Кодирование аналогового сигнала

В предыдущем разделе сказано, что шкала квантования выбирается с заранее заданными уровнями. Действительно, как мы выяснили там же, квантованный сигнал, в отличие от исходного (аналогового сигнала), может принимать принципиально конечное число значений.

Эти значения, как правило, равны порядковому номеру уровня квантования, что позволяет легко создать условия для последующего кодирования, т. к. это число (номер уровня) легко представить комбинацией двоичных единиц — чисел в двоичной системе счисления. А мы уже знаем, что такие числа можно считать кодами уровней квантования.

Соответственно, данный этап преобразования номера уровня квантования в двоичный код называется кодированием.

Чем был обоснован выбор восьми уровней квантования? В данном конкретном случае только удобством последующего кодирования.

Если требуется получить восемь двоичных кодов, для этого, как мы уже знаем, достаточно всего трех двоичных разрядов.

Информацию о расчетах количества двоичных разрядов см. в главе 5.

Составим таблицу (табл. 6.1) кодов для восьми условных уровней квантования.

Таблица 6.1. Коды восьми уровней квантования

Теперь, используя эту кодовую таблицу, можно, наконец, представить исходный аналоговый сигнал (см. рис. 6.1) в виде последовательности двоичных кодов (рис. 6.8).

Если мы поменяем местами столбики таблицы (см. табл. 6.1), то получим кодовую таблицу для кодирования восьми уровней аналогового сигнала. В этой таблице представлены восемь двоичных чисел от 000 до 111, а их значениями являются соответствующие уровни квантования.

Рис. 6.8. Кодирование аналогового сигнала

Эта таблица важна еще и потому, что она потребуется для процедуры обратного преобразования (рис. 6.9). Следует только обратить внимание на то, что аналоговый сигнал, синтезированный из цифрового сигнала, в нашем примере довольно значительно отличается от исходного аналогового сигнала (рис. 6.10), что, впрочем, создано специально.

Рис. 6.9. Преобразованный аналоговый сигнал

Рис. 6.10. Различие исходного и преобразованного сигналов

Справка

Для того чтобы реальный звуковой сигнал, поступающий на микрофон и индуцирующий непрерывный электрический сигнал, был оцифрован с приемлемым качеством, необходимо выполнять квантование не реже 40 000 тысяч раз в секунду, а фактически даже больше — именно 44 100 раз, что означает частоту 44,1 кГц.

Важная мысль

Кодовая таблица предполагает соответствующую таблицу квантования на другом устройстве. Если это не так, воспроизведение может радикально отличаться от требуемого.

Резюме

• Для того чтобы кодировать любую информацию, необходимо однозначно выделить ее элементы. Это значит, что все значения, предназначенные для кодирования, должны быть строго дискретны.
  
• Для получения дискретных элементов в непрерывном потоке аналогового сигнала, в котором отсутствуют отдельные элементы, применяется принудительная дискретизация — разбиение потока на определенные равные интервалы. Полученные интервалы можно пронумеровать с помощью натурального ряда чисел.
  
• Следущий шаг дискретизации — это усреднение, или интегрирование, непрерывно изменяющегося сигнала в пределах каждого отсчета. Аналоговый сигнал преобразуется в ступенчатую линию, которая в общем, конечно, имитирует исходную кривую с определенной (кстати, заранее заданной) погрешностью.
  
• Для сравнения полученных усредненных значений вводится координата, с помощью которой можно определить уровни этого усредненного сигнала в соответствии с заранее установленной шкалой. Этот процесс соответствует второй дискретизации, которая получила название квантование. В результате процедуры квантования получают дискретные значения, привязанные к уровням квантования. Эти значения равны порядковому номеру уровня квантования, что позволяет легко создать условия для последующего кодирования.
  
• Соответственно, следующий этап преобразования номера уровня квантования в двоичный код называется кодированием.
  
• В данной части были рассмотрены два основных способа передачи информации: аналоговый и импульсный.
  
• Аналоговый нам необходим по причинам того, что объективная информация (звук или изображение) представляет собой аналоговую форму, поэтому на этапах ввода и вывода информации приходится иметь дело с аналоговыми сигналами. Рассмотренные в данной части особенности достаточны для того, чтобы представлять себе, какие сигналы подлежат преобразованию в форму, "понятную" компьютеру.
  
• С другой стороны, компьютерные технологии не обладают органами чувств и мышлением, которыми природа снабдила человека. Для их функционирования требуется самый простой и однообразный вид сигнала, каковым является импульсный.
  
• В компьютерных технологиях основополагающую роль играет понятие бита, который определяется как минимальное количество информации, его использование обеспечивает количественное измерение информации. И поскольку двоичная система счисления идеально совпадает с понятием бита, это дает возможность передавать информацию одновременно с ее учетом.
  
• Любое двоичное число — это совокупность битов, каждый бит — это один разряд, а разрядность двоичного числа — это количество знакомест (или количество разрядов, или количество битов), заранее отведенных для записи двоичного числа. Количество двоичных разрядов определяет количество кодов, которое равняется соответствующей степени числа "2".
  
• Кодовый алфавит — это минимальный перечень элементов, а кодовая таблица — это совокупность кодов и их значений. Длина кодовой таблицы может быть произвольной, но ограничивается возможностями технической реализации.
  
• Значение кода не является законом природы — это всякий раз результат условности, результат договоренности, закрепленный теми или иными стандартами.
  
• В общем случае, кодовая таблица может включать любое содержание, если есть возможность подготовить его к кодированию, т. е. принудительно выделить дискретные элементы, даже если они носят искусственный характер.
  

Части I и II являются подготовительными для последующих основных частей, посвященных пиксельной и векторной графике. Часть III посвящена пиксельной графике, которая использует идентичные принципы кодирования. Часть IV представляет собой рассказ о векторной графике, которая также основана на дискретизации, но в несколько ином аспекте.