Преимущества цифровой техники. Почему аналоговая технология все еще жива в цифровом мире

Цифровая электроника в настоящее время все более и более вы-тесняет традиционную аналоговую. Ведущие фирмы, произво-дящие самую разную электронную аппаратуру, все чаще заяв-ляют о полном переходе на цифровую технологию.

Успехи в технологии производства электронных микросхем обеспечили бурное развитие цифровой техники и устройств. Использование цифровых методов обработки и передачи сигналов позволяет существенно повысить качество линий связи. Цифровые методы обработки и коммутации сигналов в телефонии позволяют в несколько раз сократить массогабаритные характеристики устройств коммутации, повысить надежность связи, ввести дополнительные функциональные возможности.

Появление быстродействующих микропроцессоров, микросхем оперативной памяти больших объемов, малогабаритных устройств хранения информации на жестких носителях больших объемов позволило создать достаточно недорогие универсальные персональные электронные вычислительные машины (компьютеры), нашедшие очень широкое применение в быту и производстве.

Цифровая техника незаменима в системах телесигнализации и телеуправления, применяемых в автоматизированных производствах, управлении удаленными объектами, например, космическими кораблями, газоперекачивающими станциями и т. п. Цифровая техника также заняла прочное место в электро-радиоизмерительных системах. Современные устройства регистрации и воспроизведения сигналов также немыслимы без применения цифровых устройств. Цифровые устройства широко используются для управления в бытовых приборах.

Очень вероятно, что в будущем цифровые устройства займут доминирующее положение на рынке электроники.

Для начала дадим несколько базовых определений .

Сигнал — это любая физическая величина (например, тем-пература, давление воздуха, интенсивность света, сила тока и т. д.), изменяющаяся со временем. Именно благодаря этому изменению во времени сигнал может нести в себе какую-то ин-формацию.

Электрический сигнал — это электрическая величина (на-пример, напряжение, ток, мощность), изменяющаяся со време-нем. Вся электроника в основном работает с электрическими сигналами, хотя в последнее время все больше используются световые сигналы, которые представляют собой изменяющуюся во времени интенсивность света.

Аналоговый сигнал — это сигнал, который может прини-мать любые значения в определенных пределах (например, на-пряжение может плавно изменяться в пределах от нуля до деся-ти вольт). Устройства, работающие только с аналоговыми сиг-налами, называются аналоговыми устройствами.

Цифровой сигнал — это сигнал, который может принимать только два значения (иногда — три значения). Причем разреше-ны некоторые отклонения от этих значений (рис. 1.1). Напри-мер, 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, называ-ются цифровыми устройствами.

В природе практически все сигналы аналоговые, то есть они изменяются непрерывно в некоторых пределах. Именно поэто-му первые электронные устройства были аналоговыми. Они преобразовывали физические величины в пропорциональные им напряжение или ток, выполняли над ними какие-то операции и затем выполняли обратные преобразования в физические вели-чины. 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 громкий звук.

Рис. 1.1. Электрические сигналы: аналоговый (слева) и цифровой (справа).

Все операции, производимые электронными устройства-ми над сигналами, можно условно разделить на три большие группы:

Обработка (или преобразование);

Передача;

Хранение.

Во всех этих случаях полезные сигналы искажаются пара-зитными сигналами — шумами, помехами, наводками. Кроме того, при обработке сигналов (например, при усилении, фильт-рации) еще искажается и их форма из-за несовершенст-ва, неидеальности электронных устройств. А при передаче на большие расстояния и при хранении сигналы к тому же ослаб-ляются.

Рис. 1.2. Искажение шумами и наводками аналогового сигнала (слева) и циф-рового сигнала (справа).

В случае аналоговых сигналов все это существенно ухуд-шает полезный сигнал, так как все его значения разрешены (рис. 1.2). Поэтому каждое преобразование, каждое промежу-точное хранение, каждая передача по кабелю или эфиру ухуд-шает аналоговый сигнал, иногда вплоть до его полного унич-тожения. Надо еще учесть, что все шумы, помехи и наводки принципиально не поддаются точному расчету, поэтому точноописать поведение любых аналоговых устройств абсолютно не-возможно. К тому же со временем параметры всех аналоговых устройств изменяются из-за старения элементов, поэтому харак-теристики этих устройств не остаются постоянными.

В отличие от аналоговых, цифровые сигналы, имеющие все-го 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 дли-тельное хранение без потерь и гораздо более качественную передачу, чем аналоговые. К тому же поведение цифровых устройств всегда можно абсолютно точно рассчитать и пред-сказать. Цифровые устройства гораздо меньше подвержены старению, так как небольшое изменение их параметров никак не отражается на их функционировании. Кроме того, цифро-вые устройства проще проектировать и отлаживать. Понятно, что все эти преимущества обеспечивают бурное развитие циф-ровой электроники.

Однако у цифровых сигналов есть и крупный недостаток. Дело в том, что на каждом из своих разрешенных уровней циф-ровой 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 времени (то есть только в выделенные моменты времени). Поэтому мак-симально достижимое быстродействие аналоговых устройств всегда принципиально больше, чем цифровых устройств. Ана-логовые устройства могут работать с более быстро меняющи-мися сигналами, чем цифровые. Скорость обработки и передачи информации аналоговым устройством всегда может быть сде-лана выше, чем скорость ее обработки и передачи цифровым устройством.

Кроме того, цифровой сигнал передает информацию только двумя уровнями и изменением одного своего уровня на другой, а аналоговый передает информацию еще и каждым текущим значением своего уровня, то есть он более емкий с точки зрения передачи информации. Поэтому для передачи того объема по-лезной информации, который содержится в одном аналоговом сигнале, чаще всего приходится использовать несколько цифро-вых сигналов (обычно от 4 до 16).

К тому же, как уже отмечалось, в природе все сигналы ана-логовые, то есть для преобразования их в цифровые сигналы и для обратного преобразования требуется применение специальной аппаратуры (аналого-цифровых и цифро-аналоговых преоб-разователей). Так что ничто не дается даром, и плата за пре-имущества цифровых устройств может порой оказаться непри-емлемо большой.

Люди до сих пор спорят, что лучше: аналоговая или цифровая технология. При этом последняя завоевывает мир окончательно и бесповоротно. Например, на Сиднейском кинофестивале в этом году не было ни одного фильма в формате 35 мм — киноиндустрия черпает вдохновение из новых технологий.

Взгляните на Топ-10 музыкального хитов ARIA (официальный хит-парад Австралийской ассоциации звукозаписи, Australian Recording Industry Association): в процессе записи этой музыки никогда не использовались еще совсем недавно считавшиеся ничем незаменимыми студийные магнитофоны. Наконец, фотографы уже давно предпочитают цифровые камеры аналоговым.

Все перечисленные примеры связаны с носителями информации, используемыми для записи результатов творчества. Раньше авторы сохраняли плоды своих трудов на магнитной ленте или кинопленке, теперь они предпочитают цифровые технологии и соответствующие носители.

Творчество ныне в основном сводится к манипуляции новейшими медиасредствами для того, чтобы рассказать историю, вызвать эмоциональный отклик, задать вопросы, развлечь аудиторию — то есть, делать все то, что искусство должно делать.

Однако в эпоху цифровых технологий находится все больше молодежи, ностальгирующей по старым аналоговым носителям информации. Иногда подобное пристрастие по отношению к вещам, которыми они никогда не пользовались, граничит с фетишизмом.

Не так давно всех удивил музыкант Джек Уайт (Jack White), сделавший запись на винтажном магнитофоне с 8 дорожками. И это далеко не единичный случай. Воскрешение «пленочных» студии звукозаписи и рекорд-лейблов, распространяющих музыку на кассетах, сильно удивило воротил музыкальной индустрии, считавших аналоговый формат мертвым. Тем более, что цифровая техника позволила избавиться от прежних раздражителей (гул, потрескивание, искажения, вспышки и прочие признаки «теплого лампового звука»).

Ностальгия по аналогу

Нелинейность — термин из практики современных медиа, означающий, что входной сигнал, поступающий в устройство, не эквивалентен выходному сигналу.

Любые медиаустройства, в той или иной степени искажающие сигнал — сжатие динамического диапазона музыки в аудиозаписи, размытые контуры изображений и избыточное насыщение кинокадра определенными цветами — можно рассматривать как нелинейные.

Технические специалисты всегда стремились избавиться от погрешностей, а музыкальные продюсеры, фотографы и режиссеры учились вписывать их в творческий продукт. Публика же воспринимала это вполне естественно.

До сих пор много музыкальных продюсеров делают запись на пленке, прежде чем передать ее на оцифровку. Или фотографы — сначала «отщелкивают» материал, а потом редактируют изображения в Photoshop.

Компании Waves и Steven Slate Digital создают программное обеспечение, как можно точнее воссоздающие звуковые эффекты старых магнитофонов.

Конечно, увлечение аналоговым форматом нисколько не умаляет достоинства цифровой технологии. Свое качество она оправдывает, даже слишком. Из-за триумфа «цифры» мы уже заскучали по «зашумленной», нечеткой и перенасыщенной цветом картинке, присущей аналоговым технологиям. Но одновременно никто не оспаривает высокую производительность и экономическую эффективность цифровых форматов обработки сигнала.

Некоторые любители всеми силами стараются сохранить уходящую в прошлое аналоговую технологию исключительно ради идеи. Другим просто доставляет удовольствие пользоваться винтажной техникой, например, камерой Polaroid.

Остальная часть «ретроградов» просто моделирует «полароидные» эффекты на смартфонах ради удовлетворения чувства ностальгии.

Рост «медленных медиа»

Всплеск интереса к старым технологиям со стороны людей, родившихся в цифровую эпоху, напоминает явление конца 80-х годов под названием «движение медленных медиа».

Растут продажи виниловых пластинок. Потому что люди вновь открывают радость встречи с альбомом музыканта как неким посланием. А само прослушивание пластинки? Это целый ритуал: взять в руки круг черной пластмассы, неторопливо подойти и бережно поставить его в проигрыватель.

У музыкантов своя причина любви к пленке. Когда они приходят в студию, то знают, что должны сыграть отменно, потому что «цифровой обман» недоступен.

Режиссеры, в свою очередь, исходят из ограниченности кинопленки. Это налагает ответственность на игру актеров ради избежания лишних дублей.

Музыкальные продюсеры также работают качественнее без огромного количества дорожек и безграничных возможностей наложения звука. Посмотрите, что творили Beatles всего на 4 дорожках. Сегодня их как минимум 96. Слушая современную музыку, приходится сомневаться в пользе дополнительных 92 дорожек.

У любви к старым технологиям есть одна подоплека. Дело тут не столько в монетизации ретро-моды, сколько в претензии к способу работы медиаиндустрии. В аналоговом мире вы вынуждены работать медленнее. В цифровой реальности вы должны сделать работу прямо сейчас.

Старые медиаформаты не уйдут. Слишком много людей заинтересованы в их существовании. Кто-то будет пытаться на волне ретро-моды вернуть утраченную часть прибыли. Кто-то погрузится в ностальгию и начнет коллекционировать старинное оборудование.

Некоторые вещи по-настоящему удивительны. Например, музыкальные инструменты или звукозаписывающее оборудование: 40-50 лет тому назад они делались словно на века, часто из более дорогих материалов, чем сегодня.

Введение

Целью данной работы является рассмотрение преимуществ цифровой техники и их причин.

Цифровые технологии, как таковые, основаны на представлении сигналов дискретными полосами аналоговых уровней, а не в виде непрерывного спектра. Все уровни в пределах полосы представляют собой одинаковое состояние сигнала.

С конца 90-х годов прошлого века принято считать, что именно за цифровыми технологиями стоит будущее. В этой работе я попытаюсь осветить основные причины и тезисы такой точки зрения.

1. Аналоговый сигнал

Аналоговый сигнал - сигнал данных, у которого каждый из представляющих параметров описывается функцией времени и непрерывным множеством возможных значений. Такие сигналы описываются непрерывными функциями времени, поэтому аналоговый сигнал иногда называют непрерывным сигналом.

Свойства аналоговых сигналов в значительной мере отражают их непрерывность:

·Отсутствие чётко отличимых друг от друга дискретных уровней сигнала приводит к невозможности применить для его описания понятие информации в том виде, как она понимается в цифровых технологиях. Содержащееся в одном отсчёте «количество информации» будет ограничено лишь динамическим диапазоном средства измерения.

·Отсутствие избыточности. Из непрерывности пространства значений следует, что любая помеха, внесенная в сигнал, неотличима от самого сигнала и, следовательно, исходная амплитуда не может быть восстановлена. В действительности фильтрация возможна, например, частотными методами, если известна какая-либо дополнительная информация о свойствах этого сигнала (в частности, полоса частот).

Рассмотрим этот вид сигнала на простом примере. Во время разговора, наши голосовые связки излучают определенную вибрацию различной тональности (частоты), и громкости (уровня звукового сигнала). Эта вибрация, пройдя некоторое расстояние, попадает в человеческое ухо, воздействуя там, на так называемую слуховую мембрану. Эта мембрана, начинает вибрировать с такой же частотой и силой вибрации какую излучали наши звуковые связки, с одним лишь отличием, что сила вибрации за счет преодоления расстояния, несколько ослабевает.

Так вот, передачу голосовой речи от одного человека к другому, можно смело назвать аналоговой передачей сигнала , и вот почему.

Здесь дело в том, что наши голосовые связки, излучают такую же звуковую вибрацию, какую и воспринимает само человеческое ухо (что говорим, то и слышим), то есть, передаваемый и принимаемый звуковой сигнал, имеет схожую форму импульса, и такой же частотный спектр звуковых вибраций, или по другому сказать, «аналогичной» звуковой вибрации.

Теперь, рассмотрим более сложный пример. И за этот пример, возьмем упрощенную схему телефонного аппарата, то есть того телефона, которым люди пользовались задолго до появления сотовой связи.

Во время разговора, речевые звуковые вибрации передаются на чувствительную мембрану телефонной трубки (микрофона). Затем, в микрофоне, звуковой сигнал преобразуется в электрические импульсы, и далее поступает по проводам ко второй телефонной трубке, в которой, с помощью электромагнитного преобразователя (динамика или наушника) электрический сигнал преобразуется обратно в звуковой сигнал.

В приведенном выше примере, используется, опять же, «аналоговое » преобразование сигнала. То есть, звуковая вибрация имеет такую же частоту, как и частота электрического импульса в линии связи, а так же, звуковой и электрический импульсы, имеют схожую форму (то есть, аналогичную).

В передаче телевизионного сигнала, сам аналоговый радиотелевизионный сигнал имеет достаточно сложную форму импульса, а так же, достаточно высокую частоту этого импульса, ведь в нем передается на большие расстояния, как звуковая информация, так и видео.

2. Цифровой сигнал

Цифровой сигнал - сигнал данных, у которого каждый из представляющих параметров описывается функцией дискретного времени и конечным множеством возможных значений.

Сигналы представляют собой дискретные электрические или световые импульсы. При таком способе вся емкость коммуникационного канала используется для передачи одного сигнала. Цифровой сигнал использует всю полосу пропускания кабеля. Полоса пропускания - это разница между максимальной и минимальной частотой, которая может быть передана по кабелю. Каждое устройство в таких сетях посылает данные в обоих направлениях, а некоторые могут одновременно принимать и передавать. Узкополосные системы передают данные в виде цифрового сигнала одной частоты.

Дискретный цифровой сигнал сложнее передавать на большие расстояния, чем аналоговый сигнал, поэтому его предварительно модулируют на стороне передатчика, и демодулируют на стороне приёмника информации. Использование в цифровых системах алгоритмов проверки и восстановления цифровой информации позволяет существенно увеличить надёжность передачи информации.

Следует иметь в виду, что реальный цифровой сигнал по своей физической природе является аналоговым. Из-за шумов и изменения параметров линий передачи он имеет флуктуации по амплитуде, фазе / частоте поляризации. Но этот аналоговый сигнал (импульсный и дискретный) наделяется свойствами числа. В результате для его обработки становится возможным использование численных методов (компьютерная обработка).

За пример, «цифрового сигнала» , возьмем принцип передачи информации с помощью достаточно известной «азбукой Морзе». Для тех, кто не знаком с таким видом передачи текстовой информации, далее вкратце поясню основной принцип.

Раньше, когда передача сигнала по воздуху (с помощью радиосигнала), еще только развивалась, технические возможности приемо-передающей аппаратуры не позволяли передавать речевой сигнал на большие расстояния. Поэтому, вместо речевой информации использовали текстовую. Так как текст состоит из букв, то эти буквы передавались с помощью коротких и длинных импульсов тонального электрического сигнала.

Такая передача текстовой информации называлась - передача информации с помощью «Азбуки Морзе».

Тональный сигнал, по своим электрическим свойствам, имел большую пропускную способность, чем речевой, и вследствие этого радиус действия приемо-передающей аппаратуры увеличивался.

Единицами информации в такой передаче сигнала, условно назывались «точка» и «тире». Короткий тоновый сигнал означал точку, а длинный тоновый сигнал тире. Здесь, каждая буква алфавита состояла из определенного набора точек и тире. Так например, буква А обозначалась комбинацией».- » (точка-тире), а буква Б «- … » (тире-точка-точка-точка), ну и так далее.

То есть, передаваемый текст, кодировался с помощью точек и тире в виде коротких и длинных отрезках тонового сигнала. Если слова «АЗБУКА МОРЗЕ» выразить с помощью точек и тире, то это будет выглядеть так:

В основу цифрового сигнала, положен очень похожий принцип кодирования информации, только сами единицы информации там уже другие.

Любой цифровой сигнал состоит из так называемого «двоичного кода». Здесь, за единицы информации используются логический 0 (ноль), и логическая 1 (единица).

Если за пример, мы возьмем обычный карманный фонарик, то если включить его, то это как бы будет означать логическую единицу, а если выключим, то логический ноль.

В цифровых электронных микросхемах за единицы логической 1 и 0, принимают определенный уровень электрического напряжения в вольтах. Так, к примеру, логическая единица будет означать 4,5 вольта, а за логический ноль 0,5 вольт. Естественно для каждого типа цифровых микросхем, значения величины напряжений логического нуля и единицы, разные.

Любая буква алфавита, как и на примере с описанной выше азбукой Морзе, в цифровом виде, будут состоять из определенного количества нулей и единиц, располагающиеся в определенной последовательности, которые в свою очередь, входят в пакеты логических импульсов. Так например, буква А будет одним пакетом импульсов, а буква Б другим пакетом, но в букве Бпоследовательность нулей и единичек будет уже другой чем в букве А (то есть, различной комбинации расположения нулей и единичек).

В цифровой код, можно закодировать практически любой вид передаваемого электрического сигнала (включая и аналоговый), и не важно, будет это картинка, видеосигнал, аудио сигнал, или текстовая информация, причем можно передавать эти виды сигнала, практически одновременно (в едином цифровом потоке).

3. Аналоговые приборы

С появлением электричества у людей появилась возможность использовать технику, работающую от тока. С каждым днем появлялось все больше новых приборов, наука развивалась, техника совершенствовалась. Тогда все изобретения считались аналоговыми. Слово «аналоговый» означало, что прибор работает по аналогии чего-то. Чтобы было понятнее, рассмотрим измерительный прибор. Допустим, нужно построить график измерений, сами данные измерений известны. Прибор сначала выведет уравнение по известным данным, которое описывает поведение графика, а затем попытается построить график. Он работает по аналогии уравнения, строго подчиняется его законам. А насколько точно уравнение описывает график, прибору это неважно. Таким образом, аналоговые электронные устройства - это устройства усиления и обработки аналоговых электрических сигналов, выполненные на основе электронных приборов. Следует выделить две большие группы, по которым можно классифицировать аналоговые электронные устройства:

·Усилители - это устройства, которые за счет энергии источника питания формируют новый сигнал, являющийся по форме более или менее точной копией заданного, но превосходит его по току, напряжению или по мощности.

·Устройства на основе усилителей - в основном преобразователи электрических сигналов и сопротивлений.

Преобразователи электрических сигналов (активные устройства аналоговой обработки сигналов) - выполняются на базе усилителей, либо путем непосредственного применения последних со специальными цепями обратных связей, либо путем некоторого их видоизменения. Сюда относят устройства суммирования, вычитания, логарифмирования, антилогарифмирования, фильтрации, детектирования, перемножения, деления, сравнения и др. Преобразователи сопротивлений выполняются на основе усилителей с обратными связями. Они могут преобразовывать величину, тип, характер сопротивления. Используют их в некоторых устройствах обработки сигналов. Особый класс составляют всевозможные генераторы и связанные с ними устройства.

4. Цифровые приборы

Цифровыми называются измерительные приборы, автоматически вырабатывающие дискретные сигналы измерительной информации и дающие показания в цифровой форме. Под дискретными понимают сигналы, значения которых выражены числом N импульсов. Система правил для представления информации с помощью дискретных сигналов называется кодом. Дискретные сигналы в отличие от непрерывных имеют лишь конечное число значений, определяемое выбранным кодом.

Главными и обязательными функциональными узлами электронных цифровых измерительных приборов являются аналого-цифровые преобразователи, в которых измеряемая аналоговая, т.е. непрерывная во времени, физическая величина X автоматически преобразуется в эквивалентный ей цифровой код, а также цифровые отсчётные устройства, в которых полученные кодовые сигналы N преобразуются в цифровые символы десятичной системы счисления, удобные для визуального восприятия. Цифровая форма представления результата измерения по сравнению с аналоговой ускоряет считывание и существенно уменьшает вероятность субъективных ошибок. Так как большинство цифровых измерительных приборов содержат предварительные аналоговые преобразователи, предназначенные для изменения масштаба измеряемой входной величины х или её преобразования в другую величину Y = f(x), более удобную для выбранного метода кодирования, то в общем случае структурная схема прибора представляется в виде рис.

Структурная схема цифрового измерительного прибора

Современные цифровые приборы содержат аналого-цифровые преобразователи, способные производить сотни и более преобразований в секунду, что позволяет регистрировать быстро протекающие физические процессы и легко сопрягать объекты исследования с ЭВМ. Цифровые приборы - новая ступень эволюции техники, работающей по цифровым данным.

Для наглядности рассмотрим тот же случай - нужно построить график по заданным измерениям. Прибор не станет составлять уравнение, он разобьет график на мелкие кусочки, и по известным данным для каждого кусочка рассчитает координаты. Затем прибор построит каждый кусочек по полученным координатам, и из-за того, что таких кусочков огромное количество, они будут представлять непрерывный график. Вот так работает цифровая техника.

5. Основные преимущества цифровых приборов перед аналоговыми

Цифровой сигнал, по своим электрическим свойствам (также как и в примере с тональным сигналом), имеет большую пропускную способность передачи информации, нежели аналоговый сигнал. Также, цифровой сигнал, можно передавать на большее расстояние, чем аналоговый, причем без снижения качества передаваемого сигнала. 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 сохранен на компакт-диске с использованием около 6 млрд. двоичных разрядов. Это особенно актуально в последнее время, с учетом огромного роста передаваемой информации (увеличение количества теле-, радиоканалов, увеличение количества телефонных абонентов, увеличение числа пользователей интернета и скорости интернет линий).

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 определенного уровня, информация может быть восстановлена совершенно точно.

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 путем 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.

При передаче цифрового телевизионного сигнала, телезритель уже не увидит такого дефекта как «изображение снежит», как было в аналоговом сигнале при плохом приеме. В цифровой передаче телеканалов, качество картинки может быть только хорошим, или изображения совсем не будет если прием плохой (то есть, или да, или нет).

Что касается цифровой передачи телефонных разговоров, то здесь, с хорошим качеством может передаваться как шепот, так и крик, как нижние тона, так и высокие, и тут уже неважно на каком расстоянии находятся телефонные абоненты.

Цифровая техника всегда превосходила аналоговую по точности. Например, сравним аналоговый и цифровой диктофоны. При необходимости записать голосовую информацию, цифровой прибор справится с задачей лучше аналогового. Это будет заметно в качестве записи. Дело в том, что аналоговый диктофон не так точно воспроизводит информацию, в запись будут намешаны шумы, а цифровой будет отсеивать ненужные шумы, соответственно звучание будет правдоподобнее.

Цифровая техника миниатюрнее. Приборы построены на микросхемах, способных проводить операции сложения и вычитания над числами, отсюда и малые размеры. Данные современных приборов могут в отличие от аналоговых быстро обрабатываться компьютерами. Конечно, данные аналоговых тоже могут быть помещены в компьютер, но ему предварительно потребуется их переводить на «свой» цифровой язык.

Цифровая техника экономичнее и дольше служит. Микросхемы потребляют меньше энергии и могут долгое время исправно работать, в то время как механическая техника будет быстро выходить из строя.

Также цифровые приборы могут похвастаться:

·Малая погрешность. Точность аналоговых приборов ограничивается погрешностями измерительных преобразователей, самого измерительного механизма, погрешностями шкалы и т.д.

·Высокое быстродействие (число измерений в единицу времени);
При измерении изменяющихся во времени величин быстродействие играет важную роль. Если для показывающих приоров не требуется высокого быстродействия, так как возможности работающего с ними оператора ограничены, то напротив, требование быстродействия становится важным при обработке информации с помощью ЭВМ, к которым часто подключаются цифровые приборы.
·Отсутствие субъективной ошибки отсчетов результата измерения - субъективных погрешностей, связанных с особенностями зрения человека, из-за параллакса, из-за разрешающей способности глаза.

6. Цифровой фильтр

Цифровой фильтр - в электронике любой фильтр, обрабатывающий цифровой сигнал с целью выделения и / или подавления определённых частот этого сигнала. В отличие от цифрового, аналоговый фильтр имеет дело с аналоговым сигналом, его свойства недискретны , соответственно передаточная функция зависит от внутренних свойств составляющих его элементов.

Преимуществами цифровых фильтров перед аналоговыми являются:

·Высокая точность (точность аналоговых фильтров ограничена допусками на элементы).

·Стабильность (в отличие от аналогового фильтра передаточная функция не зависит от дрейфа характеристик элементов).

·Гибкость настройки, лёгкость изменения.

·Компактность - аналоговый фильтр на очень низкую частоту (доли герца, например) потребовал бы чрезвычайно громоздких конденсаторов или индуктивностей.

Но также имеются и недостатки:

·Трудность работы с высокочастотными сигналами. Полоса частот ограничена частотой Найквиста, равной половине частоты дискретизации сигнала. Поэтому для высокочастотных сигналов применяют аналоговые фильтры, либо, если на высоких частотах нет полезного сигнала, сначала подавляют высокочастотные составляющие с помощью аналогового фильтра, затем обрабатывают сигнал цифровым фильтром.

·Трудность работы в реальном времени - вычисления должны быть завершены в течение периода дискретизации.

·Для большой точности и высокой скорости обработки сигналов требуется не только мощный процессор, но и дополнительное, возможно дорогостоящее, аппаратное обеспечение в виде высокоточных и быстрых аналого-цифровых преобразователей.

7. Аналого-цифровой преобразователь

Как правило, аналого-цифровой преобразователь - электронное устройство, преобразующее напряжение в двоичный цифровой код. Тем не менее, некоторые неэлектронные устройства с цифровым выходом, следует также относить к этому виду, например, некоторые типы преобразователей угол-код. Простейшим одноразрядным двоичным преобразователем является компаратор.

Разрешение АЦП - минимальное изменение величины аналогового сигнала, которое может быть преобразовано данным прибором - связано с его разрядностью. В случае единичного измерения без учёта шумов разрешение напрямую определяется разрядностью преобразователя.

Разрядность АЦП характеризует количество дискретных значений, которые преобразователь может выдать на выходе. В двоичных приборах измеряется в битах, в троичных- в тритах. Например, двоичный 8-ми разрядный преобразователь способен выдать 256 дискретных значений (0…255), поскольку . Троичный 8-ми разрядный способен выдать 6561 дискретное значение, поскольку .

Частота преобразования обычно выражается в отсчетах в секунду. Современные АЦП могут иметь разрядность до 24 бит и скорость преобразования до миллиарда операций в секунду (конечно, не одновременно). Чем выше скорость и разрядность, тем труднее получить требуемые характеристики, тем дороже и сложнее преобразователь. Скорость преобразования и разрядность связаны друг с другом определенным образом, и мы можем повысить эффективную разрядность преобразования, пожертвовав скоростью.

Шум квантования - ошибки, возникающие при оцифровке аналогового сигнала. В зависимости от типа аналого-цифрового преобразования могут возникать из-за округления (до определённого разряда) сигнала или усечения (отбрасывания младших разрядов) сигнала.

Для обеспечения дискретизации синусоидального сигнала частотой 100 кГц с погрешностью 1% время преобразования АЦП должно быть равно 25 нс. В то же время с помощью такого быстродействующего АЦП принципиально можно дискретизировать сигналы, имеющие ширину спектра порядка 20 МГц. Таким образом, дискретизация с помощью самого прибора приводит к ощутимому расхождению требований между быстродействием АЦП и периодом дискретизации. Это расхождение может достигать 2…3 порядков и сильно удорожает и усложняет процесс дискретизации, так как даже для узкополосных сигналов требует достаточно быстродействующие преобразователи. Для относительно широкого класса быстро изменяющихся сигналов эту проблему решают с помощью устройств выборки-хранения, имеющих малое апертурное время.

8. Цифровое и аналоговое копирование

Начиная с конца 90-х годов, на рынке широкоформатных копировальных аппаратов и инженерных систем прослеживается четкая тенденция перехода от аналоговой техники к цифровой. В настоящее время большинство производителей модифицировали свою продуктовую линейку. Многие из них полностью отказались от выпуска аналоговых копировальных аппаратов.

Тенденция перехода к цифровой технике совершенно понятна. Во-первых, многие предприятия, желающие идти в ногу со временем и быть конкурентоспособными, решают задачи перевода документооборота в электронный вид. В-вторых, возрастают требования к качеству документов, которое определяет имидж предприятия в глазах партнеров и заказчиков.

В этой связи многофункциональная цифровая техника имеет существенные преимущества перед аналоговой, обусловленные, в первую очередь, самими принципами цифрового и аналогового копирования.

Преимущества:

·Возможность подключения к компьютеру

·Цифровая техника может не только копировать документы, но и распечатывать файлы с компьютера, а также сканировать оригиналы и переводить их в электронный вид, например, для сохранения в электронном архиве. Аналоговые аппараты умеют только копировать.

·Качество копий

·Цифровая техника позволяет получать копии более высокого качества, поскольку отсканированный в память аппарата файл можно подвергнуть цифровой обработке. Самое полезное применение такой возможности - очистка фона при копировании синек. Кроме того, цифровые аппараты поддерживают работу в фоторежиме и на порядок качественнее передают оттенки серого и полутона. При копировании цветных изображений цифровые аппараты могут различить разные цвета, напечатав их различными оттенками серого.

·Вдобавок к этому цифровая техника не использует оптики передающей отраженный от оригинала свет на фотобарабан. Эта оптика у аналоговых аппаратов требует регулярного ухода, поскольку пылиться, что также сказывается на качестве отпечатков.

·Широкая функциональность

·Цифровая обработка оригинала позволяет не только улучшать качество копий, но также и преобразовывать оригинал, например, масштабировать, применять инверсию, негатив и пр.

·Надежность

·Более высокая надежность цифровой техники связана не только с отсутствием оптики и лампы подсветки, которую нужно регулярно менять, но и с иным способом тиражирования. При изготовлении тиража на аналоговом аппарате оригинал требуется не только протягивать в направлении сканирования, но и возвращать в исходное положение перед следующей копией. Цифровой аппарат протягивает оригинал один раз, запоминает его и дальше изготавливает тираж, печатая копии из памяти.

9. Цифровое и аналоговое музыкальное оборудование

Уже давно в наше время цифровых технологий мы перестали задумываться о том, насколько более удобны цифровые аппаратные ресурсы по сравнению с аналоговыми. В принципе, когда только начинался переход с аналогового оборудования на цифровое, было очень много дебатов на тему удобства работы, технических преимуществ и, наоборот, минусов цифры перед аналоговыми. Но сейчас время от времени все же этот вопрос встает в различных ситуациях, как в различных студиях звукозаписи, так и в клубах. Какие все же преимущества цифрового оборудования перед аналоговым и чем цифра уступает старым конструкциям?

Для начала коротко о том, по каким принципам строится оцифровка звука.

Для преобразования аналогового звука в цифровой существуют аналогово-цифровые преобразователи, именно эти устройства способны преобразовывать непрерывный аналоговый сигнал в последовательность отдельных чисел, то есть сделать его дискретным. Преобразование происходит следующим образом: цифровое устройство много раз в секунду производит измерение амплитуды аналогового сигнала и выдает результаты этих измерений уже непосредственно в виде чисел. При этом, результат измерений не является точным аналогом непрерывного электрического сигнала. Полнота соответствия зависит от количества измерений и их точности. Частота, с которой производятся измерения, называется частотой дискредитации, а точность измерений амплитуды указывает число бит, использующихся для показаний результата измерений. Этот параметр и есть разрядность.

Итак, преобразование аналогового сигнала в цифровой состоит из двух этапов: дискредитации по времени и квантования (выравнивания) по амплитуде. Дискредитация по времени означает, что сигнал представляется рядом своих отсчетов (сэмплов), взятых через равные промежутки времени. Например, когда мы говорим, что частота дискредитации (чаще используется название частота сэмплирования), равна 44,1 кГц, то это означает, что сигнал измеряется 44100 раз в течение секунды. Как правило, основной вопрос на первом этапе преобразования аналогового сигнала в цифровой (оцифровки) состоит в выборе частоты дискредитации аналогового сигнала, так как от этого еще зависит и непосредственно качество результата преобразования. Считается, что диапазон частот, которые слышит человек, составляет от 20 до 20000 Гц, а для того, чтобы аналоговый сигнал можно было точно восстановить по его отсчетам, частота дискредитации должна быть как минимум вдвое больше максимальной звуковой частоты. Таким образом, если реальный аналоговый сигнал, который в дальнейшем будет преобразован в цифровую форму, содержит частотные компоненты от 0 кГц до 20 кГц, то частота дискредитации такого сигнала должна быть не меньше, чем 40 кГц. В процессе дискредитации частотный спектр аналогового звука претерпевает весьма значительные изменения. После дискредитации относительно низкочастотный исходный аналоговый сигнал представляет собой последовательный временной ряд очень узких импульсов с различной амплитудой и с очень широким спектром до нескольких мегагерц. Поэтому спектр дискредитированного сигнала значительно шире спектра исходного аналогового сигнала. Отсюда вывод: наиболее целесообразная оцифровка происходит на повышенной частоте дискредитации и с высокой разрядностью.

Принципы работы аналогового же оборудования строятся на непрерывности сигнала в электрической цепи. Причиной перехода производства технологий от аналоговых к цифровым стала потребность, прежде всего в повышении качества звучания, хранения, а также автоматизации процесса работы. Но при этом, по причине сжатия исходного сигнала после процесса оцифровки, компакт-диск уступает качеством общего звучания винилу, так как диапазон частот оригинального сигнала при аналоговой записи практически не претерпевает никаких изменений (что касается шумоподавления, это также зависит и от игл на проигрывателях). Поэтому профессионалы предпочитают звучание винила компакт-дискам.

10. Недостатки цифровых приборов

Хотелось бы еще пару слов уделить недостаткам цифровой техники, которые могут быть весьма важны при массовом производстве.

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, путем 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 радиосигналов от базовой станции. Тем не менее, базовая станция может использовать энергоемкую, но очень гибкую программно-определяемую радиосистему. Такие базовые станции можно легко перепрограммировать для обработки сигналов, используемых в новых стандартах сотовой связи.

Цифровые схемы иногда дороже аналоговых.

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.

Список литературы

аналоговый цифровой сигнал прибор

1. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. В 3-х т: Т. 2. Пер. с англ. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Мир, 1993. - 371 с.

Ханзел Г.Е. Справочник по расчету фильтров. США, 1969. / Пер. с англ., под ред. А.Е. Знаменского. М.: Сов. радио, 1974. - 288 с.

. «Цифровая обработка сигналов». Л.М. Гольденберг, Б.Д. Матюшкин - М.: Радио и связь, 1985

Бирюков С.А. Цифровые устройства на МОП-интегральных микросхемах /Бирюков С.А..-М.: Радио и связь, 2007.-129 с.: ил. - (Массовая радиобиблиотека; Вып. 1132).

Горбачёв Г.Н. Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника / Под ред. проф. В.А. Лабунцова. - М.: Энергоатомиздат, 1988.

Шкритек П. Справочное руководство по звуковойсхемотехнике: Пер. с нем.-М. Мир, 1991. - 446 с.: ил

Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник /Шило В.Л.-М.: Металлургия, 2008.-349 с. - (Массовая радиобиблиотека; Вып. 1111).

Гольденберг Л.М. Импульсные и цифровые устройства: Учебник для вузов /Гольденберг Л.М.-М.: Связь, 2009.-495 с.: ил..-Библиогр.:с. 494-495.

Букреев И.Н. Микроэлектронные схемы цифровых устройств /Букреев И.Н., Мансуров Б.М., Горячев В.И.. - 2-е изд., перераб. и доп..-М.: Сов. радио, 2008.-368 с.

Современные конференц-системы, пройдя путь от простой связки микшерного пульта и микрофонов до полноценного мультимедийного центра, способны решать широкий спектр задач, обеспечивая удобство проведения дискуссии как участвующим в ней делегатам, так и отвечающим за техническую часть инсталляторам. Как это всегда бывает, есть у технологии свои плюсы и минусы. И хотя появившиеся в последнее время мультимедийные конференц-системы по своим возможностям не имеют себе равных, эти самые возможности в большинстве ситуаций могут быть избыточны, а значит – невостребованны. Стоит ли гнаться за последними достижениями или для решения повседневных задач достаточно классического, проверенного временем оборудования? Разбираемся в вопросе.

Речь

Вне зависимости от того, какой тип системы будет использоваться, первостепенное значение для дебатов имеет разборчивость речи. Решающими факторами здесь являются качество микрофона и системы озвучивания зала, а также корректность расположения пульта относительно говорящего делегата. Для этой же цели пульты оснащаются встроенными громкоговорителями, выступающими в качестве дополнения к основной акустической системе. В цифровых системах нередко присутствует процессор, отвечающий за подавление акустической обратной связи, что препятствует самовозбуждению звукового тракта и предоставляет большую свободу для установки микрофонов. Передача сигнала в аналоговой форме имеет ограничение максимальной длины кабеля, что не позволяет размещать пульты, подключаемые по цепочке, далеко друг от друга. Именно поэтому цифровые системы, лишенные подобной проблемы, чаще всего применяют для масштабных инсталляций, оставляя на долю аналоговых небольшие по размерам помещения. Мультимедийные же системы, хоть и используют для соединения технологию POE, при работе с голосом существенных преимуществ не дают.

Дополнительные возможности

Наиболее часто используемыми функциями, присутствующими в большинстве цифровых систем, стали: голосование, синхронный перевод, аутентификация пользователя, интерком, запись конференции, интеграция с системой технологического телевидения и организация телемоста. Очевидно, что для реализации подобных возможностей без цифровых технологий не обойтись. Правда, ряд из них можно встретить и в аналоговых системах с цифровым управлением. Например, голосование и запись. Не составит труда записать и дебаты, проводимые на полностью аналоговой системе.

Закономерным этапом в развитии цифровых систем стало появление пультов с дисплеями, позволяющими выводить служебные сообщения, вопросы/результаты голосования и другие данные. Из них в итоге и выросли полноценные мультимедийные системы, с помощью которых можно не только в реальном времени просматривать видеотрансляцию выступления оратора, документы, презентации и прочий графический и видео контент, но и самостоятельно загружать медиафайлы из различных источников, в том числе Интернета или локального сервера. Фактически такой пульт, снабженный крупным сенсорным экраном, представляет собой полноценный планшет с собственной операционной системой и набором приложений, возможности которого ограничиваются лишь установленным ПО. Ряд производителей оснащает свои продукты встроенными камерами, упрощающими организацию видеоконференции или телемоста. И если для цифровой системы потребуется интеграция с технологическим телевидением, камеры которого будут поворачиваться в сторону оратора, то в подобных устройствах необходимость в этом отпадает. Генеральный директор Брюллов Консалтинг , Владимир Коломенский , комментирует:

Мультимедиа-пульты, устанавливаемые в зале, имеют относительно небольшой экран. Это позволяет организовать рабочее пространство более эргономично, обеспечив участнику конференции максимум функций. Для задач же, где требуется работа с большим объемом документов, отдельные производители, например, Televic Conference, предлагают возможность интеграции с сенсорными мониторами, в том числе, моторизованными. В этом случае весь функционал мультимедиа пульта становится доступным с монитора любого размера - хоть 15", хоть 22" и более

Управление

Классический пульт делегата снабжается кнопками включения микрофона и запроса на выступление, а также регулятором громкости встроенного динамика и визуальными индикаторами, информирующим о том, что подходит очередь говорить и что делегат «в эфире». Пульт председателя дополнен кнопкой приоритета, позволяющей в любой момент прервать дискуссию. В более многофункциональных цифровых системах к ним могут быть добавлены клавиши голосования, выбора канала для синхронного перевода и различные модули идентификации (пин-код, карта или отпечаток пальца). Цифровые пульты председателей нередко содержат средства управления для установки количества открытых микрофонов, продолжительности выступлений или режима работы.

Мультимедийные устройства, имея графический интерфейс, выводимый на экран, позволяют создавать произвольный набор кнопок и соответствующих им функций, а при необходимости заменять их на новый. По этой причине и разделение пультов на делегатские и председательские нецелесообразно. Александр Бахматов, директор по маркетингу компании RIWA - дистрибьютора конференц-систем Marconi, считает:

Софтверизация кнопок - это то, что происходит с интерфейсами последние 20 лет. Поэтому мультимедийные конференц-системы со временем вытеснят обычные, также как смартфоны вытеснили с рынка кнопочные мобильные телефоны. На экране своего пульта участнику заседания комфортней голосовать и смотреть документы, видео и изображения, чем на общем экране.

Интеграторам легче подстроить графический интерфейс под требования заказчика. Какие угодно цвет, форма и функционал кнопок, любой язык – ограничения только в размере и разрешении экрана. Широкие возможности интеграции в существующие IT-структуры. Мультимедийная конференц-система фактически становится платформой для работы программиста и дизайнера, которые подгоняют интерфейс под техническое задание. Так что нас ждёт эволюция, сравнимая с телефонной

Исполнение и инсталляция

Все представленные на рынке системы можно разделить на встраиваемые и настольные. Первые занимают меньше места и более эстетично выглядят, вторые не требуют для инсталляции врезки, поэтому допускают перемонтаж. Для выездных встреч и заседаний, а также в местах, где помимо конференций проходят другие мероприятия или же размещение проводных систем невозможно, разумнее использовать беспроводные. Для их установки и настройки не нужно много времени, но они требуют регулярной подзарядки аккумуляторов и могут быть подвержены помехам. Мультимедийные конференц-системы на сегодняшний день выпускаются пока только в проводном варианте и могут быть как встраиваемыми, так и настольными, поэтому каких-либо преимуществ в этом плане не имеют.

Соединение пультов с центральным блоком в аналоговых и цифровых системах чаще всего осуществляется проприетарным кабелем. Мультимедийные же поддерживают передачу данных через кабели CAT-5 или CAT-6, которые существенно дешевле и допускают любое удаление устройств друг от друга. Как цифровые, так и мультимедийные системы, в зависимости от производителя и модели, совместимы с сетевыми протоколами CobraNet или Dante, обеспечивающими простоту интеграции с системами технологического телевидения, синхронного перевода, проекторами или проекционными панелями и звуковым оборудованием, а также организацию телемоста с расположенными на расстоянии дискуссионными группами. В аналоговом оборудовании такая свобода, естественно, отсутствует. Топовые системы ведущих производителей допускают использование в рамках одной инсталляции различные ее типы. Таким образом, в одной части помещения можно задействовать беспроводной пульт, в другой - мультимедийный и так далее. Руководитель направления обучения и развития Hi-Tech Media, Андрей Осипов , говорит:

Используя программные разработки компании HI-Tech Media, можно объединять в одном зале все оборудование из линеек конференц-систем компании Bosch, а именно: CCS 1000D, DCN NG и Dicentis, причем, как в проводном, так и беспроводном вариантах. Модуль программного обеспечения HTM-SP, объединяя все вышеперечисленные системы, позволяет не только управлять ими, но и посылать метаданные (название совещания, ФИО выступающего, ФИО оппонента и др.) в систему многоканальной аудио/видео записи HTM-GAVR, дает возможность управлять объединенной системой с устройств семейства Crestron или Extron. Использование модуля HTM-SP не требует специальных навыков, а сам модуль имеет интуитивно-понятный интерфейс

Программное обеспечение HTM-GAVR для записи мероприятий для конгресс-систем Bosch

Управление и настройка цифровых и мультимедийных систем осуществляется при помощи веб-интерфейса, предоставляющего удобный и наглядный доступ ко всей необходимой информации. Многие производители также снабжают свои пульты системами самоопределения, за счет чего они автоматически встраиваются при подключении, облегчая процесс инсталляции.

Заключение

Как видно, мультимедийные конференц-системы - это не только возможность удобной работы с различным графическим и видео контентом, но и произвольно настраиваемый под задачи интерфейс, а также широкие перспективы интеграции и модернизации. Такое оборудование вряд ли в обозримом будущем устареет, но его стоимость существенно превышает аналоги. Если задача использования в дискуссии мультимедийного контента не столь важна или демонстрируемые материалы допускают трансляцию из одного источника, то вполне можно обойтись и цифровой системой – благо их качество и возможности сегодня во многом не уступают. В случае же ограниченного бюджета и отсутствия необходимости в построении сложных инсталляций, разумным выбором может стать применение аналоговой системы с цифровым управлением.

Лекция 4. Методы сетевой коммуникации.

Методы сетевой коммуникации

Сигналы

Как упоминалось раньше, существует много способов физического создания и пе­редачи сигнала электрические импульсы могут проходить по медному проводу, им­пульсы света - по стеклянному или пластмассовому волокну, радиосигналы переда­ются по воздуху, так же передаются и лазерные импульсы в инфракрасном, или ви­димом диапазоне Преобразование единиц и нулей, представляющих данные в компьютере, в импульсы энергии называется кодированием (модуляцией).

Подобно классификации компьютерных сетей, сигналы можно классифицировать на основе их различных характеристик. Сигналы бывают следующие:

аналоговые и цифровые,

смодулированные и модулированные,

синхронные и асинхронные,

симплексные, полудуплексные, дуплексные и мультиплексные

Аналоговые и цифровые сигналы

В зависимости от формы электрического напряжения (которую можно увидеть на экране осциллографа), сигналы делятся на аналоговые и цифровые Скорее всего, вы Уже знакомы с этими терминами, так как они довольно часто встречаются в докумен­тации различного электронного оборудования, например магнитофонов, телевизоров, телефонов и т.д.

В некотором смысле аналоговое оборудование представляет уходящую эпоху элек­тронной техники, а цифровое - новейшую, приходящую ей на смену. Однако следует помнить, что один тип сигналов не может быть лучше другого. Каждый из них имеет свои достоинства и недостатки, а также свои области применения. Хотя цифровые сигналы используются все более широко, они никогда не вытеснят аналоговых.

Параметры аналоговых сигналов

Аналоговые сигналы плавно и непрерывно изменяются во времени, поэтому их можно графически представить в виде плавной кривой (рис. 4.1).

В природе подавляющее большинство процессов принципиально аналоговые. На­пример, звук - это изменение давления воздуха, которое с помощью микрофона можно преобразовать в электрическое напряжение. Подавая это напряжение на вход осциллографа, можно увидеть график, аналогичный приведенному на рис. 4.1, т.е. можно проследить, как изменяется давление воздуха во времени.

Чтобы нагляднее представить себе аналоговую информацию, вспомните традиционный спидометр в автомобиле. Когда скорость автомобиля увеличивается, стрелка плавно прохо­дит по шкале от одного числа к другому. Еще один пример - настройка на станцию в ра­диоприемнике: при повороте ручки принимаемая частота плавно изменяется.

Большинство аналоговых сигналов имеют циклический, или периодический харак­тер, например радиоволны, представляющие собой колебания электромагнитного по­ля с высокой частотой. Такие циклические аналоговые сигналы принято характеризо­вать тремя параметрами.

Амплитуда. Максимальное или минимальное значение сигнала, т.е. высота волны.

Частота. Количество циклических изменений сигнала в секунду. Частота изме­ряется в герцах (Гц); 1 Гц - это один цикл в секунду.

Фаза. Положение волны относительно другой волны или относительно некото­рого момента времени, служащего началом отсчета. Фазу принято измерять в градусах, причем считается, что полный цикл равен 360 градусам.

Параметры цифровых сигналов

Другое название цифровых сигналов - дискретные Довольно часто встречается термин дискретные состояния Цифровые сигналы изменяются от одного дискретного состояния к другому почти мгновенно, не останавливаясь в промежуточных состояниях (рис. 4.2).

Примером цифрового сигнала могут служить показания новейшего цифрового спидометра в автомобиле (сравните с примером аналогового спидометра в предыду­щем разделе). Когда скорость автомобиля увеличивается, цифры, показывающие зна­чение скорости в километрах в час, переключаются скачками, причем величина сиг­нала принципиально дискретна: например, между дискретными состояниями "125 км/ч" и "126 км/ч" нет промежуточных значений. Другой пример цифровой ин­формации - новейший радиоприемник, в котором для настройки на определенную станцию пользователь вводит точное число, равное частоте радиостанции.

Сравнение аналоговых и цифровых сигналов

Компьютеры являются цифровыми машинами. Обрабатываемая ими информация представлена нулями и единицами. Двоичная цифра равна или 0, или 1, причем меж­ду ними или за их пределами нет ничего. Благодаря такой четкой определенности цифровые сигналы очень удобны для представления и передачи компьютерных дан­ных, поэтому они используются в подавляющем большинстве сетей.

Благодаря простоте технологии цифровые сигналы имеют ряд преимуществ:

Цифровое оборудование в общем случае дешевле аналогового.

Цифровые сигналы менее чувствительны к помехам.

Тем не менее и аналоговые сигналы имеют некоторые преимущества:

Их легко мультиплексировать, т.е. передавать большое количество сигналов по одному каналу.

Они меньше подвержены затуханию (ослаблению сигнала с увеличением рас­стояния), поэтому при той же мощности передающего устройства их можно пе­редавать на большее расстояние.

В общем случае полезными являются как аналоговые, так и цифровые сигналы. Однако в компьютерных сетях цифровые сигналы позволяют достичь большего уровня безопасности, пропускной способности и надежности. Кроме того, цифровые линии значительно меньше подвержены ошибкам, чем аналоговые.

Локальные сети практически всегда основаны на передаче цифровых сигналов по кабелю. Аналоговые сигналы используются в некоторых глобальных сетях.

Модулированные и немодулированные сигналы

Важной характеристикой метода передачи является пропускная способность кана­ла, непосредственно связанная с модулированием сигнала. Цифровой сигнал называ­ется немодулированнымесли переходы из одного дискретного состояния в другое представляют собой скачки напряжения в кабеле или другом носителе. В то же время в модулированном сигнале переход между дискретными состояниями - это изменение амплитуды так называемого несущего сигнала, представляющего собой высокочастот­ные колебания напряжения.

Немодулированный сигнал занимает весь канал связи. Кроме него, по каналу свя­зи нельзя передать больше ничего. Примером немодулированных сигналов являются сигналы в кабеле Ethernet.

Если используется модулирование, то по одному каналу можно передать несколько цифровых сигналов на разных несущих частотах. Кроме того, на разных несущих час­тотах можно передавать не только цифровые, но и аналоговые сигналы. Примером может служить система кабельного телевидения, в которой один кабель обслуживает десятки телевизионных каналов, по каждому из которых идут разные передачи.

Немодулированные сигналы

Немодулированные сигналы довольно просты: по кабелю в один момент времени передается только один сигнал. Немодулированным чаще всего является цифровой сигнал, хотя может быть и аналоговый.

В компьютерной и коммуникационной технике применяются главным образом немодулированные цифровые сигналы. Например, компьютер обменивается смоду­лированными цифровыми сигналами с мониторами, принтерами, клавиатурой и т.д. Примером применения модулированных цифровых сигналов является система ISDN (Integrated Services Digital Network), в которой многие сигналы передаются на разде­ленных каналах по одному кабелю. Немодулированные сигналы могут передаваться в двух направлениях, т.е. на каждом конце кабеля можно установить как передатчик, так и приемник, работающие одновременно.

Модулированные сигналы

С помощью модулированных сигналов можно организовать несколько каналов связи по одному кабелю, при этом каждый канал связи может работать на своей не­сущей частоте, не мешая другим каналам.

Модулированные сигналы являются однонаправленными. Это значит, что сигнал передается только в одном направлении: на одном конце кабеля установлен передатчик, а на другом - приемник. Однако на одном кабеле могут одновременно работать несколько каналов в разных направлениях.

Кроме кабельного телевидения, модулированные сигналы используются в системе DSL (Digital Subscriber Line), в которой данные и голос передаются одновременно по одной и той же линии, возможно через спутник или посредством радиоволн.

Для размещения на одной линии нескольких каналов связи используются методы мультиплексирования.

Мультиплексирование

Мультиплексированием называется одновременная передача многих сигналов по одной линии. На принимающей стороне мультиплексированные сигналы вос­станавливаются, т.е. отделяются друг от друга. Вернемся к примеру с кабельным телевидением. В телевизор встроено устройство декодирования сигналов, которое выделяет один канал и отбрасывает остальные. Благодаря этому зритель может выбрать желаемую программу.

Во многих литературных источниках о методах мультиплексирования говорит­ся только применительно к аналоговым сигналам, однако мультиплексировать можно и цифровые сигналы. Применяются следующие основные методы мульти­плексирования:

частотное разделение каналов (Frequency Division Method - FDM);

временное разделение каналов (Time Division Method - TDM);

по длине волны высокой плотности (Dense Wavelength Division Multiplexing - DWDM).

Частотное разделение каналов

При частотном разделении каналов, занимающих одну и ту же линию, каждый ка­нал работает на своей частоте (рис. 4.3). Обычно этим методом мультиплексируются аналоговые сигналы. Чтобы при частотном разделении каналов была возможна дву­сторонняя коммуникация, необходимо установить на каждой стороне как мультиплексор, так и демультиплексор.

Временное разделение каналов

Обычно этот метод используется для мультиплексирования цифровых сигна­лов. При временном разделении каждому каналу выделяются свои промежутки времени. На принимающем конце сигналы разных каналов отделяются демульти- плексором (рис. 4.4).

Мультиплексирование по длине волны высокой плотности

Этот метод мультиплексирования используется при передаче сигналов по волокон­но-оптическим кабелям. Сигналы каждого канала передаются световым лучом со сво­ей длиной волны. Физически этот метод совпадает с частотным разделением каналов, так как длина волны светового луча однозначно связана с его частотой. Однако отли­чия аппаратных реализаций этих методов настолько велики, что они все же рассмат­риваются как отдельные методы Как показано на рис. 4.5, по одному оптическому волокну могут одновременно передаваться различные данные, причем разными мето­дами (например, SONET и ATM).

Асинхронная и синхронная передача

Данные, заложенные в цифровом сигнале, фактически представлены изменениями дискретных состояний сигнала. Можно восстановить наши исходные нули и едини­цы, измеряя напряжение вольтметром в определенные моменты времени. Однако нужно точно знать, в какие именно моменты времени следует выполнять измерения. Синхронизация, т.е. согласование по времени, в коммуникационных технологиях не менее важна, чем во всех других областях нашей жизни.

В сетевых технологиях такое согласование по времени называется битовой синхро­низацией. Электронные устройства синхронизируют отдельные биты с помощью асин­хронного или синхронного методов.

Асинхронная передача

В этом методе для синхронизации используется стартовый бит, расположенный в начале каждого сообщения. Когда стартовый бит попадает в принимающее устройство, оно в этот момент синхронизирует свои внутренние часы с часами передающего устройства.

Синхронная передача

При синхронной передаче внутренние часы передающего и принимающего уст­ройств координируются встроенными механизмами. Например, информация о време­ни может быть встроена в сигналы данных. Такой метод называется синхронизацией с гарантированным изменением состояний. Среди синхронных методов это наиболее рас­пространенный.

Другой синхронный метод - синхронизация с помощью отдельного временного сигнала, в котором информация о времени передается между передатчиком и прием­ником по отдельному каналу. Еще один синхронный метод - стробирование. В этом случае синхронизация выполняется с помощью специальных строб-импульсов.

Симплексный, полудуплексный и дуплексный методы передачи

Каналы, по которым передаются сигналы данных, могут работать в одном из трех режимов: симплексном, полудуплексном и дуплексном. Отличаются эти методы направ­лениями, в которых передаются сигналы

Симплексная передача

Как видно из названия, это самый простой метод передачи. Иногда его называют однонаправленным, потому что сигналы проходят только в одном направлении, как ав­томобили по улице с односторонним движением (рис. 4.6).

Примером симплексной коммуникации может служить телевидение. Данные (телевизионные программы) передаются на телевизор. От телевизора обратно в сту­дию или в кабельную компанию никакие сигналы не передаются. Поэтому в состав телевизора входит только приемник сигналов, но не передатчик.

В настоящее время все большее распространение получают системы интерактив­ного телевидения, позволяющие передавать сигналы не только из студии к телевизо­ру, но и в обратном направлении. Однако кабельное оборудование большинства ком­паний по-прежнему поддерживает только симплексную передачу. Это создало серьез­ную проблему при появлении сети Internet. Существующая кабельная система оказалась способной передавать данные только в одном направлении, к пользователю.

Этот недостаток делает невозможным, например, доступ пользователя к Web-страницам, потому что броузер пользователя должен передать на Web-узел свой за­прос. Кабельные компании предлагают два способа решения этой проблемы:

передавать запросы пользователей (которые всегда намного короче, чем Web- страницы) по телефонным линиям, а Web-страницы - по телевизионным кабелям;

установить новое кабельное оборудование с двусторонней передачей.

Большинство компаний использовали первый способ как временную альтернативу второго, более совершенного. Если оставить кабельную систему передачи симплекс­ной, то пользователю придется нести расходы только на покупку кабельного и теле­фонного модемов (с пропускной способностью последнего не более 56 Кбит/с.) При этом ресурсы высокоскоростного кабельного канала будут использоваться полностью.

Многие кабельные компании сразу модернизируют свое оборудование для под­держки двусторонней коммуникации, в то время как другие все еще предоставляют только одностороннюю передачу данных Internet по телевизионному кабелю. В этих районах клиенты вынуждены использовать как кабельные, так и аналоговые модемы, подключенные к телефонной линии.

Полудуплексная передача

По сравнению с симплексной преимущества полудуплексной передачи очевидны: сигналы могут передаваться в обоих направлениях. Однако, к сожалению, эта дорога недостаточно широка, чтобы сигналы проходили в обоих направлениях одновременно. В полудуплексном методе в каждый момент времени сигналы передаются только в одном направлении (рис. 4.7).

Полудуплексный метод используется во многих системах радиосвязи, например, в уст­ройствах связи в полицейских автомобилях. В этих системах при нажатой кнопке микро­фона можно говорить, но услышать что-либо нельзя. Если пользователи нажмут кнопки микрофонов в обоих концах одновременно, то ни один из них ничего не услышит.

Дуплексная передача

Работа дуплексной системы коммуникации похожа на улицу с двусторонним дви­жением: автомобили могут двигаться в обоих направлениях одновременно (рис. 4.8).

Примером дуплексной коммуникации является обычный телефонный разговор. Оба абонента могут говорить одновременно, при этом каждый из них слышит, что го­ворит другой на другом конце линии (правда, при этом не всегда можно разобрать, что было сказано).

Проблемы, возникающие при передаче сигналов

Сигналы, с помощью которых сообщаются компьютеры, подвержены различным помехам и ограничениям. Разные типы кабелей и методы передачи обладают разной чувствительностью к помехам.

Электромагнитные помехи

Электромагнитные помехи представляют собой вторжение постороннего электро­магнитного сигнала, нарушающего форму полезного сигнала. Когда в полезный сиг­нал добавляются внешние помехи, принимающий компьютер не может правильно интерпретировать сигнал.

Представьте себе, что вы проезжаете в автомобиле рядом с мощной промышлен­ной установкой и слушаете в это время радио. Чистый и разборчивый сигнал вдруг покрывается шумом и треском. Это происходит потому, что к сигналу радиостанции Добавляются сильные сигналы, создаваемые установкой, которая расположена ближе, чем радиостанция. Поэтому электромагнитные помехи иногда называют шумами

Довольно часто помехи поступают из неизвестного источника. Существует множество Устройств, в которых электрические сигналы не выполняют информационные функции, а являются побочным продуктом различных производственных процессов. Создаваемые ими помехи могут распространяться на расстояние вплоть до нескольких километров.

Электромагнитные помехи порождают проблемы не только в компьютерных коммуни­кационных технологиях. В городах есть много устройств, передающих и принимающих электромагнитные сигналы: мобильные телефоны, средства радиосвязи, телевизионные передатчики и приемники. Электромагнитные помехи могут стать причиной многих не­приятностей, таких как плохое телевизионное изображение, крушение самолета вследствие нарушения связи с диспетчером, смерть пациента из-за нарушения работы медицинского оборудования и т.д. Существуют также долговременные побочные эффекты электромаг­нитного излучения, например рак или лейкемия могут быть вызваны длительным пребы­ванием человека рядом с мощным источником электромагнитных полей.

В коммуникационных технологиях особенно чувствительны к электромагнитным помехам неэкранированные медные провода. Металлическая внешняя оболочка коак­сиальных кабелей в значительной степени защищает их от помех. Эту же функцию выполняет металлическая оболочка экранированной витой пары. Неэкранированная витая пара довольно сильно подвержена помехам. Совершенно нечувствительны к электромагнитным помехам волоконно-оптические кабели, потому что в них сигна­лами служат не электрические импульсы, а луч света. Поэтому в условиях сильных электромагнитных помех лучше всего работают волоконно-оптические каналы связи.

Радиочастотные помехи

Радиочастотные помехи представляют собой сигналы радиопередатчиков и других устройств, генерирующих сигналы на радиочастотах. К ним относятся также процес­соры и дисплеи компьютеров. Радиочастотным считается электромагнитное излучение на частотах от 10 КГц до 100 ГГц. Излучение на частотах от 2 до 10 ГГц называется также микроволновым.

Влияние радиочастотных помех устраняется с помощью помехозащитных фильт­ров, применяемых в различных типах сетей.

Перекрестные помехи

К этому типу помех относятся сигналы проводов, расположенных на расстоянии нескольких миллиметров друг от друга. Протекающий по проводу электрический ток создает электромагнитное поле, которое генерирует сигналы в другом проводе, распо­ложенном рядом. Довольно часто, разговаривая по телефону, можно услышать при­глушенные разговоры других людей. Причиной этого являются перекрестные помехи.

Перекрестные помехи значительно уменьшаются, если скрутить два провода, как это сделано в витой паре. Чем больше витков приходится на единицу длины, тем меньше влияние помех. Применение волоконно-оптического кабеля полностью уст­раняет эту проблему. Внутри одной оболочки можно расположить сколько угодно оп­тических волокон, и они не будут мешать друг другу, потому что сигналами в них служат не электрические импульсы, а световые лучи.

Затухание сигналов

Проходя по кабелю, электрические сигналы становятся все слабее. Чем больше расстояние до источника, тем слабее сигнал. Это нетрудно представить себе, вообра­зив, будто вы пытаетесь что-то сказать человеку, находящемуся на некотором рас­стоянии от вас. Если до него 5 метров, то он услышит ваш голос (сигнал) четко и громко, однако если до него 50 метров, то он с трудом поймет, о чем вы ему кричите. Такое ослабление сигнала с расстоянием называется затуханием сигнала

Затухание является причиной того, что в спецификациях различных сетевых архи­тектур указывается ограничение на длину кабеля. Если это ограничение соблюдается, то эффект затухания не повлияет на нормальную работу канала связи.

При увеличении частоты затухание увеличивается, потому что, чем выше частота сигнала, тем интенсивнее рассеивание его электромагнитной энергии в окружающее пространство. При увеличении частоты сам провод превращается из носителя сигнала в антенну, рассеивающую его энергию в пространство.

Сигналы в волоконно-оптическом кабеле тоже подвержены затуханию. Две глав­ные причины - поглощение светового луча примесями в стекле и рассеивание луча вследствие небольших изменений оптической плотности стекла, образовавшихся при его производстве. Однако волоконно-оптические кабели могут передавать сигнал на значительно большее расстояние, чем медные кабели, причем без уменьшения его мощности до недопустимого уровня.

Пропускная способность

Пропускная способность канала коммуникации обычно измеряется в мегабитах в секунду (Мбит/с). На пропускную способность влияет тир сигнала, тип среды и рас­стояние, на которое передается сигнал.

Понятия высокой и низкой пропускной способности весьма относительны. Например, пропускная способность Ethernet lOBaseT, равная 10 Мбит/с, кажется очень высокой по сравнению с пропускной способностью телефонного модема (50 Кбит/с), в то же время она кажется удручающе низкой по сравнению Gigabit Ethernet (1 Гбит/с) или с высокоско­ростными соединениями глобальных сетей, такими как SONET и ATM.

Важным критерием при выборе типа кабеля и архитектуры сети является требую­щаяся (как сейчас, так и в будущем) пропускная способность.

Планирование роста сети

На этапе планирования сети необходимо помнить, что пропускная способность - это такой ресурс, которого всегда оказывается недостаточно. Покупка оборудования с бо­лее высокой пропускной способностью, чем необходимо сейчас, является хорошим вложением капитала: дополнительные затраты обязательно окупятся.

Компьютерные и коммуникационные технологии развиваются быстрыми темпами. В 1980-х годах типичные каналы глобальных сетей имели пропускную способность 10 Кбит/с, а локальных - 2,5 Мбит/с. Тогда никто даже не предполагал, что когда- нибудь понадобится передавать что-нибудь со скоростью, большей 100 Мбит/с Ведь еще не существовали такие технологии, как видеоконференции, передача голоса, или передача больших файлов, которые сейчас широко распространены

Проложить кабель с увеличенной пропускной способностью значительно легче и дешевле, чем потом заменять кабель новым Допустим, вы устанавливаете сеть 10BaseT, для кото- Рои достаточно кабеля категории 3 с пропускной способностью 10 Мбит/с. Купив кабель ка­тегории 3, а не категории 5, вы сэкономите несколько долларов. Однако через несколько лет, когда понадобится модернизировать сеть до 100 Мбит/с (а это случится почти навер­няка), вам придется заменять все кабели. Это обойдется значительно дороже, чем если бы вы сразу купили и установили кабель категории 5.

Методы доступа к сети

Существует несколько раз­личных методов доступа, соответствующих разным архитектурам и топологиям сети. Наибольшее распространение получили следующие методы:

передача маркера (эстафетный доступ);

приоритеты запросов.

Метод CSMA/CD

В настоящее время самый распространенный метод управления доступом в ло­кальную сеть - это CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection - множественный доступ с контролем носителя и обнаружением конфликтов). Распространенность метода CSMA/CD в значительной степени обусловлена тем, что он используется в наиболее распростра­ненной в настоящее время архитектуре Ethernet.

Это весьма быстродействующий и эффективный метод предоставления доступа к кабелю Ethernet. Чтобы понять, как он работает, рассмотрим отдельно фрагмен­ты его названия.

Контроль носителя. Когда компьютер собирается передать данные в сеть мето­дом CSMA/CD, он должен сначала проверить, передает ли в это время по это­му же кабелю свои данные другой компьютер. Другими словами, проверить со­стояние носителя: занят ли он передачей других данных.

Множественный доступ. Это означает, что несколько компьютеров могут начать передачу данных в сеть одновременно.

Обнаружение конфликтов. Это главная задача метода CSMA/CD. Когда компью­тер готов передавать, он проверяет состояние носителя. Если кабель занят, компьютер не посылает сигналы. Если же компьютер не слышит в кабеле чу­жих сигналов, он начинает передавать. Однако может случиться, что кабель прослушивают два компьютера и, не обнаружив сигналов, начинают передавать оба одновременно. Такое явление называется конфликтом сигналов.

Когда в сетевом кабеле сигналы конфликтуют, пакеты данных разрушаются. Однако еше не все потеряно. В методе CSMA/CD компьютеры ждут на протяжении случайного п- риода временш посылают эти же сигналы повторно. Почему промежуток времени должен быть случайным? Если оба компьютера будут ждать некоторое фиксированное количество миллисекунд, то их времена ожидания могут совпасть и все повторится сначала. Компью­тер, который первым повторяет передачу пакета (у которого случайный период времени оказался меньшим), как бы "выигрывает" доступ к сети в рулетку.

Вероятность конфликтов невелика, так как они происходят, только если совпадают на­чала пакетов, т.е. весьма короткие отрезки времени. Поскольку сигналы передаются с вы­сокой скоростью (в Ethernet - 10 или 100 Мбит/с), производительность остается высокой.

Реализация метода CSMA/CD определяется спецификациями IEEE 802.3.

Метод CSMA/CA

Название метода расшифровывается как Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (множественный доступ с контролем носителя и предотвращением конфликтов).

CSMA/CA - более "недоверчивый" метод. Если компьютер не находит в кабе­ле других сигналов, он не делает вывод, что путь свободен и можно отправлять свои дра­гоценные данные. Вместо этого компьютер сначала посылает сигнал запроса на переда­чу - RTS (Request to Send). Этим он объявляет другим компьютерам, что намерен начать передачу данных. Если другой компьютер сделает то же самое в тот же момент времени, то произойдет конфликт сигналов, а не пакетов данных. Таким образом, пакеты данных никогда не смогут конфликтовать. Это называется предотвращением конфликтов.

На первый взгляд, метод с предотвращением конфликтов значительно совершеннее, чем с обнаружением. Однако его производительность ниже из-за того, что дополнительно к данным приходится посылать сигналы KTS, подавляющее большинство которых не нужны. Фактически количество поступающих на кабель сигналов почти удваивается.

Метод CSMA/CA используется в сетях AppleTalk.

Передача маркера

Существует ли метод доступа, работающий вообще без конфликтов сигналов? Та­кой метод существует: это метод с передачей маркера.

Метод с передачей маркера неконкурентный В нем два компьютера не могут начать пе­редавать сигнал одновременно. Работа метода похожа на семинар, участник которого не может начать говорить, пока ему не предоставлено слово. Аналогично этому, компьютер в сети с передачей маркера не передает сигнал, пока маркер не перейдет к нему.