Одной из областей применения Общероссийского классификатора основных средств является бухгалтерский учет в учреждениях. Согласно ОКОФ бухгалтер должен определить код актива и отразить его на соответствующем счете. В ОК 013-94 содержался термин «оргтехника». Что к ней относится, было расшифровано в группировке с кодами 14 301 0000 - 14 301 0440. Как обстоят дела после вступления в силу нового классификатора, рассмотрим далее.
Оргтехника и вычислительная техника: почему возникает путаница
В классификаторе ОК 013-94 понятия вычислительной и оргтехники обособлены. Они оба включены в раздел «Машины и оборудование», но для каждого из них предназначен свой подраздел.
Однако при упоминании всего оборудования организации, которое не относится к машинам, станкам, механизмам и т.п. и предназначено для использования в процессе административного управления или в процессе инженерного труда, принято употреблять термин «оргтехника».
В это понятие включают компьютеры, принтеры, сканеры, телефоны, калькуляторы, шредеры, копировальную технику, факсимильные аппараты, проекторы и иные орудия офисного труда.
К списку добавляют оборудование для чертежных работ, плоттеры, ламинаторы, дыроколы, механические точилки для карандашей, штемпели, брошюраторы и иное, называя это «малой оргтехникой».
Смешение двух понятий происходит из-за того, что вспомогательное оборудование для вычислительной техники, такое как сканер, считыватель штрих-кодов, принтер, дисплей, электронная графическая доска, чертежный автомат и т.п., по правилам классификатора ОК 013-94 учитывается вместе с компьютером как единый объект классификации. А фактически каждый из них может быть использован самостоятельно, без подключения к вычислительной технике.
Такая ситуация сложилась из-за устаревания указанного классификатора.
Но бухгалтер при принятии решения, что относится к оргтехнике в бухучете, обязан руководствоваться нормативными документами. Поэтому до 2017 года к оргтехнике следовало отнести:
- множительное оборудование (не подключенное к компьютеру),
- копировальное оборудование (не подключенное к компьютеру),
- автоматизированные телефонные станции, обеспечивающие работу офисов,
- печатные машинки,
- калькуляторы,
- телефоны (проводные и сотовые),
- оборудование для конференций (микрофоны, проекторы, экраны и пр.),
- шредеры,
- счетчики и детекторы банкнот,
- устройство пневмопочты и т.п. автономное офисное оборудование.
Согласно тем же нормам к оргтехнике нельзя отнести:
- принтеры и МФУ, подключенные к компьютеру,
- планшеты,
- коммуникаторы,
- смартфоны и т.п.
Такое деление определено сведениями из подраздела «Средства механизации и автоматизации управленческого и инженерного труда», позволяющими определить, что относится к оргтехнике. Перечень того, что надо считать вычислительной техникой, приведен в подразделе «Техника электронно-вычислительная». Оба этих вида техники по классификатору ОК 013-94 относятся к информационному оборудованию.
Оргтехника и новый ОКОФ
Устаревший классификатор ОК 013-94 с 2017 года был заменен на ОКОФ ОК 013-2014 .
В его нормах также присутствует подраздел, включающий информационное оборудование. Но термин «оргтехника» из него исключен, а компьютеры и периферийные устройства к ним выделены в отдельный подраздел.
Однако перечень того, что ранее относилось к оргтехнике, остался. Он в отредактированном виде добавлен в группировку «Прочие машины и оборудование, включая хозяйственный инвентарь, и другие объекты» под кодом 330.28.23.
Поэтому с 2017 года ответ на вопросы о том, что такое оргтехника и что к ней относится, в основном определяется перечнем в классификаторе основных фондов, маркированным этим кодом.
Информационные технологии делятся на аналоговые и цифровые.
Аналоговые технологии основаны на способе представления информации в виде какой-либо непрерывной (аналоговой) физической величины, например, напряжения или силы электрического тока, величина которых (сигнал) является носителем информации. На этом принципе работает обычный магнитофон. Информация представлена в виде магнитного поля переменной величины, записанного на ферромагнитном слое носителя – магнитофонной ленты. А граммофонные пластинки, эпоха которых закончилась около 20 лет назад, в качестве носителя информации использовали узкую спиральную дорожку на поверхности пластинки. Глубина или ширина этой дорожки и были той физической величиной, которая хранила информацию о звуке. То есть в граммофонной пластинке использовался механический принцип звукозаписи.
Цифровые технологии основаны на дискретном (от лат. discretus – разделенный, прерывистый) способе представления информации в виде чисел (обычно с использованием двоичной системы счисления), значение которых является носителем информации. Для этого в них используются физические величины, способные принимать только два устойчивых состояния (включено – выключено, есть напряжение – нет напряжения, намагничено – не намагничено). Это обеспечивает предельную простоту цифрового сигнала: есть электрический импульс – единица, нет импульса – ноль. (Их принято называть логической единицей и логическим нулем.) При этом важна не величина импульса, а только его наличие или отсутствие.
Простота цифровых сигналов обеспечивает (по сравнению с аналоговыми сигналами) их несоизмеримо большую защищенность от помех. Дело в том, что логические нули и единицы не несут никакой вторичной информации. При физическом износе аналогового носителя – той же грампластинки – появляются шумы и помехи. Края прорези на пластинке изменяют свою форму от многократного воздействия иглы проигрывателя, а магнитофонная лента размагничивается или растягивается. Биты цифровой информации от подобных неприятностей избавлены, что бы ни произошло с носителем, бит имеет только два значения – ноль или единица. Помехам и шумам попросту неоткуда взяться.
При цифровом представлении информации точность зависит от числа разрядов в числах. Увеличивая число разрядов, можно обеспечить любую заранее заданную точность вычислений. Иными словами, складывать двадцатизначные числа на компьютере (или калькуляторе, который тоже компьютер), способном оперировать только восьмиразрядными числами, можно лишь округлив эти числа до восьми знаков. Ясно, что подобное округление сильно снижает точность вычислений. Современные персональные компьютеры оперируют с 32-разрядными двоичными числами (в этом главное преимущество цифровых вычислителей над аналоговыми – представьте себе старые дубовые счеты, на каждой поперечине которых не по 10, а по 32 костяшки), но в ближайшем будущем предстоит переход на 64-разрядную структуру.
Из-за неоспоримых преимуществ цифровых технологий все новые информационные технологии являются цифровыми. К ним относятся, например, архивация и сжатие информации, сканирование и распознавание текстов, цифровое радио и телевидение, цифровая фотография, цифровая видеосъемка, глобальная информационная сеть Интернет (Internet) и электронная почта (Е-mail), виртуальная реальность.
Могли ли цифровые технологии, имеющие столь очевидные преимущества, появиться раньше аналоговых? Разумеется, нет. Причина в том, что аналоговые технологии значительно проще цифровых, поэтому именно они могли быть осуществлены на уровне техники прежних времен.
Органы чувств человека (и прежде всего органы слуха) способны воспринимать только аналоговые сигналы. Поэтому для применения цифровых технологий нужны достаточно сложные устройства, массовое применение которых стало возможным лишь в последние десятилетия в результате стремительного развития микроэлектроники.
XXI век будет исключительно цифровым. Идет непрерывная конкурентная борьба между новейшими магнитными и оптическими методами записи, хранения и воспроизведения различных видов информации, а также их комбинированное использование. Эти методы обеспечивают гораздо более высокую плотность и долговечность записи информации по сравнению с бумагой, фото- и кинопленкой. Поэтому в ближайшем будущем мы с вами будем фотографировать цифровыми фотокамерами, смотреть цифровое видео, слушать цифровую музыку. И даже книги мы все чаще будем читать с экранов карманных и настольных компьютеров.
|
1. Лекция: Базовые понятия цифровой электроники |
|
В лекции рассказывается о базовых терминах цифровой электроники, о цифровых сигналах, об уровнях представления цифровых устройств, об их электрических и временных параметрах. |
|
Аналог или цифра? Для начала дадим несколько базовых определений. Сигнал - это любая физическая величина (например, температура, давление воздуха, интенсивность света, сила тока и т.д.), изменяющаяся со временем. Именно благодаря этому изменению сигнал может нести в себе какую-то информацию. Электрический сигнал - это электрическая величина (например, напряжение, ток, мощность), изменяющаяся со временем. Вся электроника в основном работает с электрическими сигналами, хотя сейчас все больше используются световые сигналы, которые представляют собой изменяющуюся во времени интенсивность света. Аналоговый сигнал - это сигнал, который может принимать любые значения в определенных пределах (например, напряжение может плавно изменяться в пределах от нуля до десяти вольт). Устройства, работающие только с аналоговыми сигналами, называются аналоговыми устройствами. Название "аналоговый" подразумевает, что сигнал изменяется аналогично физической величине, то есть непрерывно. Цифровой сигнал - это сигнал, который может принимать только два (иногда - три) значения, причем разрешены некоторые отклонения от этих значений (рис. 1.1) . Например, напряжение может принимать два значения: от 0 до 0,5 В (уровень нуля) или от 2,5 до 5 В (уровень единицы). Устройства, работающие исключительно с цифровыми сигналами, называются цифровыми устройствами.
Можно сказать, что в природе практически все сигналы - аналоговые, то есть они изменяются непрерывно в каких-то пределах. Именно поэтому первые электронные устройства были аналоговыми. Они преобразовывали физические величины в пропорциональные им напряжение или ток, производили над ними какие-то операции и затем выполняли обратные преобразования в физические величины. Например, голос человека (колебания воздуха) с помощью микрофона преобразуется в электрические колебания, затем эти электрические сигналы усиливаются электронным усилителем и с помощью акустической системы снова преобразуются в колебания воздуха - в более сильный звук. Все операции, производимые электронными устройствами над сигналами, можно условно разделить на три большие группы: обработка (или преобразование); передача; хранение. В случае аналоговых сигналов все это существенно ухудшает полезный сигнал, так как все его значения разрешены (рис. 1.2) . Поэтому каждое преобразование, каждое промежуточное хранение, каждая передача по кабелю или эфиру ухудшает аналоговый сигнал, иногда вплоть до его полного уничтожения. Надо еще учесть, что все шумы, помехи и наводки принципиально не поддаются точному расчету, поэтому точно описать поведение любых аналоговых устройств абсолютно невозможно. К тому же со временем параметры всех аналоговых устройств изменяются из-за старения элементов, поэтому характеристики этих устройств не остаются постоянными.
В отличие от аналоговых, цифровые сигналы, имеющие всего два разрешенных значения, защищены от действия шумов, наводок и помех гораздо лучше. Небольшие отклонения от разрешенных значений никак не искажают цифровой сигнал, так как всегда существуют зоны допустимых отклонений (рис. 1.2). Именно поэтому цифровые сигналы допускают гораздо более сложную и многоступенчатую обработку, гораздо более длительное хранение без потерь и гораздо более качественную передачу, чем аналоговые. К тому же поведение цифровых устройств всегда можно абсолютно точно рассчитать и предсказать. Цифровые устройства гораздо меньше подвержены старению, так как небольшое изменение их параметров никак не отражается на их функционировании. Кроме того, цифровые устройства проще проектировать и отлаживать. Понятно, что все эти преимущества обеспечивают бурное развитие цифровой электроники. Однако у цифровых сигналов есть и крупный недостаток. Дело в том, что на каждом из своих разрешенных уровней цифровой сигнал должен оставаться хотя бы в течение какого-то минимального временного интервала, иначе его невозможно будет распознать. А аналоговый сигнал может принимать любое свое значение бесконечно малое время. Можно сказать и иначе: аналоговый сигнал определен в непрерывном времени (то есть в любой момент времени), а цифровой - в дискретном (то есть только в выделенные моменты времени). Поэтому максимально достижимое быстродействие аналоговых устройств всегда принципиально больше, чем цифровых. Аналоговые устройства могут работать с более быстро меняющимися сигналами, чем цифровые. Скорость обработки и передачи информации аналоговым устройством всегда может быть выше, чем скорость обработки и передачи цифровым устройством. Кроме того, цифровой сигнал передает информацию только двумя уровнями и изменением одного своего уровня на другой, а аналоговый - еще и каждым текущим значением своего уровня, то есть он более емкий с точки зрения передачи информации. Поэтому для передачи того объема информации, который содержится в одном аналоговом сигнале, чаще всего приходится использовать несколько цифровых (чаще всего от 4 до 16). К тому же, как уже отмечалось, в природе все сигналы - аналоговые, то есть для преобразования их в цифровые и обратного преобразования требуется применение специальной аппаратуры (аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей). Так что ничто не дается даром, и плата за преимущества цифровых устройств может порой оказаться неприемлемо большой. |
|
Уровни представления цифровых устройств Все цифровые устройства строятся из логических микросхем, каждая из которых (рис. 1.3) обязательно имеет следующие выводы (или, как их еще называют в просторечии, "ножки"): выводы питания: общий (или "земля") и напряжения питания (в большинстве случаев - +5 В или +3,3 В), которые на схемах обычно не показываются; выводы для входных сигналов (или ""входы"), на которые поступают внешние цифровые сигналы; выводы для выходных сигналов (или "выходы"), на которые выдаются цифровые сигналы из самой микросхемы. Каждая микросхема преобразует тем или иным способом последовательность входных сигналов в последовательность выходных сигналов. Способ преобразования чаще всего описывается или в виде таблицы (так называемой таблицы истинности), или в виде временных диаграмм, то есть графиков зависимости от времени всех сигналов.
Все цифровые микросхемы работают с логическими сигналами, имеющими два разрешенных уровня напряжения. Один из этих уровней называется уровнем логической единицы (или единичным уровнем), а другой - уровнем логического нуля (или нулевым уровнем). Чаще всего логическому нулю соответствует низкий уровень напряжения, а логической единице - высокий уровень. В этом случае говорят, что принята "положительная логика". Однако при передаче сигналов на большие расстояния и в системных шинах микропроцессорных систем порой используют и обратное представление, когда логическому нулю соответствует высокий уровень напряжения, а логической единице - низкий уровень. В этом случае говорят об "отрицательной логике". Иногда логический нуль кодируется положительным уровнем напряжения (тока), а логическая единица - отрицательным уровнем напряжения (тока), или наоборот. Есть и более сложные методы кодирования логических нулей и единиц. Но мы в основном будем говорить о положительной логике. Для описания работы цифровых устройств используют самые различные модели, отличающиеся друг от друга сложностью, точностью, большим или меньшим учетом тонких физических эффектов. В основном эти модели используются при компьютерных расчетах цифровых схем. В настоящее время существуют компьютерные программы, которые не только рассчитывают готовые схемы, но способны и проектировать новые схемы по формализованным описаниям функций, которые данное устройство должно выполнять. Это довольно удобно, но ни одна программа никогда не может сравниться с человеком. По-настоящему эффективные, минимизированные по аппаратуре, наконец, красивые схемы может разрабатывать только человек, который всегда подходит к проектированию творчески и использует оригинальные идеи. Разработчик цифровой аппаратуры тоже использует своеобразные модели или, как еще можно сказать, различные уровни представления цифровых схем. Но, в отличие от компьютера, человек может гибко выбирать нужную модель - ему надо только взглянуть на схему, чтобы понять, где достаточно простейшей модели, а где требуется более сложная. То есть человек никогда не будет делать лишней, избыточной работы и, следовательно, не будет вносить дополнительных ошибок, свойственных любой, даже самой сложной, модели. Правда, простота цифровых устройств по сравнению с аналоговыми обычно не провоцирует на чересчур серьезные ошибки. В подавляющем большинстве случаев для разработчика цифровых схем достаточно трех моделей, трех уровней представления о работе цифровых устройств: Логическая модель. Модель с временными задержками. Модель с учетом электрических эффектов (или электрическая модель). Опыт показывает, что первой, простейшей модели достаточно примерно в 20% всех случаев. Она применима для всех цифровых схем, работающих с низкой скоростью, в которых быстродействие не принципиально. Привлечение второй модели, учитывающей задержки срабатывания логических элементов, позволяет охватить около 80% всех возможных схем. Ее применение необходимо для всех быстродействующих устройств и для случая одновременного изменения нескольких входных сигналов. Наконец, добавление третьей модели, учитывающей входные и выходные токи, входные и выходные сопротивления и емкости элементов, дает возможность проектирования практически 100% цифровых схем. В первую очередь, эту третью модель надо применять при объединении нескольких входов и выходов, при передаче сигналов на большие расстояния и при нетрадиционном включении логических элементов (с переводом их в аналоговый или в линейный режимы). Для иллюстрации работы перечисленных моделей рассмотрим работу самого простейшего логического элемента - инвертора. Инвертор изменяет (инвертирует) логический уровень входного сигнала на противоположный уровень выходного сигнала или, как еще говорят, изменяет полярность логического сигнала. Его таблица истинности (табл. 1.1) элементарно проста, так как возможно только две ситуации: нуль на входе или единица на входе. На рис. 1.4 показано, как будет выглядеть выходной сигнал инвертора при использовании трех его моделей (трех уровней его представления). Такие графики логических сигналов называются временными диаграммами, они позволяют лучше понять работу цифровых схем. Из рисунка видно, что в первой, логической модели считается, что элемент срабатывает мгновенно, любое изменение уровня входного сигнала сразу же, без всякой задержки приводит к изменению уровня выходного сигнала. Во второй модели выходной сигнал изменяется с некоторой задержкой относительно входного. Наконец, в третьей модели выходной сигнал не только задерживается по сравнению с входным, но и его изменение происходит не мгновенно - процесс смены уровней сигнала (или, как говорят, фронт сигнала ) имеет конечную длительность. Кроме того, третья модель учитывает изменение уровней логических сигналов.
|
Рис.
1.1.
Электрические
сигналы: аналоговый (слева) и цифровой
(справа)
Рис.
1.2.
Искажение шумами
и наводками аналогового (слева) и
цифрового (справа) сигналов
Рис.
1.3.
Цифровая
микросхема
Рис.
1.4.
Три уровня
представления цифровых устройствНа практике разработчик, как правило, в начале проектирования пользуется исключительно первой моделью, а затем для некоторых узлов применяет вторую или (реже) еще и третью модель. При этом первая модель не требует вообще никаких цифровых расчетов, для нее достаточно только знание таблиц истинности или алгоритмов функционирования микросхем. Вторая модель предполагает расчет (по сути, суммирование) временных задержек элементов на пути прохождения сигналов (рис. 1.5). В результате этого расчета может выясниться, что требуется внесение изменений в схему.
Рис.
1.5.
Суммирование
задержек элементов
Рис.
1.6.
Суммирование
входных токов элементов
Расчеты по третьей модели могут быть различными, в том числе и довольно сложными, но в большинстве случаев они все-таки сводятся всего лишь к суммированию входных и выходных токов логических элементов (рис. 1.6). В результате этих расчетов может выясниться, что требуется применение микросхем с более мощными выходами или включение дополнительных элементов.
То есть проектирование цифровых устройств принципиально отличается от проектирования аналоговых устройств, при котором сложные расчеты абсолютно неизбежны. Разработчик цифровых устройств имеет дело только с логикой, с логическими сигналами и с алгоритмами работы цифровых микросхем. А что происходит внутри этих микросхем, для него практически не имеет значения.
Справочные данные на цифровые микросхемы обычно содержат большой набор параметров, каждый из которых можно отнести к одному из трех перечисленных уровней представления, к одной из трех моделей.
Например, таблица истинности микросхемы (для простых микросхем) или описание алгоритма ее работы (для более сложных микросхем) относится к первому, логическому уровню. Поэтому знать их наизусть каждому разработчику необходимо в любом случае.
Величины задержек логических сигналов между входами и выходами относятся ко второму уровню представления. Типичные величины задержек составляют от единиц наносекунд (1 нс = 10 -9 с) до десятков наносекунд. Величины задержек для разных микросхем могут быть различными, поэтому в справочниках всегда указывается максимальное значение. Необходимо также помнить, что задержка при переходе выходного сигнала из единицы в нуль (t PHL), как правило, отличается от задержки при переходе выходного сигнала из нуля в единицу (t PLH). Например, для одной и той же микросхемы t PLH <11 нс, а t PHL <8 нс. Здесь английская буква P означает Propagation (распространение), L означает Low (низкий уровень сигнала, нуль), а H - High (высокий уровень сигнала, единица). Количество величин задержек, определяемых справочником для микросхемы, может изменяться от двух до нескольких десятков.
Уровни входных и выходных токов, а также уровни входных и выходных напряжений относятся к третьему уровню представления.
Входной ток микросхемы при приходе на вход логического нуля (I IL), как правило, отличается от входного тока при приходе на вход логической единицы (IIH). Например, I IL = – 0,1 мА, а I IH = 20 мкА (считается, что положительный ток втекает во вход микросхемы, а отрицательный - вытекает из него). Точно так же выходной ток микросхемы при выдаче логического нуля (I OL) может отличаться (и обычно отличается) от выходного тока при выдаче логической единицы (I OH). Например, для одной и той же микросхемы I OH <– 0,4 мА,а I OL <8 мА (считается, что положительный ток втекает в выход микросхемы, а отрицательный - вытекает из него). Надо также учитывать, что разные входы и выходы одной и той же микросхемы могут иметь различные входные и выходные токи.
Для выходных напряжений логического нуля (U OL) и единицы (U OH) в справочниках обычно задаются предельно допустимые значения при данной величине выходного тока. В этом случае, чем больше выходной ток, тем меньше напряжение логической единицы и тем больше напряжение логического нуля. Например, U OH > 2,5 В (при I OH <–0,4 мА),а U OL <0,5 В (при I OL < 8 мА).
Задаются в справочниках также и допустимые уровни входных напряжений, которые микросхема еще воспринимает как правильные логические уровни нуля и единицы. Например, U IH > 2,0 В, U IL < 0,8 В. Как правило, входные напряжения логических сигналов не должны выходить за пределы напряжения питания.
В обозначениях напряжений и токов буква I означает Input (вход), буква O означает Output (выход), L - Low (нуль), а H - High (единица).
К третьему уровню представления относятся также величины внутренней емкости входов микросхемы (обычно от единиц до десятков пикофарад) и допустимая величина емкости, к которой может подключаться выход микросхемы, то есть емкость нагрузки C L (порядка 100 пФ). Отметим, что 1 пФ = 10 -12 Ф. На этом же уровне представления задаются максимально допустимые величины длительности положительного фронта (t LH) и отрицательного фронта (t HL) входного сигнала, например, t HL < 1,0 мкс, t LH < 1,0 мкс. То есть при большей длительности перехода входного сигнала из единицы в нуль и из нуля в единицу микросхема может работать неустойчиво, неправильно, нестандартно.
К третьему уровню представления можно отнести также такие параметры, как допустимое напряжение питания микросхемы (U CC) и максимальный ток, потребляемый микросхемой (I CC). Например, может быть задано
4,5 В
При этом потребляемый ток I CC зависит от уровней выходных токов микросхемы I OH и I OL . Эти параметры надо учитывать при выборе источника питания для проектируемого устройства, а также в процессе изготовления печатных плат - при выборе ширины токоведущих дорожек.
Наконец, к третьему же уровню относится ряд параметров, которые часто упоминаются в литературе, но не всегда приводятся в справочных таблицах:
Порог срабатывания - уровень входного напряжения, выше которого сигнал воспринимается как единица, а ниже - как нуль. Для наиболее распространенных ТТЛ микросхем он примерно равен 1,3...1,4 В.
Помехозащищенность - характеризует величину входного сигнала помехи, накладывающегося на входной сигнал, который еще не может изменить состояние выходных сигналов. Помехозащищенность определяется разницей между напряжением U IH и порогом срабатывания (это помехозащищенность единичного уровня), а также разницей между порогом срабатывания и U IL (это помехозащищенность нулевого уровня).
Коэффициент разветвления - число входов, которое может быть подключено к данному выходу без нарушения работы. Определяется отношением выходного тока к входному. Стандартная величина коэффициента разветвления при использовании микросхем одного типа (одной серии) равна 10.
Нагрузочная способность - параметр выхода, характеризующий величину выходного тока, которую может выдать в нагрузку данный выход без нарушения работы. Чаще всего нагрузочная способность прямо связана с коэффициентом разветвления.
Таким образом, большинство справочных параметров микросхемы относятся к третьему уровню представления (к модели с учетом электрических эффектов), поэтому в большинстве случаев (до 80%) знать их точные значения наизусть не обязательно. Достаточно помнить примерные типовые значения параметров для данной серии микросхем.
|
Входы и выходы цифровых микросхем Характеристики и параметры входов и выходов цифровых микросхем определяются прежде всего технологией и схемотехникой их внутреннего строения. Но для разработчика цифровых устройств любая микросхема представляет собой всего лишь "черный ящик", внутренности которого знать не обязательно. Ему важно только четко представлять себе, как поведет себя та или иная микросхема в данном конкретном включении, будет ли она правильно выполнять требуемую от нее функцию. Наибольшее распространение получили две технологии цифровых микросхем: ТТЛ (TTL) и ТТЛШ (TTLS) - биполярная транзисторно-транзисторная логика и ТТЛ с диодами Шоттки; КМОП (CMOS) - комплементарные транзисторы со структурой "металл–окисел–полупроводник".
Различаются они типами используемых транзисторов и схемотехническими решениями внутренних каскадов микросхем. Отметим также, что микросхемы КМОП потребляют значительно меньший ток от источника питания, чем такие же микросхемы ТТЛ (или ТТЛШ) - правда, только в статическом режиме или на небольших рабочих частотах. На рис. 1.7 и 1.8 показаны примеры схем входных и выходных каскадов микросхем, выполненных по этим технологиям. Понятно, что точный учет всех эффектов в этих схемах, включающих в себя множество транзисторов, диодов и резисторов, крайне сложен, но обычно он просто не нужен разработчику цифровых схем. Рассмотрим сначала входы микросхем. На первом уровне представления (логическая модель) и на втором уровне представления (модель с временными задержками) о входах микросхем вообще ничего знать не нужно. Вход рассматривается как бесконечно большое сопротивление, никак не влияющее на подключенные к нему выходы. Правда, количество входов, подключенных к одному выходу, влияет на задержку распространения сигнала, но, как правило, незначительно, поэтому это влияние учитывается редко. Даже на третьем уровне представления (электрическая модель) в большинстве случаев не нужно знать о внутреннем строении микросхемы, о схемотехнике входов. Достаточно считать, что при подаче на вход сигнала логического нуля из этого входа вытекает ток, не превышающий I IL , а при подаче сигнала логической единицы в этот вход втекает ток, не превышающий I IH . А для правильной логики работы микросхемы достаточно, чтобы уровень напряжения входного сигнала логического нуля был меньше U IL , а уровень напряжения входного сигнала логической единицы был больше U IH . Особым случаем является ситуация, когда какой-нибудь вход не подключен ни к одному из выходов - ни к общему проводу, ни к шине питания (так называемый висящий вход ). Иногда возможности микросхемы используются не полностью и на некоторые входы не подается сигналов. Однако при этом микросхема может не работать или работать нестабильно, так как ее правильное включение подразумевает наличие на всех входах логических уровней, пусть даже и неизменных. Поэтому рекомендуется подключать неиспользуемые входы к напряжению питания микросхемы U CC или к общему проводу (к земле) в зависимости от того, какой логический уровень необходим на этом входе. Но для некоторых серий микросхем, выполненных по технологии ТТЛ (например, К155 или КР531), неиспользуемые входы надо подключать к напряжению питания не напрямую, а только через резистор величиной около 1 кОм (достаточно одного резистора на 20 входов). На неподключенных входах микросхем ТТЛ формируется напряжение около 1,5–1,6 В, которое иногда называют висячим потенциалом. Обычно этот уровень воспринимается микросхемой как сигнал логической единицы, но рассчитывать на это не стоит. Потенциал, образующийся на неподключенных входах микросхем КМОП, может восприниматься микросхемой и как логический нуль, и как логическая единица. В любом случае все входы надо куда-то подключать. Неподключенными допускается оставлять только те входы (ТТЛ, а не КМОП), состояние которых в данном включении микросхемы не имеет значения. Выходы микросхем принципиально отличаются от входов тем, что учет их особенностей необходим даже на первом и втором уровнях представления. Существуют три разновидности выходных каскадов, существенно различающиеся как по своим характеристикам, так и по областям применения: стандартный выход или выход с двумя состояниями (обозначается 2С, 2S или, реже, ТТЛ, TTL); выход с открытым коллектором (обозначается ОК, OC); выход с тремя состояниями или (что то же самое) с возможностью отключения (обозначается 3С, 3S). Стандартный выход 2С имеет всего два состояния: логический нуль и логическая единица, причем оба они активны, то есть выходные токи в обоих этих состояниях (I OL и I OH) могут достигать заметных величин. На первом и втором уровнях представления такой выход можно считать состоящим из двух выключателей, которые замыкаются по очереди (рис. 1.9) , причем замкнутому верхнему выключателю соответствует логическая единица на выходе, а замкнутому нижнему - логический нуль.
Выход с открытым коллектором ОК тоже имеет два возможных состояния, но только одно из них (состояние логического нуля) активно, то есть обеспечивает большой втекающий ток I OL . Второе состояние сводится, по сути, к тому, что выход полностью отключается от присоединенных к нему входов. Это состояние может использоваться в качестве логической единицы, но для этого между выходом ОК и напряжением питания необходимо подключить нагрузочный резистор R (так называемый pull-up) величиной порядка сотен Ом. На первом и втором уровнях представления такой выход можно считать состоящим из одного выключателя (рис. 1.9) , замкнутому состоянию которого соответствует сигнал логического нуля, а разомкнутому - отключенное, пассивное состояние. Правда, от величины резистора R зависит время переключения выхода из нуля в единицу, что влияет на задержку t LH , но при обычно используемых номиналах резисторов это не слишком важно. |
Рис.
1.7.
Входной и
выходной каскады микросхем ТТЛШ
Рис.
1.8.
Входной и
выходной каскады микросхем КМОП
Рис.
1.9.
Три типа выходов
цифровых микросхемЦифровая технология работает, в отличие от аналоговой, с дискретными, а не непрерывными сигналами. Кроме того, сигналы имеют небольшой набор значений, как правило, два, но в реальной жизни системы, особенно учётные системы хранения данных, на основе трёх значений. Обычно это 0, 1, NULL которые в булевской алгебре имеют значения «Ложь», «Истина» и в присутствии NULL «отсутствие результата» соответственно.
Цифровые схемы состоят в основном из логических элементов , таких как AND, OR, NOT и др., а также могут быть связаны между собой счётчиками и триггерами .
Цифровые технологии главным образом используются в вычислительной цифровой электронике, прежде всего компьютерах, в различных областях электротехники, таких как игровые автоматы, робототехника, автоматизация, измерительные приборы, радио- и телекоммуникационные устройства и многих других цифровых устройствах .
Происхождение названия
Английское слово digital , означающее «цифровой», в свою очередь, происходит от латинского Digitus , то есть «палец».
Поскольку человечеством в течение длительного времени в процессе подсчёта малых значений использовались пальцы, именно десятичная система счисления стала основной, в том числе и в индо-арабской нумерации. Обычно пальцами можно рассчитывать значения только целых чисел. Из-за этого слово «цифровой» также используется для обозначения любого объекта, который работает с дискретными значениями.
Преимущества
Цифровой сигнал с двумя логическими уровнями, подвергшийся зашумлению при передаче
Одно из преимуществ цифровых схем по сравнению с аналоговыми заключается в том, что во-первых сигналы могут быть переданы без искажений. Например, непрерывный звуковой сигнал, передающийся в виде последовательности 1 и 0, может быть восстановлен без ошибок при условии, что шума при передаче было не достаточно, чтобы предотвратить идентификацию 1 и 0. Час музыки может быть сохранён на компакт-диске с использованием около 6 млрд двоичных разрядов.
Цифровыми системами с компьютерным управлением можно управлять с помощью программного обеспечения, добавляя новые функции без замены аппаратных средств. Часто это может быть сделано без участия завода-изготовителя путём простого обновления программного продукта. Подобная функция позволяет быстро адаптироваться к изменяющимся требованиям. Кроме того, возможно применение сложных алгоритмов, которые в аналоговых системах невозможны или же осуществимы, но только с очень высокими расходами.
Хранение информации в цифровых системах проще, чем в аналоговых. Помехоустойчивость цифровых систем позволяет хранить и извлекать данные без повреждения. В аналоговой системе старение и износ может ухудшить записанную информацию. В цифровой же, до тех пор, пока общие помехи не превышают определённого уровня, информация может быть восстановлена совершенно точно.
Недостатки
В некоторых случаях цифровые схемы используют больше энергии, чем аналоговые для выполнения одной и той же задачи, выделяя больше тепла, что повышает сложность схем, например, путём добавления кулера . Это может ограничить их использование в портативных устройствах, питающихся от батареек.
Например, сотовые телефоны часто используют маломощный аналоговый интерфейс для усиления и настройки радио-сигналов от базовой станции. Тем не менее, базовая станция может использовать энергоёмкую, но очень гибкую программно-определяемую радиосистему . Такие базовые станции можно легко перепрограммировать для обработки сигналов, используемых в новых стандартах сотовой связи.
Возможна также потеря информации при преобразовании аналогового сигнала в цифровой. Математически это явление может быть описано, как ошибка округления .
В некоторых системах при потере или порче одного фрагмента цифровых данных может полностью измениться смысл больших блоков данных.
Примечания
Литература
- Манфред Шпитцер. Антимозг: цифровые технологии и мозг. - АСТ, 2015. -
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Министерство образования и науки Российской Федерации
НИУ Московский государственный институт электронной техники (ТУ)
Кафедра «Телекоммуникационные системы»
Курсовая работа
по курсу: Цифровая обработка сигналов
Подготовил:
студент группы МП-29 Еропанов В.Н.
Проверил: Корнеев В.И.
Москва 2011 г.
Введение
1. Информация
3. Передача цифровой информации
Заключение
Введение
Цифровые технологии изо дня в день все больше наполняют окружающий нас мир, и этот процесс со временем только ускоряется. В повседневном обиходе любого из нас уже сегодня присутствует большое число самых различных цифровых устройств, каждое из которых имеет характеристики и свойства, значение которых оказывается не всегда известным и понятным для потребителя. Некоторые из ставших уже абсолютно привычными электронные устройства, равно как и компьютерные программы, остаются для потребителя некими черными ящиками, устройство и принцип действия которых скрыто от глаз.
Потребительская аудио аппаратура, также как и остальная аппаратура - постепенно и уверенно переходящая на цифровые рельсы, становится все сложнее, ее параметры - все запутаннее, а принцип действия - все менее ясным. Этот реферат не является универсальным путеводителем в области цифрового звука и цифровой аудио и видео техники, однако в нем мы попытаемся разобраться с основными идеями, а также теоретическими и практическими принципами, лежащими в основе современных цифровых технологий и устройств. Я надеюсь, что приведенные в нем сведения окажутся полезными для читателя и явят собой некую основополагающую теоретическую базу, понимание которой просто необходимо всем активным аудио любителям, пользователям любых цифровых устройств.
1. Информация
Прежде всего, хотелось бы сказать, что все цифровые технологии основаны на методах кодирования и передачи информации. Рассмотрим поподробнее, что же такое цифровая информация, ее единицы измерения, принципы кодирования и передачи цифровой информации.
Термин «информация» восходит к латинскому informatio,- разъяснение, изложение, осведомленность.
Информацию можно классифицировать разными способами, и разные науки это делают по-разному. Например, в философии различают информацию объективную и субъективную. Объективная информация отражает явления природы и человеческого общества. Субъективная информация создается людьми и отражает их взгляд на объективные явления.
В информатике отдельно рассматривается аналоговая информация и цифровая. Это важно, поскольку человек благодаря своим органам чувств, привык иметь дело с аналоговой информацией, а вычислительная техника, наоборот, в основном, работает с цифровой информацией.
Человек воспринимает информацию с помощью органов чувств. Свет, звук, тепло - это энергетические сигналы, а вкус и запах - это результат воздействия химических соединений, в основе которого тоже энергетическая природа. Человек испытывает энергетические воздействия непрерывно и может никогда не встретиться с одной и той же их комбинацией дважды. Нет двух одинаковых зеленых листьев на одном дереве и двух абсолютно одинаковых звуков - это информация аналоговая. Если же разным цветам дать номера, а разным звукам - ноты, то аналоговую информацию можно превратить в цифровую.
Музыка, когда ее слушают, несет аналоговую информацию, но если записать ее нотами, она становится цифровой.
Разница между аналоговой информацией и цифровой, прежде всего, в том, что аналоговая информация непрерывна, а цифровая дискретна.
К цифровым устройствам относятся персональные компьютеры - они работают с информацией, представленной в цифровой форме, цифровыми являются и музыкальные проигрыватели лазерных компакт дисков.
2. Единицы измерения цифровой информации
Бит - наименьшая единица представления информации. Байт - наименьшая единица обработки и передачи информации. Единица измерения информации называется бит (bit) - сокращение от английских слов binary digit, что означает двоичная цифра.
В компьютерной технике бит соответствует физическому состоянию носителя информации: намагничено - не намагничено, есть отверстие - нет отверстия. При этом одно состояние принято обозначать цифрой 0, а другое - цифрой 1. Выбор одного из двух возможных вариантов позволяет также различать логические истину и ложь. Последовательностью битов можно закодировать текст, изображение, звук или какую-либо другую информацию. Такой метод представления информации называется двоичным кодированием (binary encoding).
В информатике часто используется величина, называемая байтом (byte) и равная 8 битам. И если бит позволяет выбрать один вариант из двух возможных, то байт, соответственно, 1 из 256 (28). Наряду с байтами для измерения количества информации используются более крупные единицы:
1 Кбайт (один килобайт) = 2 10 байт = 1024 байта;
1 Мбайт (один мегабайт) = 2 10 Кбайт = 1024 Кбайта;
1 Гбайт (один гигабайт) = 2 10 Мбайт = 1024 Мбайта.
Например, книга содержит 100 страниц; на каждой странице - 35 строк, в каждой строке - 50 символов. Объем информации, содержащийся в книге, рассчитывается следующим образом:
Страница содержит 35 Ч 50 = 1750 байт информации. Объем всей информации в книге (в разных единицах):
1750 Ч 100 = 175 000 байт.
175 000 / 1024 = 170,8984 Кбайт.
170,8984 / 1024 = 0,166893 Мбайт.
3. Передача информации
Информация передается в виде сообщений от некоторого источника информации к ее приемнику посредством канала связи между ними. Источник посылает передаваемое сообщение, которое кодируется в передаваемый сигнал. Этот сигнал посылается по каналу связи. В результате в приемнике появляется принимаемый сигнал, который декодируется и становится принимаемым сообщением. Передача информации по каналам связи часто сопровождается воздействием помех, вызывающих искажение и потерю информации.
Любое событие или явление может быть выражено по-разному, разными способами, разным алфавитом. Чтобы информацию более точно и экономно передать по каналам связи, ее надо соответственно закодировать.
Информация не может существовать без материального носителя, без передачи энергии. Закодированное сообщение приобретает вид сигналов-носителей информации, которые идут по каналу. Выйдя на приемник, сигналы должны обрести вновь общепонятный вид с помощью декодирующего устройства.
Совокупность устройств, предметов или объектов, предназначенных для передачи информации от одного из них, именуемого источником, к другому, именуемому приемником, называется каналом информации, или информационным каналом.
Примером может служить телефон. При телефонной передаче источник сообщения - говорящий. Кодирующее устройство, изменяющее звуки слов в электрические импульсы, - микрофон. Канал, по которому передается информация, - телефонный провод. Часть трубки, которую мы подносим к уху, выполняет роль декодирующего устройства (электрические сигналы снова преобразуются в звуки). Информация поступает в “принимающее устройство” - ухо человека на другом конце провода. Канал включает в себя телефонные аппараты (устройства), провода (предметы) и аппаратуру АТС (устройства). Особенностью этого информационного канала является то обстоятельство, что при поступлении в него информация, представленная в виде звуковых волн, преобразуется в электрические колебания и затем передается. Такой канал называется каналом с преобразованием информации. Но это пример передачи аналоговой информации.
Еще один пример, но уже цифровой информации - компьютер. Отдельные его системы передают одна другой информацию с помощью сигналов. Компьютер - устройство для обработки информации (как станок - устройство для обработки металла), он не создает из “ничего” информацию, а преобразует то, что в него введено. Компьютер является информационным каналом с преобразованием информации: информация поступает с внешних устройств (клавиатура, диск, микрофон), преобразуется во внутренний код и обрабатывается, преобразуется в вид, пригодный для восприятия внешним выходным устройством (монитором, печатающим устройством, динамиками и др.), и передается на них.
4. Кодирование и декодирование цифровой информации
Кодирование информации - это процесс формирования определенного представления информации. Информация совершает переход от исходной формы представления информации в форму, удобную для хранения, передачи или обработки. Декодирование - когда информация совершает обратный переход к исходному представлению информации.
В более узком смысле под термином «кодирование» часто понимают переход от одной формы представления информации к другой, более удобной для хранения, передачи или обработки. Компьютер может обрабатывать только информацию, представленную в числовой форме. Вся другая информация (звуки, изображения, показания приборов и т. д.) для обработки на компьютере должна быть преобразована в числовую форму.
Как правило, вся информация в компьютере представляются с помощью нулей и единиц. Иными словами, компьютеры обычно работают в двоичной системе счисления, поскольку при этом устройства для их обработки получаются значительно более простыми. С помощью двух цифр 0 и 1 можно закодировать любое сообщение.
Инженеров такой способ кодирования привлек простотой технической реализации - есть сигнал или нет сигнала. Эти состояния легко различать. Недостаток двоичного кодирования - длинные коды. Но в технике легче иметь дело с большим числом однотипных элементов, чем с небольшим числом сложных.
Устройства, обеспечивающие кодирование и декодирование, будем называть соответственно кодировщиком и декодировщиком. На рис. 1 приведена схема, иллюстрирующая процесс передачи сообщения в случае перекодировки, а также воздействия помех.
Рис. 1. Процесс передачи сообщения от источника к приемнику
В настоящее время существуют разные способы кодирования и декодирования информации в компьютере. Выбор способа зависит от вида информации, которую необходимо кодировать: текст, число, графическое изображение или звук. Для чисел, кроме того, важную роль играет то, как будет использоваться число: в тексте или в вычислениях, или в процессе ввода-вывода.
Рассмотрим основные принципы кодирования информации в компьютере.
информация цифровой технология кодирование
5. Кодирование текстовой информации
Начиная с 60-х годов, компьютеры все больше стали использовать для обработки текстовой информации и в настоящее время большая часть ПК в мире занято обработкой именно текстовой информации.
Для кодирования одного символа требуется один байт информации. Учитывая, что каждый бит принимает значение 1 или 0, получаем, что с помощью 1 байта можно закодировать 256 различных символов. (28=256) Кодирование заключается в том, что каждому символу ставиться в соответствие уникальный двоичный код от 00000000 до 11111111 (или десятичный код от 0 до 255). Важно, что присвоение символу конкретного кода - это вопрос соглашения, которое фиксируется кодовой таблицей.
Например, вы нажимаете на компьютере латинскую букву S. В этом случае в память компьютера записывается код 01010011. Для вывода буквы S на экран в компьютере происходит декодирование - по этому двоичному коду строится его изображение. Обратите внимание! Цифры кодируются по стандарту ASCII в двух случаях - при вводе-выводе и когда они встречаются в тексте. Если цифры участвуют в вычислениях, то осуществляется их преобразование в другой двоичный код. Возьмем число 57. При использовании в тексте каждая цифра будет представлена своим кодом в соответствии с таблицей ASCII. В двоичной системе это - 00110101 00110111. При использовании в вычислениях код этого числа будет получен по правилам перевода в двоичную систему и получим - 00111001.
6. Кодирование графической информации
Под графической информацией можно понимать рисунок, чертеж, фотографию, картинку в книге, изображения на экране телевизора или в кинозале и т. д. Для обсуждения общих принципов кодирования графической информации в качестве конкретного, достаточно общего случая графического объекта выберем изображение на экране телевизора. Это изображение состоит из некоторого количества горизонтальных линий - строк. А каждая строка в свою очередь состоит из элементарных мельчайших единиц изображения - точек, которые принято называть пикселами (picsel - PICture"S ELement - элемент картинки). Пиксел на цветном дисплее может иметь различную окраску, поэтому одного бита на пиксел недостаточно. Для кодирования 4-цветного изображения требуются два бита на пиксел, поскольку два бита могут принимать 4 различных состояния. Может использоваться, например, такой вариант кодировки цветов: 00 - черный, 10 - зеленый, 01 - красный, 11 - коричневый. На RGB-мониторах все разнообразие цветов получается сочетанием базовых цветов - красного (Red), зеленого (Green), синего (Blue), из которых можно получить 8 основных комбинаций:
Весь массив элементарных единиц изображения называют растром (лат. rastrum - грабли). Степень четкости изображения зависит от количества строк на весь экран и количества точек в строке, которые представляют разрешающую способность экрана или просто разрешение. Чем больше строк и точек, тем четче и лучше изображение. Достаточно хорошим считается разрешение 640x480, то есть 640 точек на строку и 480 строчек на экран.
Строки, из которых состоит изображение, можно просматривать сверху вниз друг за другом, как бы составив из них одну сплошную линию. После полного просмотра первой строки просматривается вторая, за ней третья, потом четвертая и т. д. до последней строки экрана. Так как каждая из строк представляет собой последовательность пикселов, то все изображение, вытянутое в линию, также можно считать линейной последовательностью элементарных точек. В рассматриваемом случае эта последовательность состоит из 640x480=307200 пикселов. Вначале рассмотрим принципы кодирования монохромного изображения, то есть изображения, состоящего из любых двух контрастных цветов - черного и белого, зеленого и белого, коричневого и белого и т. д. Для простоты обсуждения будем считать, что один из цветов - черный, а второй - белый. Тогда каждый пиксел изображения может иметь либо черный, либо белый цвет. Поставив в соответствие черному цвету двоичный код “0”, а белому - код “1” (либо наоборот), мы сможем закодировать в одном бите состояние одного пикселя монохромного изображения. А так как байт состоит из 8 бит, то на строчку, состоящую из 640 точек, потребуется 80 байтов памяти, а на все изображение - 38 400 байтов.
Однако полученное таким образом изображение будет чрезмерно контрастным. Реальное черно-белое изображение состоит не только из белого и черного цветов. В него входят множество различных промежуточных оттенков - серый, светло-серый, темно-серый и т. д. Если кроме белого и черного цветов использовать только две дополнительные градации, скажем светло-серый и темно-серый, то для того чтобы закодировать цветовое состояние одного пикселя, потребуется уже два бита. При этом кодировка может быть, например, такой: черный цвет - 002, темно-серый - 012, светло-серый - 102, белый - 112.
Общепринятым на сегодняшний день, дающим достаточно реалистичные монохромные изображения, считается кодирование состояния одного пикселя с помощью одного байта, которое позволяет передавать 256 различных оттенков серого цвета от полностью белого до полностью черного. В этом случае для передачи всего растра из 640x480 пикселов потребуется уже не 38 400, а все 307 200 байтов.
При записи изображения в память компьютера кроме цвета отдельных точек необходимо фиксировать много дополнительной информации - размеры рисунка, яркость точек и т. д. Конкретный способ кодирования всей требуемой при записи изображения информации образует графический формат. Форматы кодирования графической информации, основанные на передаче цвета каждого отдельного пикселя, из которого состоит изображение, относят к группе растровых или BitMap форматов (bit map - битовая карта). Растровое изображение представляет собой совокупность точек (пикселей) разных цветов. Наиболее известными растровыми форматами являются BMP, GIF и JPEG форматы.
Векторное изображение представляет собой совокупность графических примитивов (точка, отрезок, эллипс…). Каждый примитив описывается математическими формулами. Кодирование зависти от прикладной среды.
Растровая же графика обладает существенным недостатком - изображение, закодированное в одном из растровых форматов, очень плохо “переносит” увеличение или уменьшение его размеров - масштабирование. Для решения задач, в которых приходится часто выполнять эту операцию, были разработаны методы так называемой векторной графики. В векторной графике, в отличие от основанной на точке - пикселе - растровой графики, базовым объектом является линия. При этом изображение формируется из описываемых математическим, векторным способом отдельных отрезков прямых или кривых линий, а также геометрических фигур - прямоугольников, окружностей и т. д., которые могут быть из них получены. Фирма Adobe разработала специальный язык PostScript (от poster script - сценарий плакатов, объявлений, афиш), служащий для описания изображений на базе указанных методов. Этот язык является основой для нескольких векторных графических форматов. В частности, можно указать форматы PS (PostScript) и EPS, которые используются для описания как векторных, так и растровых изображений, а также разнообразных текстовых шрифтов. Изображения и тексты, записанные в этих форматах, большинством популярных программ не воспринимаются, они могут просматриваться и печататься только с помощью специализированных аппаратных и программных средств. Итак, любое графическое изображение на экране можно закодировать c помощью чисел, сообщив, сколько в каждом пикселе долей красного, сколько - зеленого, а сколько - синего цветов.
7. Кодирование звуковой информации
Развитие способов кодирования звуковой информации, а также движущихся изображений - анимации и видеозаписей - происходило с запаздыванием относительно рассмотренных выше разновидностей информации.
Компьютер - это цифровое устройство, то есть электронное устройство, в котором рабочим сигналом является дискретный сигнал. Сегодняшние компьютеры оперируют дискретными сигналами, несущими двоичные значения, условно обозначаемые как «да» и «нет» (на электрическом уровне: 0 вольт и V вольт, для некоторого ненулевого значения V). С помощью одного двоичного сигнала за один шаг можно передать информацию об одном из всего двух положений: 0 («да») или 1 («нет»). С помощью N двоичных сигналов за один шаг можно передать информацию об одном из 2 N положений (2 N - это число комбинаций нулей и единиц для N сигналов). Взаимодействие всех составляющих компьютер блоков происходит путем обмена и обработки одним или одновременно несколькими двоичными сигналами. Все - коды управления, а также сама обрабатываемая информация - все представляется в компьютере в виде чисел. По этой причине и аудио сигналы в цифровой аппаратуре представляют в виде чисел.
Итак, каким же образом можно описать аналоговый аудио сигнал в цифровой форме? Реальный аудио сигнал - это сложное по форме колебание, некая сложная зависимость амплитуды звуковой волны от времени. На рис. 2 представлен график реальной звуковой волны.
Рис. 2 Изображение реальной звуковой волны
Для компьютерной обработки аналоговый сигнал нужно каким-то образом преобразовать в последовательность двоичных чисел. Поступим следующим образом. Будем измерять напряжение через равные промежутки времени и записывать полученные значения в память компьютера. Этот процесс называется дискретизацией (или оцифровкой).
Преобразование аналогового звукового сигнала в цифровой вид называется аналогово-цифровым преобразованием или оцифровкой. Процесс такого преобразования заключается в:
осуществлении замеров величины амплитуды аналогового сигнала с некоторым временным шагом - дискретизация,
последующей записи полученных значений амплитуды в численном виде - квантование.
Процесс дискретизации по времени - это процесс получения мгновенных значений преобразуемого аналогового сигнала с определенным временным шагом, называемым шагом дискретизации.
Чем выше частота дискретизации (т. е. количество отсчетов за секунду) и чем больше разрядов отводится для каждого отсчета, тем точнее будет представлен звук. Но при этом увеличивается и размер звукового файла. Поэтому в зависимости от характера звука, требований, предъявляемых к его качеству и объему занимаемой памяти, выбирают некоторые компромиссные значения.
Количество осуществляемых в одну секунду замеров величины сигнала называют частотой дискретизации или частотой выборки, или частотой сэмплирования (от англ. « sampling» - «выборка»). Очевидно, что чем меньше шаг дискретизации, тем выше частота дискретизации (то есть, тем чаще регистрируются значения амплитуды), и, значит, тем более точное представление о сигнале мы получаем.
Ухо человека не замечает ступенчатость полученного сигнала. Тут можно провести следующую аналогию. Каждый человек смотрел в кинотеатре фильмы, и перед его глазами на экране шло непрерывное, плавное действие: Но ведь на самом-то деле кинолента представляет собой серию неподвижных, дискретных изображений, которые прокручиваются с высокой скоростью 24 кадра в секунду. Поскольку человеческим глазам свойственна некоторая инерционность, то их легко обмануть, чем необычайно ловко пользуются кинематографисты. Наши уши тоже в какой-то степени не идеальны, и их можно обмануть подобным образом, представляя непрерывный аналоговый сигнал в виде последовательности быстро сменяющихся мгновенных значений напряжения. Только в отличие от киноленты смена «звукового кадра» происходит в тысячи раз быстрее. Для полной маскировки ступенчатости сигнала применяются фильтры нижних частот, сглаживающие форму волны.
Теперь, для записи каждого отдельного значения амплитуды, его необходимо округлить до ближайшего уровня квантования. Этот процесс называется квантованием по амплитуде. Говоря более формальным языком, квантование по амплитуде - это процесс замены реальных (измеренных) значений амплитуды сигнала значениями, приближенными с некоторой точностью. Каждый из 2 N возможных уровней называется уровнем квантования, а расстояние между двумя ближайшими уровнями квантования называется шагом квантования. Квантование значений сигнала привносит в спектр сигнала дополнительную помеху, называемую шумом квантования или шумом дробления. Шумом (ошибкой) квантования называют сигнал, составляющий разницу между восстановленным цифровым и исходным аудио сигналами. Эта разница образуется в результате округления измеренных значений сигнала. При этом выполняется следующая закономерность: чем выше разрядность квантования, тем ниже уровень шума квантования (поскольку тем на меньшее значение требуется округлять каждое измеренное значение сигнала). Природа шума квантования такова, что ширина спектральной области, в которой он простирается, пропорциональна значению частоты дискретизации.
Рис. 3 Процесс оцифровки звукового сигнала
Устройство, выполняющее оцифровку называют аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Для того чтобы воспроизвести закодированный таким образом звук, нужно выполнить обратное преобразование (для него служит цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), а затем сгладить получившийся ступенчатый сигнал.
Рис. 4 Процесс кодирования и декодирования звуковой волны
Описанный способ кодирования звуковой информации достаточно универсален, он позволяет представить любой звук и преобразовывать его самыми разными способами.
В современное время все упирается в вычислительную мощность современной цифровой техники. С возрастанием точности оцифровки одновременно возрастает скорость потока цифровых данных, увеличивается вычислительная нагрузка на процессор и требуется повышенный объем памяти для хранения цифровых отчетов. Имеются и серьезные схемотехнические трудности. Вместе со стремительным ростом компьютерных технологий становится возможным применять более высокие частоты дискретизации и разрядность. Цифровой звук широко применяется в современной звукозаписывающей индустрии благодаря хорошему качеству звучания, высокой помехозащищенности и удобству хранения и архивирования материала.
В настоящее время при записи звука в мультимедийных технологиях применяются частоты 8, 11, 22 и 44 кГц. Так, частота дискретизации 44 килогерца означает, что одна секунда непрерывного звучания заменяется набором из сорокачетырех тысяч отдельных отсчетов сигнала. Чем выше частота дискретизации, тем лучше качество оцифрованного звука.
Как отмечалось выше, каждый отдельный отсчет можно описать некоторой совокупностью чисел, которые затем можно представить в виде некоторого двоичного кода. Качество преобразования звука в цифровую форму определяется не только частотой дискретизации, но и количеством битов памяти, отводимых на запись кода одного отсчета. Этот параметр принято называть разрядностью преобразования.
Методов сжатия (форматов), а также программ реализующих эти методы, существует много. Наиболее известными являются MPEG-1 Layer I,II,III (последним является всем известный MP3),MPEG-2 AAC (advanced audio coding), Ogg Vorbis, Windows Media Audio (WMA),TwinVQ (VQF), MPEGPlus, TAC, и прочие.
В настоящее время обычно используется разрядность 8,16 и 24 бит.
На описанных выше принципах основывается формат WAV (от WAVeform-audio - волновая форма аудио) кодирования звука. Получить запись звука в этом формате можно от подключаемых к компьютеру микрофона, проигрывателя, магнитофона, телевизора и других стандартно используемых устройств работы со звуком. Однако формат WAV требует очень много памяти. Так, при записи стереофонического звука с частотой дискретизации 44 килогерца и разрядностью 16 бит - параметрами, дающими хорошее качество звучания, - на одну минуту записи требуется около десяти миллионов байтов памяти.
Кроме волнового формата WAV, для записи звука широко применяется формат с названием MIDI (Musical Instruments Digital Interface - цифровой интерфейс музыкальных инструментов). Фактически этот формат представляет собой набор инструкций, команд так называемого музыкального синтезатора - устройства, которое имитирует звучание реальных музыкальных инструментов. Команды синтезатора фактически являются указаниями на высоту ноты, длительность ее звучания, тип имитируемого музыкального инструмента и т. д. Таким образом, последовательность команд синтезатора представляет собой нечто вроде нотной записи музыкальной мелодии. Получить запись звука в формате MIDI можно только от специальных электромузыкальных инструментов, которые поддерживают интерфейс MIDI. Формат MIDI обеспечивает высокое качество звука и требует значительно меньше памяти, чем формат WAV.
Наиболее распространенный формат - MPEG-1 Layer III (всем известный MP3). Формат завоевал свою популярность совершенно заслуженно - это был первый распространенный кодек, который достиг столь высокого уровня компрессии при отличном качестве звучания. Сегодня этому кодеку имеется множество альтернатив, но выбор остается за пользователем. Преимущества MP3 - широкая распространенность и достаточно высокое качество кодирования,
которое объективно улучшается благодаря разработкам различных кодеров MP3 энтузиастами. Мощная альтернатива MP3 - кодек Microsoft Windows Media Audio (Файлы.WMA и.ASF). По различным тестам этот кодек показывает себя от «как MP3» до «заметно хуже MP3» на средних битрейтах, и, «лучше MP3» на низких битрейтах.
Заключение
На сегодня совершенно очевидно лишь одно - цифровые технологии находятся лишь в начале своего пути, и нам еще только предстоит понять, что значит их повсеместное внедрение совместно с миниатюризацией, наращиванием вычислительных мощностей и объемов памяти.
Совершенно ясно, что цифровые технологии очень скоро завоюют новые, еще не захваченные рубежи, и что от повсеместного применения этих технологий никуда не деться. Опасаться этого процесса можно, но сопротивляться ему бесполезно.
Цифровые же технологии пока еще очень молоды, и только это позволяет «аналогу» еще оставаться на плаву. Достаточно быстрое развитие и постоянное удешевление цифровых устройств дает основание утверждать, что совсем скоро «цифра» полностью вытеснит аналоговые методы записи и обработки информации. Только представьте себе, как развитие этих технологий может повлиять на окружающий нас мир! Все это лишь укрепляет мысли о том, что путь не близок, и что самое интересное нам еще только предстоит увидеть.
Список использованной литературы
1. http://sdo.uspi.ru/mathem&inform/lek8/lek_8.htm
2. kunegin.narod.ru
3. Сергей Арзуманов. Секреты гитарного звука, Москва, 2003.
4. Симонович С.В. и др. Информатика. Базовый курс, «Питер», 2000.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Средства связи как технологии передачи информации: история, характеристика. Проводные, кабельные, воздушные, оптоволоконные линии связи. Беспроводные, радиорелейные, спутниковые системы; буквенно-цифровые сообщения. Сотовая связь, Интернет-телефония.
курсовая работа , добавлен 18.12.2012
Цифровые методы передачи информации. Цели кодирования сообщений. Классификация двоичных кодов. Принципы обнаружения и исправления ошибок кодами. Блок хранения данных на микросхемах К555ИР8. Принципиальная электрическая схема блока хранения данных.
реферат , добавлен 08.04.2013
Использование помехоустойчивого кодирования в системах передачи информации. Построение структурной схемы восьмиразрядного микроконтроллера M68HC11. Разработка алгоритма кодирования и декодирования информации. Подключение внешних портов ввода/вывода.
курсовая работа , добавлен 05.09.2014
Характеристика предприятия, история его формирования и развития. Ознакомление с цифровыми системами передачи данных, их обоснование и значение. Стажировка на рабочем месте службы мониторинга, особенности и принципы работы специалиста в данной отрасли.
отчет по практике , добавлен 13.06.2014
Параметры цифровой системы передачи информации. Дискретизация сообщений по времени. Квантование отсчетов по уровню, их кодирование и погрешности. Формирование линейного сигнала, расчет спектра. Разработка структурной схемы многоканальной системы передачи.
курсовая работа , добавлен 19.04.2012
Цифровые волоконно-оптические системы связи, понятие, структура. Основные принципы цифровой системы передачи данных. Процессы, происходящие в оптическом волокне, и их влияние на скорость и дальность передачи информации. Контроль PMD.
курсовая работа , добавлен 28.08.2007
Модель взаимодействия открытых систем. Сведения о сетях электросвязи. Цифровые системы передачи. Система сигнализации SSN7. Цифровая коммутационная система "Матрица". Технические характеристики системы. Цифровые системы уплотнения аналоговых линий.
реферат , добавлен 28.03.2009
Цель и понятие кодирования сообщений. Засекречивание передаваемой информации. Помехоустойчивое кодирование. Экономное кодирование - сокращения объема информации и повышения скорости ее передачи или сокращения полосы частот, требуемых для передачи.
реферат , добавлен 11.02.2009
Информация-это отражение разнообразия, присущего объектам и явлениям реального мира. Понятие информации. Свойства информации. Классификация информации. Формы представления информации. Информация-мера определенности в сообщении. Достоверность информации.
контрольная работа , добавлен 24.09.2008
Схема кодирования звуковой информации. Аналоговая и дискретная формы представления информации. Выделение количества уровней громкости в процессе кодирования звуковой информации. Качество двоичного кодирования звука. Расчет информационного объема.
