можна розуміти малюнок, креслення, фотографію, зображення в книзі, зображення на екрані телевізора або в кінозалі і т. д. Для обговорення загальних принципів кодування графічної інформації в якості конкретного, досить загального випадку графічного об'єкта виберемо зображення на екрані телевізора. Це зображення складається з деякої кількості горизонтальних ліній - рядків. А кожен рядок в свою чергу складається з елементарних найдрібніших одиниць зображення - точок, які прийнято називати пікселями (picsel - PICture'S ELement - елемент картинки). Піксел на кольоровому дисплеї може мати різне забарвлення, тому одного біта на піксель недостатньо. Для кодування 4-кольорового зображення потрібні два біти на піксель, оскільки два біта можуть приймати 4 різних стану. Може використовуватися, наприклад, такий варіант кодування кольорів: 00 - чорний, 10 - зелений, 01 - червоний, 11 - коричневий. На RGB-моніторах все розмаїття кольорів виходить поєднанням базових кольорів - червоного (Red), зеленого (Green), синього (Blue), з яких можна отримати 8 основних комбінацій:

R	G	B	колір		R	G	B	колір
0	0	0	чорний		1	0	0	червоний
0	0	1	синій		1	0	1	рожевий
0	1	0	зелений		1	1	0	коричневий
0	1	1	блакитний		1	1	1	білий

Весь масив елементарних одиниць зображення називають растром (лат. rastrum - граблі). Ступінь чіткості зображення залежить від кількості рядків на весь екран і кількості точок у рядку, які представляють роздільну здатність екрану або просто дозвіл. Чим більше рядків і точок, тим чіткіше і краще зображення. Досить хорошим вважається дозвіл 640x480, тобто 640 точок на рядок і 480 рядків на екран.

Рядки, з яких складається зображення, можна переглядати зверху вниз один за одним, як би склавши з них одну суцільну лінію. Після повного перегляду першого рядка проглядається друга, за нею третя, потім четверта і т. д. до останнього рядка екрану. Так як кожний з рядків є послідовність пікселів, то все зображення, витягнуте в лінію, також можна вважати лінійною послідовністю елементарних точок. У даному випадку ця послідовність складається з 640x480 = 307200 пікселів. Спочатку розглянемо принципи кодування монохромного зображення, тобто зображення, що складається з будь-яких двох контрастних кольорів - чорного і білого, зеленого і білого, коричневого та білого і т. д. Для простоти обговорення будемо вважати, що один із кольорів - чорний, а другий - білий. Тоді кожен піксель зображення може мати або чорний, або білий колір. Поставивши у відповідність чорному кольору двійковий код "0", а білому - код "1" (або навпаки), ми зможемо закодувати в одному біті стан одного пікселя монохромного зображення. А так як байт складається з 8 біт, то на рядок, що складається з 640 точок, потрібно 80 байтів пам'яті, а на все зображення - 38 400 байтів.

Однак отримане таким чином зображення буде надмірно контрастним. Реальне чорно-біле зображення складається не тільки з білого і чорного кольорів. У нього входять безліч різних проміжних відтінків - сірий, світло-сірий, темно-сірий і т. д. Якщо крім білого і чорного кольорів використовувати тільки дві додаткові градації, скажімо світло-сірий і темно-сірий, то для того щоб закодувати колірне стан одного пікселя, потрібно вже два біти. При цьому кодування може бути, наприклад, такий: чорний колір - 002, темно-сірий - 012, світло-сірий - 102, білий - 112.

Загальноприйнятим на сьогоднішній день, що дає досить реалістичні монохромні зображення, вважається кодування стану одного пікселя за допомогою одного байта, який дозволяє передавати 256 різних відтінків сірого кольору від повністю білого до повністю чорного. У цьому випадку для передачі всього растру з 640x480 пікселів буде потрібно вже не 38 400, а всі 307 200 байтів.

При запису зображення в пам'ять комп'ютера крім кольору окремих точок необхідно фіксувати багато додаткової інформації - розміри малюнка, яскравість точок і т.д. Конкретний спосіб кодування всієї необхідної під час запису зображення інформації утворює графічний формат. Формати кодування графічної інформації, засновані на передачі кольору кожного окремого пікселя, з якого складається зображення, відносять до групи растрових або BitMap форматів (bit map - бітова карта). Растрове зображення являє собою сукупність точок (пікселів) різних кольорів. Найбільш відомими растровими форматами є BMP, GIF і JPEG формати.

Векторне зображення являє собою сукупність графічних примітивів (точка, відрізок, еліпс ...). Кожен примітив описується математичними формулами. Кодування заздрості від прикладної середовища.

Растрова ж графіка володіє істотним недоліком - зображення, закодоване в одному з растрових форматів, дуже погано "переносить" збільшення чи зменшення його розмірів - масштабування. Для вирішення завдань, в яких доводиться часто виконувати цю операцію, були розроблені методи так званої векторної графіки. У векторній графіці, на відміну від заснованої на точці - пікселі - растрової графіки, базовим об'єктом є лінія. При цьому зображення формується з описуваних математичним, векторним способом окремих відрізків прямих або кривих ліній, а також геометричних фігур - прямокутників, кіл і т. д., які можуть бути з них отримано. Фірма Adobe розробила спеціальну мову PostScript (від poster script - сценарій плакатів, оголошень, афіш), службовець для опису зображень на базі зазначених методів. Ця мова є основою для кількох векторних графічних форматів. Зокрема, можна вказати формати PS (PostScript) і EPS, які використовуються для опису як векторних, так і растрових зображень, а також різноманітних текстових шрифтів. Зображення і тексти, записані в цих форматах, більшістю популярних програм не сприймаються, вони можуть переглядатися і друкуватися тільки за допомогою спеціалізованих апаратних і програмних засобів. Отже, будь-яке графічне зображення на екрані можна закодувати c допомогою чисел, повідомивши, скільки в кожному пікселі часткою червоного, скільки - зеленого, а скільки - синього кольорів.

7. Кодування звукової інформації

Розвиток способів кодування звукової інформації, а також рухомих зображень - анімації і відеозаписів - відбувалося з запізненням щодо розглянутих вище різновидів інформації.

Комп'ютер - це цифровий пристрій, тобто електронний пристрій, в якому робочим сигналом є дискретний сигнал. Сьогоднішні комп'ютери оперують дискретними сигналами, що несуть двійкові значення, умовно позначені як «так» і «ні» (на електричному рівні: 0 вольт і V вольт, для деякого ненульового значення V). За допомогою одного двійкового сигналу за один крок можна передати інформацію про один із двох положень: 0 («так») або 1 («ні»). З допомогою N двійкових сигналів за один крок можна передати інформацію про один з 2 N положень (2 N - це число комбінацій нулів і одиниць для N сигналів). Взаємодія всіх складових комп'ютер блоків відбувається шляхом обміну та обробки одним або одночасно кількома двійковими сигналами. Всі - коди управління, а також сама оброблювана інформація - все представляється у комп'ютері у вигляді чисел. З цієї причини і аудіо сигнали в цифровий апаратурі представляють у вигляді чисел.

Отже, яким же чином можна описати аналоговий аудіо сигнал в цифровій формі? Реальний аудіо сигнал - це складне за формою коливання, якась складна залежність амплітуди звукової хвилі від часу. На рис. 2 представлений графік реальної звукової хвилі.

Рис.2. Зображення реальної звукової хвилі

Для комп'ютерної обробки аналоговий сигнал потрібно якимось чином перетворити в послідовність двійкових чисел. Поступимо таким чином. Будемо вимірювати напругу через рівні проміжки часу і записувати отримані значення в пам'ять комп'ютера. Цей процес називається дискретизацією (або оцифруванням).

Перетворення аналогового звукового сигналу в цифровий вигляд називається аналогово-цифровим перетворенням або оцифровуванням. Процес такого перетворення полягає в:

· здійсненні вимірів величини амплітуди аналогового сигналу з деяким тимчасовим кроком - дискретизація,

· подальшого запису отриманих значень амплітуди в чисельному вигляді - квантування.

Процес дискретизації за часом - це процес отримання миттєвих значень преутвореного аналогового сигналу з певним тимчасовим кроком, званим кроком дискретизації.

Чим вище частота дискретизації (тобто кількість відліків за секунду) і чим більше розрядів відводиться для кожного відліку, тим точніше буде представлений звук. Але при цьому збільшується і розмір звукового файлу. Тому залежно від характеру звуку, вимог, що пред'являються до його якості і об'єму займаної пам'яті, вибирають деякі компромісні значення.

Кількість здійснюваних в одну секунду замірів величини сигналу називають частотою дискретизації або частотою вибірки, або частотою семплювання (від англ. «Sampling» - «вибірка»). Очевидно, що чим менший крок дискретизації, тим більша їх кількість (тобто, тим частіше реєструються значення амплітуди), і, значить, тим більш точне уявлення про сигнал ми отримуємо.

Вухо людини не помічає ступінчастість отриманого сигналу. Тут можна провести таку аналогію. Кожна людина дивився в кінотеатрі фільми, і перед його очима на екрані йшло безперервне, плавне дію: Але ж на самій-то справі кінострічка являє собою серію нерухомих, дискретних зображень, які прокручуються з високою швидкістю 24 кадру в секунду. Оскільки людські очі властива деяка інерційність, то їх легко обдурити, ніж надзвичайно вправно користуються кінематографісти. Наші вуха теж в якійсь мірі не ідеальні, і їх можна обдурити подібним чином, представляючи безперервний аналоговий сигнал у вигляді послідовності швидко змінюваних миттєвих значень напруги. Тільки на відміну від кінострічки зміна «звукового кадру» відбувається в тисячі разів швидше. Для повної маскування ступінчастості сигналу застосовуються фільтри нижніх частот, що згладжують форму хвилі.

Тепер, для запису кожного окремого значення амплітуди, його необхідно округлити до найближчого рівня квантування. Цей процес називається квантуванням по амплітуді. Говорячи більш формальним мовою, квантування по амплітуді - це процес заміни реальних (виміряних) значень амплітуди сигналу значеннями, наближеними з деякою точністю. Кожен з 2 N можливих рівнів називається рівнем квантування, а відстань між двома найближчими рівнями квантування називається кроком квантування. Квантування значень сигналу привносить в спектр сигналу додаткову перешкоду, звану шумом квантування або шумом дроблення. Шумом (помилкою) квантування називають сигнал, що становить різницю між відновленим цифровим і вихідним аудіо сигналами. Ця різниця утворюється в результаті округлення виміряних значень сигналу. При цьому виконується наступна закономірність: чим вище розрядність квантування, тим нижче рівень шуму квантування (оскільки тим на менше значення потрібно округляти кожне виміряне значення сигналу). Природа шуму квантування така, що ширина спектральної області, в якій він тягнеться, пропорційна значенню частоти дискретизації.

Процес оцифровки звукового сигналу

Пристрій, що виконує оцифрування називають аналого-цифровим перетворювачем (АЦП). Для того щоб відтворити закодований таким чином звук, потрібно виконати зворотне перетворення (для нього служить цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП), а потім згладити вийшов ступінчастий сигнал.

Процес кодування і декодування звукової хвилі

Описаний спосіб кодування звукової інформації досить універсальний, він дозволяє представити будь-який звук і перетворювати його самими різними способами.

У сучасний час все впирається в обчислювальну потужність сучасної цифрової техніки. Із зростанням точності оцифровки одночасно зростає швидкість потоку цифрових даних, збільшується обчислювальна навантаження на процесор і потрібно підвищений обсяг пам'яті для зберігання цифрових звітів. Є й серйозні схемотехнічні труднощі. Разом зі стрімким зростанням комп'ютерних технологій стає можливим застосовувати більш високі частоти дискретизації і розрядність. Цифровий звук широко застосовується в сучасній звукозаписної індустрії завдяки хорошій якості звучання, високою перешкодозахищеності і зручності зберігання та архівування матеріалу.

В даний час при запису звуку в мультимедійних технологіях застосовуються частоти 8, 11, 22 і 44 кГц. Так, частота дискретизації 44 кілогерц означає, що одна секунда безперервного звучання замінюється набором з сорокачетирех тисяч окремих відліків сигналу. Чим вище частота дискретизації, тим краще якість оцифрованого звуку.

Як зазначалося вище, кожен окремий відлік можна описати деякою сукупністю чисел, які потім можна представити у вигляді деякого двійкового коду. Якість перетворення звуку в цифрову форму визначається не тільки частотою дискретизації, а й кількістю бітів пам'яті, що відводяться на запис коду одного відліку. Цей параметр прийнято називати розрядністю перетворення.

Методів стиснення (форматів), а також програм реалізують ці методи, існує багато. Найбільш відомими є MPEG-1 Layer I, II, III (останнім є всім відомий MP3), MPEG -2 AAC (advanced audio coding), Ogg Vorbis, Windows Media Audio (WMA), TwinVQ (VQF), MPEGPlus, TAC, і інші.

В даний час зазвичай використовується розрядність 8,16 і 24 біт.

На описаних вище принципах грунтується формат WAV (від WAVeform-audio - хвильова форма аудіо) кодування звуку. Отримати запис звуку в цьому форматі можна від підключаються до комп'ютера мікрофона, програвача, магнітофона, телевізора та інших стандартно використовуваних пристроїв роботи зі звуком. Однак формат WAV вимагає дуже багато пам'яті. Так, при записі стереофонічного звуку з частотою дискретизації 44 кілогерц і розрядністю 16 біт - параметрами, що дають хорошу якість звучання, - на одну хвилину запису потрібно близько десяти мільйонів байтів пам'яті.

Крім хвильового формату WAV, для запису звуку широко застосовується формат з назвою MIDI (Musical Instruments Digital Interface - цифровий інтерфейс музичних інструментів). Фактично цей формат являє собою набір інструкцій, команд так званого музичного синтезатора - пристрої, яке імітує звучання реальних музичних інструментів. Команди синтезатора фактично є вказівками на висоту ноти, тривалість її звучання, тип імітованого музичного інструменту і т. д. Таким чином, послідовність команд синтезатора являє собою щось на кшталт нотного запису музичної мелодії. Отримати запис звуку у форматі MIDI можна тільки від спеціальних електромузичних інструментів, які підтримують інтерфейс MIDI. Формат MIDI забезпечує високу якість звуку і вимагає значно менше пам'яті, ніж формат WAV.

Найбільш поширений формат - MPEG-1 Layer III (всім відомий MP3). Формат завоював свою популярність зовсім заслужено - це був перший поширений кодек, який досяг такого високого рівня компресії при відмінній якості звучання. Сьогодні цього кодеку є безліч альтернатив, але вибір залишається за користувачем. Переваги MP3 - широка поширеність і досить високу якість кодування, яке об'єктивно поліпшується завдяки розробкам різних кодерів MP3 ентузіастами. Потужна альтернатива MP3 - кодек Microsoft Windows Media Audio (Файли. WMA і. ASF). За різних тестів цей кодек показує себе від «як MP3» до «помітно гірше MP3» на середніх бітрейтах, і, «краще MP3» на низьких бітрейтах.



Висновок

На сьогодні цілком очевидно лише одне - цифрові технології знаходяться лише на початку свого шляху, і нам ще тільки належить зрозуміти, що значить їх повсюдне впровадження спільно з мініатюризацією, нарощуванням обчислювальних потужностей та обсягів пам'яті.

Абсолютно ясно, що цифрові технології дуже скоро завоюють нові, ще не захоплені рубежі, і що від повсюдного застосування цих технологій нікуди не дітися. Побоюватися цього процесу можна, але чинити опір йому марно.

Цифрові ж технології поки ще дуже молоді, і лише це дозволяє «аналогу» ще залишатися на плаву. Досить швидкий розвиток і постійне здешевлення цифрових пристроїв дає підставу стверджувати, що зовсім скоро «цифра» повністю витіснить аналогові методи запису та обробки інформації. Тільки уявіть собі, як розвиток цих технологій може вплинути на оточуючий нас світ! Все це лише зміцнює думки про те, що шлях не близький, і що найцікавіше нам ще тільки належить побачити.



Список використаної літератури

1. http: / / sdo. uspi. ru / mathem & inform / lek 8 / lek _8. htm

2. kunegin.narod.ru

3. Сергій Арзуманов. Секрети гітарного звуку, Москва, 2003.

4. Симонович С.В. та ін Інформатика. Базовий курс, «Пітер», 2000.

Размещено на Allbest.ru

...