В прошлый раз мы рассмотрели аналого-цифровое преобразование (АЦП). Благодаря работам ученых выяснилось, что непрерывный сигнал можно заменить серией его значений и все это при определенных условиях не ведет к потери качества. Конечно же, из-за квантования (округления) сигнала до дискретных значений, сие утверждение можно подвергнуть сомнению.
Шкала дискретных чисел такова, что так или иначе, для перевода сигнала в цифру приходится округлять. В результате, мы получаем шум квантования. Его интенсивность зависит от разрядности АЦП.
Все началось с телефона
Когда среди инженеров встал вопрос по каким стандартам предстоит оцифровать этот мир, в первую очередь внимание было обращено на, так называемый, стандартный телефонный канал (СТК). В-общем, существовавшая на тот момент мировая телефонная сеть, сама поставила многие условия.
Телефонные аппараты подключаются к сети при помощи обычной медной пары проводов.
Для уплотнения многих телефонных каналов (лапши) в один кабель, применяется (много где до сих пор) частотное уплотнение. Полезная энергетика речевого сигнала в одной боковой полосе умножением на гармонический сигнал отправляется на высокую частоту.
Речь с каждого телефонного аппарата оказывается в своем выделенном диапазоне. Исходя из соображений допустимого качества речи и желания уплотнить как можно больше каналов в кабеле была обозначена полоса в 4 кГц для каждого разговора. Для таких ограничений голосовой сигнал подвергался нещадной фильтрации, где гасились все гармонические составляющие выше 3,4 кГц. Это непременно нужно попробовать на себе)
Исходный звук...
А это звук после фильтра, где подавлены "верхи".
Сейчас как будто прозвучала фраза "Дождитесь ответа оператора" и повисла долгая музыкальная пауза.
Поскольку ко времени цифровизации так сложилось и менять фильтры никому не хотелось, то стандартный телефонный канал принимается ограниченным сверху по частоте 4000 Гц. Исходя из теоремы Котельникова, частота взятия отсчетов аналогового сигнала составила 8000 в секунду. Далее, уровень шумов квантования в -48 дБ посчитали вполне себе допустимым, поэтому на один отсчет в двоичном коде выделено 8 бит. Исходя из всех соображений,
оцифрованный стандартный телефонный канал это 8000 отсчетов в секунду * 8 бит на отсчет = 64 кбит/с.
Далеко еще не везде, но коммутационные станции заработали с оцифрованным речевым сигналом, где носителями информации являются не боковые полосы сигнала с амплитудной модуляцией, а числа. Цифровые вычислители очень охотно работают байтами информации, что позволяет избавиться от сложного оборудования частотного переуплотнения.
Так что же мы потеряли?
Многие слышали о преимуществах цифровых технологий. Когда-то еще были споры между между фотографами с пленочными и цифровыми фотоаппаратами, но со временем и там пришли общему мнению. Пристрастия к аналоговым форматам есть, и объясняется это "вам не понять".
Есть то, что показывает цифровые технологии в не очень выгодном свете. Передача цифрового сигнала через какую-то среду это изменение параметра (или параметров) этой среды. В медном кабеле меняется уровень напряжения, только теперь сигнал дискретный и на приемном конце приравнивается к логическому нулю или единице.
А не посмотреть ли нам спектр сигнала прямоугольной формы? Для чистоты эксперимента берут цепочку постоянно меняющихся бит, уровни напряжения от последовательности 01010101... называют меандром.
Так вот где кроется дьявол... Наибольшая энергетика в спектре такого сигнала расположена до частоты 1/T, где T - период сигнала. В случае оцифрованного СТК (64 кбит/с) это составит 64 кГц. Если сравнить это с 4 кГц в аналоговом виде, то может стать дурно. Качество одно и то же, но занимаемая полоса в 16 раз больше даже только по лепестку спектра с максимальной энергетикой. После такого поворота остро необходимо найти плюсы и мы этим займемся в будущем.
Потоки данных при оцифровке сигналов
Каковы объемы данных, генерируемые АЦП? В каких условиях работают цифровые вычислительные средства? В случае с телефонией мы подсчитали - 64 кбит/с на один телефонный канал.
Возьмем изображение с цифрового фотоаппарата в разрешении 4К. Это массив пикселей 4096*3072 = 12 582 912 штук. Фотографическое качество предусматривает 8 бит на каждую из трех (R,G,B) цветовых составляющих пикселя. По совокупности, в таком сыром виде (RAW-формат) изображение имеет объем 37 мегабайт. Вроде бы не так много. Фоторедакторы успевают произвести огромное количество операций с таким объемом данных только благодаря высокой производительности процессора и видеокарты.
А теперь подсчитаем количество данных, производимых видеокамерой в формате 4К.
Профессиональная камера в таком разрешении выдает 60 кадров в секунду и если умножить на объем одного кадра, то получим более 2 гигабайт в секунду! Чтобы передавать такой объем по существующим линиям связи применяются алгоритмы сжатия информации, а это очень напряженная работа различных аппаратных ускорителей. Как бы не был крут последний процессор Intel, не он занимается обработкой видео. Такое ему не под силу. Чуть позже мы рассмотрим технологии разработки аппаратных ускорителей вычислений. В наше время одними программами не отделаться.
И чтобы окончательно нас потрясти, очень просятся на обзор фазированные антенные решетки (ФАР).
ФАР современного истребителя состоит из волноводов, проводящих к вычислительной системе навскидку несколько сотен - тысячу копий отраженного радиосигнала. Подробнее об антенных решетках можно почитать у меня тут. Если предположить, что каждый волновод оканчивается преобразователем частоты и аналого-цифровым преобразователем, то при частоте взятия отсчетов 100 млн в секунду, 16 битах на отсчет (низкий уровень шумов квантования) и 1000 волноводов получим 1,6 триллионов бит в секунду. Зная возможности вычислителей... сомнительно что цифра там имеет какое-то преимущество.
Поддержите статью лайком если понравилось и подпишитесь чтобы ничего не пропускать.
