НЕКОТОРЫЕ ИСТОРИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ЦИФРОВИЗАЦИИ
Термин «цифровизация» произошел от слова «цифра». Представляет интерес происхождение этого слова с исторической точки зрения. Прежде чем появился термин «цифра», в каменном веке люди начали определять число предметов. Мысль о счете пришла людям в голову раньше, чем появились цифры. Первыми придумали запись чисел древние шумеры. Для обозначения числа они пользовались всего двумя цифрами, которые имели соответствующее обозначение. Такая цифровая система в настоящее время называется двоичной.
Слово «цифра» досталась нам от арабов по наследству. Арабы нуль или «пусто» называли «сифра». С тех пор и появилось слово «цифра». Правда сейчас цифрами называются все десять значков для записи чисел, которыми мы пользуемся: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9. Цифры русского народа имели свою особенность. Наши предки пользовались алфавитной нумерацией, то есть числа изображались буквами, над которыми ставился значок , называемый «титло». Чтобы отделить такие буквы – числа от текста, спереди и сзади ставились точки. Этот способ обозначения цифр называется цифирью. Он был заимствован славянами от средневековых грековвизантийцев.
Ряд чисел 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9… называется натуральным. А сами эти числа натуральными. С появлением натурального ряда был сделан первый шаг к созданию математики. Сейчас все понимают, что натуральный ряд чисел бесконечен. В древности люди этого не знали. Сначала они умели считать до трех, потом до десяти, до сорока, до ста, а дальше была «тьма». Натуральный ряд был очень коротким. Расширить его удалось великому механику и математику древности Архимеду.
С развитием математики появились различные системы счисления. Первые математики считали по пальцам одной руки – до пяти. А если предметов было больше, то говорили «пять и один», «пять и два»… Так возникла пятеричная система счисления. Потом пальцев руки стало недостаточно и появилось десятеричная система счисления. Но и этого оказалось мало. Тогда придумали шестидесятеричную систему. Стали считать тройками, по числу суставов на каждом пальце левой руки без большого пальца, то есть до двенадцати. Каждый палец левой руки означал 12. Если один палец это 12, то пять пальцев – это 60.
Шестидесятеричную систему изобрели древние вавилоняне. В наследство от них нам осталось деление суток на 24 или 12 двойных часов, деление часа на 60 минут, а минут на секунды и деление круга на 360 градусов.
Однако самой удобной оказалась десятеричная система, которая широко используется в наше время. Цифры, которыми мы записываем числа, называются арабскими. Их всего десять. Изобретены эти цифры были в Индии, но получили название арабских, потому что в Европу пришли из арабских стран. Многие годы форма цифр совершенствовалась и теперь принята во всем мире. Так постепенно зарождалась математика. Человек незаметно очутился в мире чисел, записываемых с помощью цифр.
Первые шаги цифровой передачи сигналов связаны с развитием электрического телеграфа. В начале XIX века трудами и исследованиями Г.Х. Эрстеда, Ампера, Гаусса, Вебера и других ученых была создана теоретическая и практическая база для создания электрической телеграфной связи.
Основным стимулом для создания и широкого внедрения телеграфной связи явилось развитие железных дорог, начиная с 1830 г. Даже на заре своего существования железнодорожные поезда могли перемещаться со скоростью до 80 км/час, и поэтому потребовалась система связи, обеспечивающая передачу информации со скоростью, соизмеримой со скоростью движения поездов.
В 1832 г. русским ученым П. Л. Шиллингом был создан первый телеграфный аппарат, пригодный для эксплуатации. Усилиями английских исследователей Уитстона и Кука телеграфный аппарат Шиллинга был внедрен в практическую эксплуатацию в 1837 г. на магистрали Лондон – Бирмингем.
После этого телеграфные системы начали быстро внедряться и к 1870 г. они существовали во всем мире. Основным барьером для прогресса телеграфной связи явилось то обстоятельство, что для каждой пары телеграфных аппаратов (на передаче и приеме) требовалась отдельная линия связи.
Следующим этапом развития цифровой передачи в виде телеграфных сигналов явилось многократное использование одной линии связи для передачи нескольких сообщений, что существенно повышало эффективность использования линейных сооружений. Первая работоспособная многоканальная система передачи, основанная на временном объединении телеграфных сигналов, была создана молодым инженером французской телеграфной службы Ш. Бодо в 1875 г. При ее разработке были успешно решены несколько технических проблем, важнейшими из которых являются – синхронизация передающей и приемной частей системы передачи, а также внедрение в практику равномерного 5-ти разрядного телеграфного кода. В знак заслуг Бодо в области передачи цифровых сигналов его именем названа единица телеграфирования: Бод – количество телеграфных символов, передаваемых за 1 с [1].
Но патент на электромагнитный телеграф механического типа достался Сэмюэлю Морзе (1840 г.). Позже изобретатель создал известный во всем мире сигнальный код – азбуку Морзе. В его аппарате буква передавалась с помощью ключа, к которому была подключена линия связи и батарея. При нажатии ключа в линию поступает ток, который, проходя через электромагнит на другом конце линии, притягивает рычаг. С его помощью на перемещаемой бумажной ленте отпечатывается знак – тире или точка.
Знаки точка и тире свидетельствуют о применении в аппарате Морзе двоичной системы счисления. Конечно, точка и тире не являются цифрами. Однако их можно рассматривать как результат кодирования. Для образования точки и тире необходимо передавать по линии короткий и более длительный импульсы тока. Их совокупность и последовательность позволили образовать сигнальный код – азбуку Морзе, с помощью которого можно было передавать все буквы алфавита и цифры.
Кодирование с помощью азбуки Морзе широко применялось в более позднее время, а также для передачи сообщений во время II-ой мировой войны. Таким образом, можно считать, что применение цифровых методов передачи информации, имело место в электросвязи уже в начале 19-го века. В последующие годы этого века проводная телеграфная связь получила широкое распространение во всем мире.
Следующий важный этап развития цифровой связи возник 24 марта 1896 г., когда российский ученый Александр Попов на закрытом заседании Русского физико-химического общества в Петербурге впервые в мире осуществил передачу радиотелеграммы. С помощью передатчика и приемника собственной конструкции он передал набранные азбукой Морзе слова Heinrich Hertz (Генрих Герц). Таким образом, цифровой метод передачи был реализован в беспроводной связи.
Дальнейшее развитие техники связи произошло благодаря изобретению телефона. Первый телефонный аппарат был представлен в 1876 г. в Соединенных Штатах Америки, а создателем, запатентовавшим свое изобретение, стал Александр Грехем Белл. Особенностью телефонного аппарата являетсяиспользование для передачи не цифровых, а аналоговых сигналов. Это изобретение положило начало развитию связи с помощью аналоговых сигналов.
Развитие аналоговой связи продолжилось с развитием радио. Вначале в диапазоне длинных волн, затем средних и высоких. В начале ХХ века радиосвязь развивалась различными инженерами во всем мире на основе большого количества изобретений. Среди них – изобретение электронных ламп, построение на их основе усилителей, генераторов, модуляторов. Безусловно, эти изобретения повлияли на развитие радиосвязи и заслуживают оценки с исторической точки зрения. Большим достижением в области аналоговой связи явилось создание телевидения. На дальнейшее развитие широкого применения аналогового сигнала на государственном уровне повлияло изобретение разного типа транзисторов, устройств магнитной записи звуковых и телевизионных сигналов.
Следует отметить и быстрое развитие теории и техники связи для решения задач на государственном уровне. Изобретение телефона создало задачу построения телефонной сети в городах, а также проводной связи между абонентами разных городов. Решение этих задач было возможно при больших затратах. С целью их уменьшения уже в 1918 г. в США была создана первая система проводной связи с частотным уплотнением сигналов. Ее дальнейшее развитие имело место в 1935 г. созданием в СССР однополосной многоканальной системы передачи сигналов телефонии и телеграфии за счет научных работ В. А. Котельникова, А. В. Черенкова, А.Ф. Ганина. Эти два примера характеризуют лишь небольшую часть технических и научных достижений этого времени.
Однако следует обратить внимание на одно важное обстоятельство: в многоканальной проводной передаче сигналов между городами передавались как аналоговые телефонные сигналы, так и цифровые телеграфные сигналы. Таким образом, широкое применение аналоговых технологий не привело к устранению цифровых. Более того, на определенном этапе началось преобразование аналоговых звуковых сигналов в цифровые сигналы. Первоначально это делалось с целью обеспечения помехоустойчивости многоканальных систем. Передача большого количества сигналов по кабелю, проложенного под землей, требовала больших денежных затрат как при строительстве, так и при эксплуатации. Цифровые сигналы обеспечивали большую помехоустойчивость.
Решить проблему создания многоканальных систем передачи, работающих по кабелям существующей телефонной сети, оказалось возможным только при помощи цифровой системы передачи (ЦСП) с импульсно кодовой модуляцией (ИКМ). Первыми участками сети, на которых начиналось внедрение систем передачи с ИКМ во всех странах мира, явились соединительные линии между городскими автоматическими телефонными станциями (АТС). Внедрение систем с ИКМ на межстанционных соединительных линиях было поворотным моментом во внедрении цифровых методов передачи. С тех пор началась бурная «цифровизация» сетей связи на всех участках: местном, внутризоновом и магистральном.
Важным событием в процессе цифровизации техники и жизни людей является цифровое телевидение. В России сеть цифрового телевидения начала действовать в 2019 г. Развитие цифрового телевидения происходило в течении нескольких лет и несколькими этапами, начиная от пограничных территорий, и заканчивая центральными районами России.
В Европе в 1993 г., когда стало ясно, что за цифровыми телевизионными системами будущее, был принят проект DVB (Digital Video Broadcasting – разработанный на основе стандарта сжатия данных MPEG-2, созданный группой MPEG (Moving Picture Expert Group).
Применение цифрового телевидения обеспечивает ряд преимуществ. Во-первых, сокращается используемая полоса радиочастот, так при применении цифрового телевидения на одной частоте можно передать не один, а десять каналов.
Во-вторых, сокращается количество передатчиков, потому что достаточно транслировать на двух частотах вместо, скажем, девятнадцати, как было в Останкино.
В-третьих, сокращается мощность передатчика, поскольку из цифрового сигнала достаточно извлекать только цифры, а не реальное аналоговое изображение и звук.
Одним из плюсов цифрового телевидения для населения явился тот факт, что благодаря дополнительной разветвленной сети ретрансляторов и возможности передавать на одной частоте сразу десять каналов, во многих отдаленных населенных пунктах появилась возможность смотреть 20 каналов с качественным изображением. Кроме того, заметно возросло качество принимаемого изображения.
Использование цифрового телевидения в России и в других странах свидетельствует о широком развитии цифровизации в настоящее время.
Для преобразования аналогового сигнала в цифровой, были разработаны аналого-цифровые преобразователи (АЦП) [1-4]. В АЦП происходят три преобразования сигнала: дискретизация, квантование и кодирование. Такое преобразование связано с применением различных устройств. Поэтому каждое преобразование аналогового сигнала в цифровой сигнал связано с затратами. Этим решение задачи не исчерпывается, так как на приемном конце необходимо обратное преобразование цифрового сигнала в аналоговый сигнал, что выполняется за счет применения цифро-аналогового преобразователя (ЦАП).
Возможность эффективного практического использования АЦП и ЦАП была связана с большими достижениями в конструкции деталей, из которых создавались эти устройства. Если первоначально для их реализации можно было использовать вакуумные лампы, а затем транзисторы, то в эпоху применения АЦП и ЦАП стало возможным для их реализации использовать микросхемы.
Развитие электронной аппаратуры, разработанной для связи, оказало существенное влияние на развитие вычислительной техники. Имеется существенное отличие в задачах, решаемых связной аппаратурой и компьютером. Связь необходима для передачи сигналов на расстояние, а компьютер для вычислений.
Задача вычислений имела актуальность много столетий назад. Однако тогда еще не существовала электронная техника и решение вычислительных задач решалось математическим путем. Например, для перемножения чисел шотландским математиком Джоном Непером в 1617 г. были предложены логарифмы. Это позволило заменить перемножение многозначных чисел их сложением. Им были предложены так называемые палочки Непера, которые пользовались большой популярностью. Затем широко использовались логарифмические таблицы, линейки, а затем механические арифмометры, позволявшие осуществлять четыре арифметических действия.
Следует отметить, что в 1642 г. Блезом Паскалем была разработана механическая машина «Паскалина» и Готфридом Вильгельмом Лейбницем – арифмометр. Лейбниц также описал двоичную систему счисления – один из 8 «ЭКОНОМИКА И КАЧЕСТВО СИСТЕМ СВЯЗИ» 3/2020 ключевых принципов построения всех современных компьютеров. Однако, вплоть до 1940-х гг. многие последующие разработки были основаны на более сложной в реализации десятичной системе.
Историю развития вычислительной техники принято делить на периоды. Всю электронно-вычислительную технику принято делить на поколения. ЭВМ относят к тому либо иному поколению в зависимости от типа главных используемых в ней частей, либо от технологии их производства. От элементной базы зависит мощность компьютера, что в свою очередь привело к изменениям в архитектуре ЭВМ, расширению круга ее задач, к изменению способа взаимодействия пользователя и компьютера.
Следует отметить, что на развитие вычислительной техники повлияли достижения в области связи. Прежде всего, это касается элементной базы. Как и в технике связи в компьютерах сначала применялись лампы, затем транзисторы, затем интегральные схемы. Кроме того, для запоминания сигналов двоичной системы счисления использовались триггеры, устройства записи информации на магнитную ленту, которые были разработаны для техники связи. Однако в дальнейшем компьютерные технологии начали применяться в технике связи. Это очевидно на примере развития мобильной связи. Кроме того, отдельные элементы, разработанные для компьютеров, повлияли на развитие техники связи. Так, например, компьютерные цифровые устройства памяти большого объема позволили создать цифровое телевидение.
Дальнейшее развитие цифровых технологий в связи и ЭВМ безусловно будет продолжаться и составит значительную часть решений в области цифровизации в историческом плане.
Однако, рассматривая историю цифровизации, можно вернуться к термину АЦП применительно к временам, когда еще не существовали связь и ЭВМ. Это может вызвать удивление, поскольку АЦП – устройство, созданное на основе современных технологий. Однако в данном случае речь пойдет не об устройстве, а о процессе: «аналого-цифровое преобразование». Как уже было отмечено, этот процесс состоит из трех этапов преобразования: дискретизации, квантования и кодирования. Как ни странно, но эти преобразования применялись на практике более тысячи лет назад.
Применение дискретизации, квантования и кодирования связано с развитием музыкальной культуры на протяжении многих веков. Например, музыка играла важную роль в жизни древних египтян. О значении музыки в Древнем Египте говорят настенные рельефы древних египетских храмов и гробниц с изображением музыкантов. Древнейшими музыкальными инструментами египтян были арфа и флейта.
В период Нового царства египтяне играли на колоколах, бубнах, барабанах и лирах, импортируемых из Азии.
Считается, что в культуре Древнего мира музыка достигла наивысшего расцвета в Древней Греции.
Слово «музыка» имеет древнегреческое происхождение. Развитие теории музыки приписывается Пифагору. Музыка использовалась как предмет образования и воспитания и как составляющая общественной жизни. Она имела огромное значение для греков и в целом для всей позднейшей цивилизации в [5, 6].
О расцвете музыкальной культуры в настоящее время можно судить на основе нотной записи произведений. Нотная запись появилась в начале XI века на основе работ итальянского монаха и учителя пения Гвидо д’Ареццо (Гвидо Аретинский). На основе применения букв ему удалось свести нотописание в единую стройную систему. Однако ноты лишь отражали запись музыкальных произведений, которые создавались по определенным правилам извлечения звуков разных частот и их сложению с обеспечением гармонии. Развитие музыкальной теории в древности не вызывает сомнений. На фресках Древнего Египта, Древней Греции, Ассирии изображены струнные инструменты, являющиеся прототипом современной арфы. Известно, что прототип современного органа (клавишного инструмента) был изобретен во втором веке до новой эры в Александрии. Создание этих инструментов, их настройка были невозможны без основ теории музыки. Отдельные элементы теории музыки в настоящее время известны только из работ Пифагора.
Рассмотрим основные элементы современной музыкальной теории на основе дискретизации, квантования и кодирования. Начнем с термина дискретизация. Музыкальное произведение исполняется в течение определенного временного интервала. Композитор, сочиняя музыку, не устанавливает время исполнения произведения, а устанавливает темп. Темп обычно устанавливается с помощью метронома, который был изобретен венским механиком И.Н. Мельцелем.
Метроном – прибор, снабженный заводным механизмом, который точно отсчитывает длительности, причем в точной, нужной скорости. Выглядит он как деревянная пирамидка, с которой снята одна панель. Снизу закреплен маятник с передвижной гирькой, а на пирамидке шкала с цифрами. Если передвигать гирьку относительно маятника, то в соответствии с тем, около какого числа на шкале ее установить, маятник качается быстрее или медленнее и щелчками отмечает нужные доли такта. В нотах указывается установка темпа в виде надписи М.М. =108. Это означает, что исполняется 108 четвертных нот в минуту. Метроном является своеобразным историческим аналогом задающего генератора в современном АЦП. Дискретизация заключается в том, что весь временной интервал, отводимый на исполнение произведения, делится на равные интервалытакты. В этом случае метроном является аналогом электрического генератора, размещенного в АЦП и задающего частоту процесса дискретизации. На этом этапе нет практически никакого различия в процессе дискретизации в АЦП и в музыке. В обоих случаях дискретизация выполняется по равномерному закону.
Но это только на первом этапе. Дело в том, что в музыке такт делится на доли. Количество долей в такте может быть различным. Так, например, если разделить время, отводимое на один такт на четыре части, то доля будет составлять ¼ его длительности, и будет называться «одна четверть». Если поделить четверть на два, получим «одну восьмую». Дальнейшее деление даст «одну шестнадцатую», одну «тридцать вторую» и т.д. Кроме того, сочиняя музыку композитор может «заполнять такт», используя три четвертные ноты (вальс), две четвертные ноты (марш) и т.п. То есть, в двух соседних тактах количество нот может быть различным, однако применяя различные доли, композитор должен выбрать такое их количество, чтобы суммарное время звучания каждого такта было одинаковым.
Таким образом, в музыке применяется первичная дискретизация по равномерному закону, а также определенным образом организованная вторичная дискретизация (субдискретизация) и следует признать, что дискретизация в музыке гораздо сложнее чем в современных АЦП, применяемых в технике связи.
Следующим процессом в АЦП является квантование. Следует отметить, что в связном АЦП квантуется уровень сигнала в музыкальной акустике – частота.
При построении музыкального произведения используется определенное количество фиксированных по частоте звуков, составляющих так называемый звукоряд. Звукоряд является категорией «изобретенной» природой, а не человеком. Существует природный звукоряд, на основе которого был создан звукоряд, использующийся в настоящее время, т.е. музыкальный звукоряд.
Как человек узнал о существовании природного звукоряда? Природный звукоряд образуется в результате колебания струны. Такой «струной» первоначально являлась тетива самого первого лука, которая при выстреле колебалась, издавая набор звуков, соотношения частот которых используются и в настоящее время. Как известно, струна, колеблясь, образует стоячие волны. Связисту хорошо известно, что длина стоячей волны должна составлять целую часть от длины колеблющегося тела. Таким образом, струна колеблется не только целиком, но и частями, образуя гармоники, составляющие некоторый набор частот. Целая струна образует первую гармонику, половина струны вторую, третья часть струны – третью и т.д. Во сколько раз меньше колеблющаяся часть струны, во столько раз выше частота колебаний. |
Скачать 24.04 Kb.