Дискретизация непрерывных сообщений. Дискретизация непрерывных сообщений
 Скачать 30.11 Kb.
|
|
МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное образовательное учреждение Высшего образования «Челябинский государственный университет» (ФГБОУ ВО «ЧелГУ») Факультет экологии Кафедра геоэкологии и природопользования Доклад На тему «Дискретизация непрерывных сообщений» Выполнили: Горшкова Татьяна Петрунина Диана ЭВБ-101 Проверила: Русланова М. Содержание Введение…………………………………………………………………………...3 1. Дискретные сообщения………………………………………………………...4 1.1. Знаки, наборы знаков, алфавиты……………………………………...4 1.2. Коды и кодирования…………………………………………………...4 1.3 Квантование (обработка сигналов) …………………………………...6 2. Аналоговый и цифровой сигнал……………………………………………….7 2.1.Аналоговый сигнал………………………………………………….…7 2.2. Цифровой сигнал………………………………………………………8 Заключение………………………………………………………………………...9 Список литературы………………………………………………………………10 Введение Чтобы сообщение было передано от источника к получателю, необходима некоторая материальная субстанция – носитель информации. Сообщение, передаваемое с помощью носителя, назовем сигналом. В общем случае сигнал –это изменяющийся во времени физический процесс. Такой процесс может содержать различные характеристики (например, при передаче электрических сигналов могут изменяться напряжение и сила тока). Та из характеристик, которая используется для представления сообщений, называется параметром сигнала. В случае, когда параметр сигнала принимает последовательное во времени конечное число значений (при этом все они могут быть пронумерованы), сигнал называется дискретным, а сообщение, передаваемое с помощью таких сигналов –дискретным сообщением. Информация, передаваемая источником, в этом случае также называется дискретной. Если же источник вырабатывает непрерывное сообщение (соответственно параметр сигнала – непрерывная функция от времени), соответствующая информация называется непрерывной. Пример дискретного сообщения – процесс чтения книги, информация в которой представлена текстом, т.е. дискретной последовательностью отдельных значков (букв). Примером непрерывного сообщения служит человеческая речь, передаваемая модулированной звуковой волной; параметром сигнала в этом случае является давление, создаваемое этой волной в точке нахождения приемника – человеческого уха. Дискретные сообщения Сигнал называется дискретным, если параметр сигнала может принимать лишь конечное число значений, и существен лишь в конечном числе моментов времени (возможно, периодически повторяющихся). Дискретными сообщениями называются такие сообщения, которые могут быть переданы с помощью дискретных сигналов. Знаки, наборы знаков, алфавиты Языковые сообщения в письменной форме строят обычно, записывая знаки письма (графемы) друг за другом. Хотя длинные сообщения могут размещаться на многих строчках и страницах, это разбиение не имеет, вообще говоря, никакого значения; оно не несёт важной информации. По существу, такие сообщения являются последовательностями знаков. Это оказывается справедливым и для устных языковых сообщений, если разложить устный текст на элементарные составные части, так называемые фонемы, и под знаками понимать фонемы. Точка зрения, что сообщение есть последовательность знаков, не ограничивается, разумеется, тем случаем, когда знаки - это фонемы или графемы (например, знаки букв и цифр, знаки препинания). Знаки планет или знаки зодиака и даже кивок и покачивание головой также могут пониматься как знаки. Поэтому мы определим понятие знака существенно шире. Знак - это элемент некоторого конечного множества отличимых друг от друга „вещей", набора знаков. Набор знаков, в котором определён (линейный) порядок знаков, называется алфавитом. Коды и кодирования Если N - предложение некоторого естественного языка, то N можно рассматривать как последовательность знаков, по крайней мере, тремя разными способами. Прежде всего, N представляет собой последовательность букв, цифр, знаков препинания и т. д.; далее, N — это последовательность слов, которые в другом контексте могут сами рассматриваться как знаки; наконец, и всё предложение целиком можно рассматривать как один знак. Первое понимание используется, например, когда имеется правило для кодирования сообщения N в текстовом файле; второе понимание лежит в основе стенографических сокращений; крайнее третье понимание бывает уместным при переводе на другой естественный язык, когда пословица одного языка переводится соответствующей по смыслу пословицей другого языка. Дискретные сообщения представляют собой (конечные или бесконечные) последовательности знаков. При этом, исходя из соображений, связанных с физиологией органов чувств, или из чисто технических соображений, их обычно разбивают на конечные последовательности знаков, называемые словами. На более высоком уровне каждое слово можно снова рассматривать как знак, при этом соответствующий набор знаков будет, вообще говоря, шире первоначального. Обратно, данный набор знаков можно получить с помощью составления слов, исходя из некоторого набора с меньшим числом знаков, в частности из двоичного набора знаков. Некоторые из перечисленных выше наборов получены с помощью словообразования „над" конкретными двоичными наборами знаков или, абстрактно, над набором {1, 0}. Слова над двоичным набором знаков называются двоичными словами. Они не обязаны иметь постоянную длину (см. азбуку Морзе), если это всё же так, то говорят об n-разрядных двоичных знаках и n-разрядных двоичных кодах. Дадим теперь точное определение: Кодом называется правило, описывающее отображение одного набора знаков в другой набор знаков (или слов); также называют и множество образов при этом отображении. Помимо основного значения слова „code" - «кодекс», «свод законов» (гражданский кодекс, кодекс Наполеона) - начиная с середины 19-го в. оно означало книгу, в которой словам естественного языка сопоставлены группы цифр или букв. Употребление таких кодов приобрело значение скорее в связи со стремлением сэкономить на стоимости телеграмм, чем в связи с соображениями конспиративности (АВС-код В. Клаузен-Туэ, 1874). Если каждый образ при кодировании является отдельным знаком, то такое отображение мы называем шифровкой, а образы - шифрами (англ. cipher). Поскольку здесь имеется криптографический аспект, обращение этого отображения — когда оно однозначно — называется декодированием или дешифровкой. Использование кодов для шифрования сообщений означает замену некоторых или всех слов и фраз кодовыми словами, полученными из специальной книги, напоминающей словарь; на самом деле слово код относится только к такой криптосистеме, хотя термины секретный код и взлом кода используются во всех разновидностях тайнописи. Иначе говоря, код должен имеет возможность установить семантическое содержание любого сообщения, которое можно передать по каналу, и как отправитель, так и получатель должны иметь кодовую книгу. При условии, что кодовая книга надежно защищена, такое сообщение чрезвычайно трудно (если вообще возможно) взломать. Однако передача сообщения невозможна, если фраза не включена в кодовую книгу. Напротив, при использовании шифра возможна передача произвольных сообщений, потому что шифр – это алгоритм, присваивающий новые символы шифрованного текста символам или группам символов открытого текста. В коммерческих и криптографических кодах слова, фразы и понятия естественных языков кодируются в большинстве случаев словами над некоторым буквенным или цифровым алфавитом, обычно пятерками. В технических кодах буквы, цифры и другие знаки почти всегда кодируются двоичными словами. 1.3 Квантование (обработка сигналов) Квантование (англ. quantization) — в обработке сигналов — разбиение диапазона отсчётных значений сигнала на конечное число уровней и округление этих значений до одного из двух ближайших к ним уровней. При этом значение сигнала может округляться либо до ближайшего уровня, либо до меньшего или большего из ближайших уровней в зависимости от способа кодирования. Такое квантование называется скалярным. Существует также векторное квантование — разбиение пространства возможных значений векторной величины на конечное число областей и замена этих значений идентификатором одной из этих областей. Не следует путать квантование с дискретизацией (и, соответственно, шаг квантования с частотой дискретизации). При дискретизации изменяющаяся во времени величина (сигнал) замеряется с заданной частотой (частотой дискретизации), таким образом, дискретизация разбивает сигнал по временной составляющей (на графике — по горизонтали). Квантование же приводит сигнал к заданным значениям, то есть округляет сигнал до ближайших к нему уровней (на графике — по вертикали). В АЦП округление может производиться до ближайшего меньшего уровня. Сигнал, к которому применены дискретизация и квантование, называется цифровым. Квантование часто используется при обработке сигналов, в том числе при сжатии звука и изображений. При оцифровке сигнала количество битов, кодирующих один уровень квантования, называют глубиной квантования или разрядностью. Чем больше глубина квантования и чем больше частота дискретизации, тем точнее цифровой сигнал соответствует аналоговому. В случае равномерного квантования глубина квантования определяет динамический диапазон, измеряемый в децибелах (1 бит на 6 дБ) 2. Аналоговый и цифровой сигнал Аналоговый и цифровой сигнал обрабатывается и направлен на то, чтобы передать и получить информацию, закодированную в сигнале. После извлечения информации ее можно применять в разных целях. В частных случаях информация подвергается форматированию. Аналоговые сигналы подвергаются усилению, фильтрации, модуляции и демодуляции. Цифровые же помимо этого еще могут подвергаться сжатию, обнаружению и др. 2.1.Аналоговый сигнал Наши органы чувств воспринимают всю поступающую в них информацию в аналоговом виде. К примеру, если мы видим проезжающий мимо автомобиль, мы видим его движение непрерывно. Если бы наш мозг мог получать информацию о его положении раз в 10 секунд, люди бы постоянно попадали под колеса. Но мы можем оценивать расстояние куда быстрее и это расстояние в каждый момент времени четко определено. Абсолютно то же самое происходит и с другой информацией, мы можем оценивать громкость в любой момент, чувствовать какое давление наши пальцы оказывают на предметы и т.п. Иными словами, практически вся информация, которая может возникать в природе имеет аналоговый вид. Передавать подобную информацию проще всего аналоговыми сигналами, которые являются непрерывными и определены в любой момент времени. Чтобы понять, как выглядит аналоговый электрический сигнал, можно представить себе график, на котором будет отображена амплитуда по вертикальной оси и время по горизонтальной оси. Если мы, к примеру, замеряем изменение температуры, то на графике появится непрерывная линия, отображающая ее значение в каждый момент времени. Чтобы передать такой сигнал с помощью электрического тока, нам надо сопоставить значение температуры со значением напряжения. Аналоговые сигналы раньше использовались во всех видах связи. Чтобы избежать помех такой сигнал нужно усиливать. Чем выше уровень шума, то есть помех, тем сильнее надо усиливать сигнал, чтобы его можно было принять без искажения. Такой метод обработки сигнала затрачивает много энергии на выделение тепла. При этом усиленный сигнал может сам стать причиной помех для других каналов связи Сейчас аналоговые сигналы еще применяются в телевидении и радио, для преобразования входного сигнала в микрофонах. Но, в целом, этот тип сигнала повсеместно вытеснен или вытесняется цифровыми сигналами. 2.2. Цифровой сигнал Цифровой сигнал представлен последовательностью цифровых значений. Чаще всего сейчас применяются двоичные цифровые сигналы, так как они используются в двоичной электронике и легче кодируются. В отличие от предыдущего типа сигнала цифровой сигнал имеет два значения «1» и «0». Если мы вспомним наш пример с измерением температуры, то тут сигнал будет сформирован иначе. Если напряжение, которое подается аналоговым сигналом соответствует значению измеряемой температуры, то в цифровом сигнале для каждого значения температуры будет подаваться определенное количество импульсов напряжения. Сам импульс напряжения тут будет равен «1», а отсутствие напряжения – «0». Приемная аппаратура будет декодировать импульсы и восстановит исходные данные. Представив, как будет выглядеть цифровой сигнал на графике, мы увидим, что переход от нулевого значения к максимальному производится резко. Именно эта особенность позволяет принимающей аппаратуре более четко «видеть» сигнал. Если возникают какие-либо помехи, приемнику проще декодировать сигнал, нежели чем при аналоговой передаче. Однако цифровой сигнал с очень большим уровнем шума восстановить невозможно, тогда как из аналогового типа при большом искажении еще есть возможность «выудить» информацию. Это связано с эффектом обрыва. Суть эффекта в том, что цифровые сигналы могут передаваться на определенные расстояния, а затем просто обрываются. Этот эффект возникает повсеместно и решается простой регенерацией сигнала. Там, где сигнал обрывается, нужно вставить повторитель или уменьшить длину линии связи. Повторитель не усиливает сигнал, а распознает его изначальный вид и выдает его точную копию и может использоваться сколь угодно в цепи. Такие способы повторения сигнала активно применяются в сетевых технологиях. Помимо всего прочего аналоговый и цифровой сигнал различается и возможность кодирования и шифрования информации. Это является одной из причин перехода мобильной связи на «цифру». Заключение Все сигналы в природе по сути аналоговые. Для цифровой обработки сигнала, хранения его и передачи в цифровом виде аналоговые сигналы предварительно оцифровываются. Оцифровка включает дискретизацию и квантование по уровню, производимую с помощью АЦП. После цифровой обработки, передачи, хранения цифровых данных, кодирующих сигнал, часто необходимо обратное преобразование цифрового образа сигнала в аналоговый сигнал. Например, звуковоспроизведение аудиозаписей с компакт-диска. Также дискретизация применяется в системах аналоговой импульсной модуляции. Практически восстановление аналогового сигнала по совокупности выборок производится с той или иной степенью точности, причём точность восстановления тем выше, чем выше частота дискретизации и число уровней квантования каждой выборки. Но чем больше частота дискретизации и число уровней квантования, тем больше требуется ресурсов для обработки, хранения, передачи оцифрованных данных. Поэтому частоту дискретизации и разрядность АЦП практически выбирают исходя из разумного компромисса. Например, при цифровой передаче голоса для хорошей разборчивости речи достаточна частота дискретизации 8 кГц, высококачественное воспроизведение музыкальных произведений с компакт-дисков в современном стандарте производится с частотой дискретизации 48 кГц, что обеспечивает высококачественное воспроизведение звука во всей полосе слышимых частот 20 Гц — 20 кГц. Оцифровка телевизионного видеосигнала с полосой частот 6 МГц производится с частотой дискретизации свыше 10 МГц Список литературы Непрерывная и дискретная информация [https://studfile.net/preview/5185591/page:5/]// StudFile [https://studfile.net/] Аналоговый и цифровой сигнал. Типы сигналов и как это действует [https://electrosam.ru/glavnaja/jelektrotehnika/raschjoty/analogovyi-i-tsifrovoi-signal/]//Электросам.ру [https://electrosam.ru/] Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Высшая школа, 1985. Зюко А.Г., Кловский Д.Д., Назаров М.В., Финк Л.М. Теория передачи сигналов. М.: Радио и связь, 1980, 288 с. Макс Ж. Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях: в 2-х томах, Пер. с франц. - М.: Мир, 1983 - Т.1. 312 с. Челябинск 2019 |