Сигналами называют информационные коды, которые применяются людьми для того, чтобы передавать сообщения в информационной системе. Сигнал может подаваться, но его получение не обязательно. Тогда как сообщением можно считать только такой сигнал (или совокупность сигналов), который был принят и декодирован получателем (аналоговый и цифровой сигнал).

Одними из первых методов передачи информации без участия людей или других живых существ были сигнальные костры. При возникновении опасности последовательно разводились костры от одного поста к другому. Далее мы будем рассматривать способ передачи информации при помощи электромагнитных сигналов и подробно остановимся на рассмотрении темы аналоговый и цифровой сигнал .

Любой сигнал может быть представлен в виде функции, которая описывает изменения его характеристик. Такое представление удобно для изучения устройств и систем радиотехники. Помимо сигнала в радиотехнике есть еще шум, который является его альтернативой. Шум не несет полезной информации и искажает сигнал, взаимодействуя с ним.

Само понятие дает возможность отвлечься от конкретных физических величин при рассмотрении явлений, связанных с кодированием и декодированием информации. Математическая модель сигнала в исследованиях позволяет опираться на параметры функции времени.

Типы сигналов

Сигналы по физической среде носителя информации делятся на электрические, оптические, акустические и электромагнитные.

По методу задания сигнал может быть регулярным и нерегулярным. Регулярный сигнал представляется детерминированной функцией времени. Нерегулярный сигнал в радиотехнике представлен хаотической функцией времени и анализируется вероятностным подходом.

Сигналы в зависимости от функции, которая описывает их параметры могут быть аналоговыми и дискретными. Дискретный сигнал, который был подвергнут квантованию называется цифровым сигналом.

Обработка сигнала

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.

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. Так, например, 35.342 градуса по Цельсию могут быть закодированы как напряжение 3.5342 В.

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.

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».

Аналоговый и цифровой сигнал и цифро-аналоговое преобразования

Следует еще немного рассказать о том, как аналоговая информация передается по цифровым каналам связи. Вновь прибегнем к примерам. Как уже говорилось звук – это аналоговый сигнал.

Что происходит в мобильных телефонах, которые передают информацию по цифровым каналам

Звук, попадая в микрофон подвергается аналого-цифровому преобразованию (АЦП). Этот процесс состоит из 3 ступеней. Берутся отдельные значения сигнала через одинаковые отрезки времени, этот процесс называется дискретизация. По теореме Котельникова о пропускной способности каналов, частота взятия этих значений должна быть вдвое выше, чем самая высокая частота сигнала. То есть, если в нашем канале стоит ограничение на частоту в 4 кГц, то частота дискретизации будет составлять 8 кГц. Далее все выбранные значения сигнала округляются или, иначе говоря, квантуются. Чем больше уровней при этом будет создано, тем выше будет точность восстановленного сигнала на приемнике. Затем все значения преобразуются в двоичный код, который передается на базовую станцию и затем доходит до другого абонента, являющегося приемником. В телефоне приемника происходит процедура цифро-аналогового преобразования (ЦАП). Это обратная процедура, цель которой на выходе получить сигнал как можно более идентичный исходному. Далее уже аналоговый сигнал выходит в виде звука из динамика телефона.

Продолжение. См. № 5, 6/2009

Методическое пособие

Во всех авторских вариантах школьного курса информатики центральным системообразующим понятием выступает понятие информации. Фундаментальная составляющая информатики - это наука об информации и информационных процессах. Профильный курс информатики для старших классов дает бoльшие возможности для раскрытия этого фундаментального содержания, чем курс в основной школе. Тому способствует, во-первых, пропедевтика, пройденная в предыдущих классах, во-вторых, более высокий уровень математической и физической подготовки учеников.

Раздел, посвященный кодированию информации, является центральным в теоретической составляющей курса. В нем находят отражение основные идеи представления и преобразования информации, которые лежат в основе информационных технологий. Понимание этих идей способствует глубинному пониманию сути ИКТ для профессионального пользователя и, что еще более важно, для будущего разработчика компьютерных систем.

Более подробно, чем в основной школе, здесь пойдет речь об особенностях аналоговой и цифровой форм передачи информации. Достаточно подробно объясняется суть АЦП - аналого-цифрового преобразования сигнала.

Ключевое понятие раздела - кодирование получает многостороннее разъяснение. Код - это символьная последовательность, заключающая в себе некоторую информацию. Кодирование - это процесс построения кода. Все варианты кодирования можно поделить на две группы:

1) преобразование из аналоговой формы в дискретную, символьную форму;

2) преобразование из одной символьной системы в другую.

Способы второй группы кодирования зависят от цели. Здесь могут быть следующие варианты: переход от одного стандарта представления к другому; сокращение объема данных (сжатие, упаковка); засекречивание информации (шифрование) и обратная процедура - расшифровка; обеспечение контроля ошибок при передаче данных. Во всех случаях используются определенные алгоритмы кодирования, за которыми часто стоят математические модели. Учитель должен формировать системное представление учащихся о задачах кодирования и способах их решений.

Занятия по информатике делятся на теоретические уроки и компьютерный практикум (безусловно, та и другая формы работы могут объединяться и в рамках одного учебного часа). В данном курсе авторы предлагают еще одну форму организации занятий - урок-исследование. Материал для такого урока содержится в §5 “Численные эксперименты по обработке звука”. Работа состоит в том, что учитель демонстрирует численные эксперименты, выполняемые в среде электронной таблицы, используя компьютер и проекционные средства. Ученики могут параллельно повторять эти же расчеты на своих ПК, но затем они получают задания на самостоятельное продолжение эксперимента. Результаты коллективно обсуждаются.

В рамках раздела кодирования ученики продолжают углублять свои навыки работы с электронными таблицами и программирования на Паскале.

Человек воспринимает информацию из внешнего мира с помощью своих органов чувств. Большая часть информации принимается нами через зрение и слух.

Органы слуха воспринимаютзвуковые сигналы, к оторые переносятся звуковыми волнами. Органы зрения воспринимают зрительные сигналы, природа которых - электромагнитные волны в определенном диапазоне частот. Всякий сигнал - это изменение какой-то физической величины, передающее информацию принимающему объекту (живому существу или техническому устройству). Звуковой сигнал связан с изменением давления воздуха, порожденным звуковой волной и воздействующим на орган слуха. Зрительный сигнал связан с изменением параметров электромагнитного светового излучения, воспринимаемого органами зрения.

Многие века люди могли слышать звуки только на расстоянии естественной слышимости от источника, видеть объекты, находящиеся в поле зрения. Развитие науки и техники позволило человеку выйти за эти естественные границы восприятия.

В течение двух последних столетий ученые и изобретатели достигли больших результатов в создании средств связи для передачи информации на расстояние. Различные технические средства связи обеспечивают передачу сигналов двух видов: аналоговых и дискретных.

Синонимом слову “аналоговый” является “непрерывный”. Например, звук - это непрерывный волновой процесс, происходящий в атмосфере или другой сплошной среде. Термин “дискретный” означает “разделенный”, состоящий из отдельных частиц, элементов, квантов. Первые в истории технические средства связи предназначались для передачи текстов в дискретной форме.

XIX век был великим веком технических изобретений. В 1831 году Майкл Фарадей открывает явление электромагнитной индукции. После этого начинается бурное развитие электротехники: изобретается электрический генератор, создаются средства передачи электроэнергии на расстояние. Электричество находит множество применений. Важнейшие из них: электрическое освещение и отопление, электрический двигатель, электросвязь - передача информации с помощью электричества. Идея передачи информации по проводам по тем временам казалась фантастической: появилась возможность передавать текст со скоростью переноса электрического сигнала - близкой к скорости света.

Первый электромагнитный телеграф создал российский ученый Павел Львович Шиллинг в 1832 году. В 1837 году американец Сэмюэл Морзе запатентовал свою конструкцию электромагнитного телеграфного аппарата. Им же был разработан телеграфный код , известный под названием азбуки Морзе.

Телеграфное сообщение представляет собой последовательность электрических сигналов, переносимых от одного телеграфного аппарата по проводам к другому телеграфному аппарату. Эти технические обстоятельства привели С.Морзе к идее использования всего двух видов сигналов - короткого и длинного - для кодирования сообщения, передаваемого по линиям телеграфной связи.

В азбуке Морзе каждая буква алфавита кодируется последовательностью коротких сигналов (точек) и длинных сигналов (тире). В таблице на рис. 1 показана азбука Морзе применительно к латинскому и русскому алфавитам.

Рис. 1. Кодовая таблица азбуки Морзе

Самым знаменитым телеграфным сообщением является сигнал бедствия “SOS” (S ave O ur S ouls - спасите наши души). Вот как он выглядит в коде азбуки Морзе:

- - -

Три точки обозначают латинскую букву S, три тире - букву О. Две паузы отделяют буквы друг от друга. Телеграфист, передававший сообщение на азбуке Морзе, “выстукивал” его с помощью телеграфного ключа: точка - короткий сигнал, тире - длинный сигнал, после каждой буквы - пауза. На принимающем аппарате сообщение записывалось на бумажной ленте в виде графических точек, тире и пробелов, которые визуально прочитывал телеграфист.

Азбука Морзе является неравномерным кодом , поскольку у разных букв алфавита длина кода изменяется от одного до шести символов (точек и тире). По этой причине необходим третий символ - пауза для отделения букв друг от друга.

Равномерный телеграфный код был изобретен французом Жаном Морисом Бодо в 1870 году. В нем использовалось всего два разных вида сигналов. Не важно, как их назвать: точка и тире, плюс и минус, ноль и единица. Это два отличающихся друг от друга электрических сигнала.

В кодовой таблице Бодо длина кодов всех символов алфавита одинакова и равна пяти. В таком случае не возникает проблемы отделения букв друг от друга: каждая пятерка сигналов - это знак текста.

Благодаря идее Бодо удалось автоматизировать процесс передачи и печать букв. В 1901 году был создан клавишный телеграфный аппарат. Нажатие клавиши с определенной буквой вырабатывает соответствующий пятиимпульсный сигнал, который передается по линии связи. Принимающий аппарат под воздействием этого сигнала печатает ту же букву на бумажной ленте.

Телеграфы Морзе и Бодо - это дискретные способы передачи информации.

Следующим важным событием в технике связи стало изобретение телефона. В 1876 году американец Александер Белл получил патент на его изобретение. Годом позже Томас Алва Эдисон изобрел телефонный аппарат с угольным микрофоном, который и до сих пор можно встретить в употреблении. По телефонной связи на расстояние передается звук посредством непрерывного электрического сигнала, модулированного с частотой звуковых колебаний. В микрофоне говорящего человека создается переменное электрическое напряжение, а в наушнике слушающего оно преобразуется в звуковые колебания. Телефонная связь - это аналоговый способ передачи звука.

Благодаря открытию в 1888 г. Генрихом Герцем электромагнитных волн стало возможным изобретение радиосвязи. Почти одновременно в 1895 году Александром Поповым в России и в 1896 г. итальянцем Г.Маркони были изобретены первые радиопередатчики и радиоприемники. Современники изобретения называли радио беспроводным телефоном. Принцип передачи звука по радиосвязи заключается в переносе через пространство высокочастотных (несущих) электромагнитных волн, модулированных по амплитуде низкочастотными звуковыми колебаниями. В радиоприемнике звуковые колебания отделяются от несущей частоты и преобразуются в звук. Радиосвязь - это аналоговый способ передачи звука.

В ХХ веке с изобретением телевидения стала возможной передача на расстояние изображения. Телевизионный электромагнитный сигнал - это также аналоговый способ передачи звуковой и видеоинформации.

Во второй половине ХХ века происходит переход к преимущественно дискретной форме представления информации для ее хранения, передачи и обработки. Этот процесс начался с изобретением цифровой вычислительной и измерительной техники. В настоящее время компьютерная обработка становится элементом всех систем связи: телефонной, радио и телевизионной. Развивается цифровая телефония, цифровое телевидение. Интернет как универсальная система связи основан исключительно на дискретной цифровой технологии хранения, передачи и обработки информации.

Вопросы и задания

1. Что такое сигнал?

2. Обоснуйте правильность употребления фразы “сигнал светофора”.

3. Приведите примеры аналоговых сигналов в природе, передающих информацию.

4. Как вы считаете, человеческая речь - это аналоговая или дискретная форма передачи информации?

5. Перечислите основные события в истории изобретения технических средств связи.

6. Почему в последнее время цифровые технологии связи вытесняют аналоговые?

§2. Кодирование текста

Что такое кодирование

Кодирование - это представление информации в виде комбинации символов. Кодирование происходит по определенным правилам. Правила кодирования зависят от назначения кода, т.е. от того, как и для чего он будет использоваться.

Письменность - это способ кодирования речи на естественном языке. Письменный текст (его также называют письменной речью) предназначен для передачи информации от одного человека к другим людям как в пространстве (письмо, записка), так и во времени (книги, дневники, архивы документов и пр.). Правила, по которым люди осуществляют письменное кодирование информации, называются грамматикой языка (русского, английского, китайского и др.), а человека, умеющего читать и писать, называют грамотным человеком.

Если запись речи называть кодированием, то чтение письменного текста - это его декодирование. Поскольку мы выражаем свои мысли в форме устной речи, то процесс письменного обмена информацией между людьми можно отобразить следующей схемой (см. схему).

При таком письменном способе обмена информацией в качестве носителя чаще всего используется бумага.

С изобретением технических средств связи появилась возможность быстрой передачи текстов на большие расстояния. Но этот процесс требует использования дополнительного уровня кодирования. Повторим еще раз данное выше утверждение: способ кодирования зависит от назначения кода. Если код предназначен для передачи текста по технической системе связи, то он должен быть приспособлен к возможностям этой системы. Примером такого “технического” кода является азбука Морзе.

Процесс передачи телеграфного сообщения с использованием азбуки Морзе можно отразить схемой:

Способы кодирования текста

Кодирование текста всегда происходит по следующему правилу: каждый символ алфавита исходного текста заменяется на комбинацию символов алфавита кодирования. Для азбуки Морзе эти правила представлены в таблице нарис. 1.

В таблице азбуки Морзе для кодирования 32 букв русского алфавита (буква Ё стала использоваться в письменном тексте только в середине ХХ века) применяются два символа: точка и тире. Однако при передаче слов из-за неравномерности кодов различных букв приходится применять еще пропуск между буквами: пауза во времени передачи или пробел на телеграфной ленте. Поэтому фактически алфавит телеграфного кода Морзе содержит три символа: точка, тире, пропуск.

Телеграфный код Бодо является двоичным равномерным пятиразрядным кодом. На его основе в 1932 году был разработан международный телеграфный код ITA2, кодовая таблица которого представлена на рис. 2.

Рис. 2. Телеграфный код ITA2

Двоичные коды символов свернуты в формат двузначных шестнадцатеричных чисел, в которых первая цифра принимает значения 0 или 1. Есть три типа символов: буквы (letters), цифры и знаки (figures), управляющие символы (control chars). Переключение в режим ввода букв происходит по коду 1F 16 (двоичная форма 1 1111). Буква A имеет код 03 16 (0 0011); код буквы R - 0A 16 (0 1010). Этот же код в режиме ввода цифр обозначает цифру 4. Слово “BODO” в шестнадцатеричной форме кодируется так: 19 18 09 18. Длина двоичного кода этого слова равна 20.

Во второй половине ХХ века создаются и распространяются компьютеры. Для компьютерной обработки текстов потребовалось создать стандарт кодирования символов. В 1963 году был принят стандарт, который получил название ASCII - Американский стандартный код для информационного обмена. ASCII - семиразрядный двоичный код, он приведен в табл. 1.

Код символа - это его порядковый номер в кодовой таблице. Он может быть представлен в десятичной, двоичной и шестнадцатеричной системах счисления. Код в памяти компьютера - семиразрядное двоичное число. В табл. 1 код ASCII представлен в свернутой шестнадцатеричной форме. При развертывании в двоичную форму коды представляют собой семиразрядные целые двоичные числа в диапазоне от 000 0000 2 = 00 16 = 0 до 111 1111 2 = 7F 16 = 127. Всего 2 7 = 128 символов.

Первые 32 символа (от 00 до 1F) называются управляющими. Они не отражаются какими-либо знаками на экране монитора или при печати, но определяют некоторые действия при выводе текста. Например, по коду 08 16 (BS) происходит стирание предыдущего символа; по коду 07 16 (BEL) - вывод звукового сигнала; код OD 16 (CR) означает переход к началу строки (возврат каретки). Эти символы унаследованы еще от кодировки для телетайпной связи , для которой первоначально и использовался ASCII, поэтому сохранились такие архаичные термины, как “каретка”.

Символы, имеющие графическое отображение, начинаются с кода 20 16 . Это пробел - пропуск позиции при выводе. Важным свойством таблицы ASCII является соблюдение алфавитной последовательности кодировки прописных и строчных букв, а также десятичных цифр. Это свойство чрезвычайно важно для программной обработки символьной информации, в частности, для алфавитной сортировки слов.

Расширение кода ASCII. Восьмиразрядная двоичная кодировка позволяет кодировать алфавит из 2 8 = 256 символов. Первая половина восьмиразрядного кода совпадает с ASCII. Вторая половина состоит из символов с кодами от 128 = 80 16 = 1000 0000 2 до 255 = FF 16 = 1111 1111 2 . Эта часть таблицы кодировки называетсякодовой страницей (CP - code page). На кодовой странице размещают нелатинские алфавиты, символы псевдографики и некоторые другие знаки, не входящие в первую половину.

В табл. 2, 3, 4 приведены кодовые страницы с русским алфавитом. CP866 используется в операционной системе MS DOS, CP1251 - в операционной сиcтеме Windows. Кодировка KOI8-R используется в операционной системе Unix. Ее первая половина совпадает с ASCII.

Обратите внимание на то, что не во всех кодировках соблюдается правило последовательного кодирования русского алфавита. Существуют и другие стандарты символьной кодировки, где присутствует русский алфавит.

16-разрядный стандарт UNICODE. В 1991 году был разработан шестнадцатиразрядный международный стандарт символьного кодирования Unicode, который позволяет закодировать 2 16 = 65 536 символов. В такую кодовую таблицу помещаются английский (латиница), русский (кириллица), греческий алфавиты, китайские иероглифы, математические символы и многое другое. Отпадает потребность в кодовых страницах. Диапазон кодов символов в шестнадцатеричной форме: от 0000 до FFFF.

В начале кодовой таблицы, в области от 0000 16 до 007F 16 , содержатся символы ASCII. Под символы кириллицы выделены области знаков с кодами от 0400 16 до 052F 16 , от 2DE0 16 до 2DFF 16 , от A640 16 до A69F 16 .

Учимся программировать

Рассмотрим программу на Паскале, по которой на экран будет выводиться таблица кодировки в диапазоне кодов от 20 до 255.

Program Tabl_code;

uses CRT; {Подключение библиотеки управления

символьным выводом}

var kod: byte; {Целые числа от 0 до 255}

clrscr; {Очистка экрана символьного вывода}

for kod:= 20 to 255 do

{Перебор кодов символов}

if (kod mod 10 = 0) then writeln;

{Перевод строки через 10 шагов}

write(chr(kod):3,kod:4);

{Вывод символа и его кода}

Оператор uses CRT подключает к программе библиотеку подпрограмм управления символьным выводом на экран монитора. Далее в программе используется процедура из этой библиотеки: clrscr - очистка экрана.

Переменная типа byte занимает 1 байт памяти и принимает множество целых положительных числовых значений в диапазоне от 0 до 255.

В программе используется стандартная функция chr(kod) , которая в качестве результата возвращает символ, десятичный код которого равен значению переменной kod .

Значения выводятся парами: символ - код. В одной строке располагается 10 таких пар. Вся таблица разместится в 24 строках.

Вопросы и задания

1. Определите понятия: код, кодирование, декодирование.

2. Приведите примеры кодирования и декодирования, о которых не говорилось в параграфе.

3. В чем разница между равномерным и неравномерным кодами?

4. Закодируйте слово COMPUTER, используя коды ITA2 и ASCII.

5. Как прочитается фраза “СПАРТАК - ЧЕМПИОН”, закодированная с использованием CP1251, если декодирование происходит по коду KOI8-R?

6. В кодировке KOI8-R было составлено письмо, начинающееся фразой: “Здравствуй, дорогой Саша!” Декодирование происходило по семиразрядному коду ASCII, в результате чего старший (восьмой) бит у всех символов был утерян. Напишите, какой текст получился в итоге. Сможет ли адресат понять содержание письма?

7. С помощью табличного процессора определите, какая именно кодовая страница используется на вашем компьютере. Например, в Excel имеется функцияСИМВОЛ(код), которая возвращает символ, соответствующий данному десятичному коду. Обратная к ней функция - КОДСИМВ(символ).

8. Реализуйте на компьютере программуTabl_code. Выполните ее.

9*. Составьте аналогичную программу, которая выводила бы двоичные коды символов.

10*. Составьте аналогичную программу, которая выводила бы шестнадцатеричные коды символов.

§3. Кодирование изображения

По некоторым оценкам, около 90% информации из внешнего мира человек воспринимает зрительным путем. Зрение человека - это природная способность к восприятию изображения объектов окружающего мира. Зрительная система воспринимает свет, отражаемый или излучаемый объектами наблюдения. Отражаемое изображение - это все, что мы видим при дневном или искусственном освещении. Например, читаем книгу, просматриваем иллюстрации в ней. Примерами излучаемых изображений являются изображения на экране телевизора или компьютера.

С древних времен люди научились сохранять и передавать изображения в форме рисунков. В XIX веке появилась фотография. Изобретение кино братьями Люмьер в 1895 году позволило передавать движущиеся изображения. В XX веке изобретают видеомагнитофон - средство записи и передачи изображения на магнитной ленте.

Приемыкодирования изображения разрабатываются с появлением цифровых технологий хранения, передачи и обработки изображений: цифровой фотографии, цифрового видео, компьютерной графики.

При кодировании изображения осуществляется его пространственная дискретизация и кодирование света, исходящего от каждого дискретного элемента изображения. В компьютерных технологиях пространственная сетка дискретных элементов, из которых строится изображение на экране монитора, называется растром. Сами дискретные элементы изображения на экране называются пикселями (рис. 3). Чем гуще сетка пикселей, тем выше качество изображения, тем меньше наши глаза замечают его дискретную структуру.

Видеоинформация - это двоичный код изображения, хранящийся в памяти компьютера. Весь совокупный видеокод состоит из кодов света, излучаемого отдельными пикселями.

Естественные изображения, которые мы видим вокруг себя, многоцветные. В технологиях хранения изображения используются способы получения монохроматических , т.е. одноцветных, и цветных (разноцветных) изображений. Как известно, сначала появились черно-белая фотография, черно-белое кино, а уже позже - цветная фотография и цветное кино. То же самое относится к телевидению. Первые компьютерные дисплеи имели черно-белые экраны, на современных компьютерах используются цветные мониторы.

Цветом (красный, желтый, зеленый и пр.) называют субъективное восприятие человеком окрашенности света. Объективное различие света разной окрашенности заключается в разной длине световых волн. Субъективный характер восприятия цвета подтверждается, например, тем фактом, что люди, страдающие дальтонизмом, вообще не различают некоторые цвета.

Кодирование монохроматического света

Слово “монохроматический” означает - одноцветный. Имеется одинфоновый цвет. Все изображение получается с помощью оттенков этого фонового цвета, различающихся яркостью (говорят также - прозрачностью). Например, если фоновый цвет черный, то путем его постепенного просветления можно перейти через оттенки серого к белому цвету (рис. 4). Такое непрерывное множество оттенков - от черного до белого - назовем черно-белым спектром. Из таких оттенков и получается изображение на черно-белой фотографии, на кино- и телеэкране. Все рисунки в данном учебнике исполнены в черно-белом изображении.

Рис. 4. Непрерывный черно-белый спектр

Однако фоновый цвет не обязательно должен быть черным. Он может быть коричневым, синим, зеленым и др. Такое бывает на тонированных фотографиях. Существовали монохромные мониторы с коричневым или зеленым фоновым цветом.

Код монохромного света обозначает уровень яркости фонового цвета. Для цифрового кодирования света в компьютере используются положительные целые двоичные числа. Размер двоичного кода в битах называется глубиной кодирования света.

При дискретном цифровом кодировании непрерывный спектр оттенков базового цвета разбивается на целое число отрезков, в пределах каждого из которых яркость считается постоянной.

Для естественного света количество оттенков фонового цвета бесконечно. При цифровом кодировании количество оттенков становится конечной величиной. Количество оттенков (К) и битовая глубина кодирования (b) связаны между собой по формуле:

Снова работает главная формула информатики!

Реальная яркость изображения зависит от физических условий его передачи: уровня освещенности от источника света при отраженном изображении или мощности светового потока от монитора при излучаемом изображении. Если максимальную яркость принять за единицу, то величина яркости света в диапазоне от черного до белого будет изменяться от нуля до единицы.

На рис . 5 показана дискретизация черно-белого спектра при b = 2. Это значит, что размер кода равен 2 битам и весь спектр разбивается на четыре уровня - 4 оттенка.

Рис. 5. Монохроматическое кодирование с глубиной 2

Естественный свет, яркость которого лежит в диапазоне от 0 до 1/4, будет представляться как черный цвет, десятичный код которого - 0, а двоичный код - 00. Далее идут два серых оттенка. Свет в диапазоне яркости от 3/4 до 1 представляется как белый, и код его: 3 = 11 2 . Если уровень яркости выражать в процентах, то правила черно-белого кодирования при b = 2 можно отразить в таблице:

На рис. 6 показана дискретизация черно-белого спектра при b = 4. Поскольку 2 4 = 16, то таким способом кодируется 16 различных черно-белых оттенков. Приведены десятичные и двоичные коды.

Пример. Рассмотрим модельный пример кодирования черно-белого изображения. Размер растра монитора - 8 х 8 пикселей. Глубина кодирования равна двум:
b = 2 бита. Изображение представлено на рис. 7. Цифры указывают нумерацию строк и столбцов растра. Каждая клетка - пиксель изображения.

На экране нарисована буква “П”. Три составляющие ее отрезка окрашены в разные оттенки фонового цвета: черный, темно-серый и светло-серый. Двоичный код изображения будет таким:

Рис. 7. Дискретный рисунок

Для наглядности двоичный код представлен в виде матрицы, строки которой соответствуют строкам растра на экране. На самом же деле память компьютера одномерна и весь код представляет собой цепочку нулей и единичек, расположенных в последовательных байтах памяти. Объем такой видеоинформации равен 16 байтам. Если перевести этот код в шестнадцатеричную форму, то он будет следующим:

FFFF D55F CFEF CFEF CFEF CFEF FFFF FFFF

При кодировании цветного изображения используются различные подходы, которые называются моделями цвета. Об этом подробно будет рассказано в разделе, посвященном технологиям компьютерной графики.

Вопросы и задания

1. Дайте определение понятиям: свет, цвет, изображение.

2. Чего нельзя увидеть и что можно увидеть в абсолютной темноте?

3. Что такое растр, пиксель?

4. Чем отличается монохромное изображение от цветного?

5. Что представляет собой черно-белый спектр?

6. Какая информация заключается в компьютерном коде изображения?

7. Какой объем будет иметь видеокод изображения, выводимого на экран, при размере растра 640х 480 и глубине кодирования 8 бит?

8. Какова глубина кодирования изображения, если объем видеокода равен 384 Кб, а размер растра - 1024х 768?

9. Объем видеокода равен 600 Кб, глубина кодирования - 16 бит. Какой используется размер растра для вывода изображения: 640х 480 или 1024 х 768?

10. На черно-белый “игрушечный” монитор с разрешением 8 х 8 пикселей (см. пример в параграфе) по очереди выводятся буквы: Н, А, Ш. Разработайте и запишите для каждого выводимого изображения его двоичный и шестнадцатеричный коды. Глубина кодирования равна двум. Разные элементы букв имеют разные цветовые оттенки.

11. Восстановите изображение на черно-белом “игрушечном” мониторе по шестнадцатеричному коду: F3F7 F3D7 F37F F1FF F3BF F3EF F3FB FFFF, - если глубина кодирования равна двум.

§4. Технология кодирования аналогового сигнала

В §1 было введено определение понятиям “аналоговый сигнал” и “дискретный сигнал”. Световой сигнал является аналоговым, поскольку он переносится непрерывным потоком электромагнитного излучения. Звуковой сигнал переносится акустической волной, порождающей непрерывный процесс изменения давления воздуха со звуковой частотой.

Для сохранения изображения и звука в цифровом формате соответствующие аналоговые сигналы должны быть закодированы, т.е. представлены в виде дискретной последовательности нулей и единичек - двоичных цифр. Процесс преобразования аналогового сигнала в дискретную цифровую форму называетсяаналого-цифровым преобразованием , или сокращенно - АЦП.

На рис . 8 представлена схема преобразования любого аналогового сигнала естественного происхождения в дискретный цифровой код.

Из данной схемы следует, что как световой, так и звуковой сигналы первоначально преобразуются в непрерывный электрический сигнал, который и подвергается аналого-цифровому преобразованию.

Оцифровка изображения происходит во время съемки на цифровые фото- и видеокамеры, а также при вводе изображения в компьютер с помощью сканера. В основе физического процесса преобразования света в электрический ток лежит явление возникновения электрического заряда в полупроводниковом приборе - фотодиоде под действием падающего на него света.

Величина возникающего на фотодиоде электрического потенциала пропорциональна яркости светового потока. Эта величина изменяется непрерывно вместе с изменением яркости света.

Аналого-цифровое преобразование заключается в измерении величины электрического сигнала.

Результаты измерений в цифровом формате сохраняются в устройстве памяти. Пространственная дискретизация происходит благодаря использованию матрицы фотодиодов, разделяющей изображение на конечное число элементов.

Кодирование звука

Рассмотрим подробнее процесс АЦП на примере кодирования звука при его вводе в компьютер. При записи звука в компьютер устройством, преобразующим звуковые волны в электрический сигнал, является микрофон. Аналого-цифровое преобразование производит электронная схема, размещенная назвуковой плате (звуковой карте) компьютера, к которой подключается микрофон.

Амплитуда и частота исходящего от микрофона и поступающего на звуковую плату электрического сигнала соответствует амплитудным и частотным свойствам акустического сигнала. Поэтому измерение электрического сигнала позволяет определить характеристики звуковой волны: ее частоту и амплитуду.

Аналоговый сигнал - это процесс непрерывного изменения амплитуды сигнала со временем (рис . 9).

Рис. 9. Дискретизация аналогового сигнала

Есть два основных параметра кодирования звука: частота дискретизации и битовая глубина кодирования. Измерение амплитуды сигнала производится через одинаковые промежутки времени. Величина такого временнoго интервала называется шагом дискретизации , который измеряется в секундах. Обозначим шаг дискретизации t (с). Тогда частота дискретизации выразится формулой:

H = 1/ t (Гц)

Частота измеряется в герцах. Один герц соответствует одному измерению в секунду: 1 Гц = 1 с –1 .

Чем выше частота дискретизации, тем более подробно числовой код будет отражать изменение амплитуды сигнала со временем. Хорошее качество записи звука получается при частотах дискретизации 44,1 кГц и выше (1 кГц = 1000 Гц).

Битовая глубина кодирования (b) - это размер двоичного кода, который будет представлять в памяти компьютера амплитуду сигнала. Битовая глубина связана с числом уровней разбиения амплитуды сигнала по формуле:

Процесс дискретизации амплитуды звука называют квантованием звука. Тогда величину К можно назвать количеством уровней квантования звука (рис . 10).

Рис. 10. Квантование аналогового сигнала

Значения измеряемой величины заносятся в регистр звуковой карты - специальную ячейку памяти прибора. Разрядность регистра равна b - битовой глубине кодирования. Далее эту величину также будем называть разрядностью квантования. Результат измерения представляется в регистре в виде целого двоичного числа.

Измеряемая физическая величина округляется до ближайшего к ней целого значения, которое может храниться в регистре звуковой карты.

На рис . 11 показано, как это происходит при трехразрядном квантовании аналогового сигнала. В графическом виде дискретизацию и квантование звука можно представить как переход от гладкой кривой к ломаной, состоящей из горизонтальных и вертикальных отрезков. Считается, что на каждом временнoм шаге значение измеряемой величины остается постоянным.

Рис. 11. Измерение переменной физической величины
с использованием трехразрядного регистра

В память компьютера результаты такого измерения будут записаны в виде последовательности трехразрядных двоичных чисел.

Объем записанной звуковой информации равен:

3 х 9 = 27 бит.

На самом деле трехразрядная дискретизация не используется на практике. Такой вариант рассмотрен здесь лишь в качестве учебного примера. Наименьший размер регистра у реальных приборов - 8 разрядов. В таком случае одно измеренное значение займет 1 байт памяти компьютера, а число уровней квантования равно 2 8 = 256. Измерения с таким регистром будут в 32 раза более точными, чем при трехразрядном регистре. При 16-разрядном регистре каждая величина в памяти займет 2 байта, а число уровней квантования:
2 16 = 32 768. Чем выше разрядность квантования, тем выше точность измерений физической величины. Но при этом растет и объем занимаемой памяти.

Дискретное цифровое представление аналогового сигнала тем точнее его отражает, чем выше частота дискретизации и разрядность квантования.

Теорема Найквиста – Котельникова. Человек слышит звуковые колебания приблизительно в диапазоне частот от 20 Гц до 20 кГц. Звук с частотами выше этого диапазона называетсяультразвуком , звук с меньшей частотой - инфразвуком. В теории связи известна теорема Найквиста – Котельникова, согласно которой частота дискретизации АЦП должна быть не менее чем в 2 раза выше частоты аналогового сигнала. Это значит, что если мы хотим сохранить в двоичном коде информацию о звуке с частотой 20 кГц, то частота дискретизации должна быть не меньше 40 кГц. В современном стандарте цифровой звукозаписи используется частота дискретизации 44,1 кГц.

Можно привести следующую образную аналогию этой теоремы. От размера ячейки рыболовной сети зависит размер рыб, которые будут в ней удерживаться. Чем меньше ячейки, тем мельче рыба удерживается сетью. Перефразированная на рыбацкий лад теорема Найквиста – Котельникова будет звучать так: длина стороны квадратной ячейки сети должна быть в два раза меньше поперечного размера самой мелкой рыбы, которую требуется поймать сетями. Например, если поперечный размер рыбы должен быть не меньше 10 см, то сторона квадратной ячейки рыболовной сети должна быть не больше 5 см. При выполнении АЦП “улавливаемые” гармоники подобны рыбам, попадающим в сети; шаг дискретизации подобен размеру ячеек сети. Подробнее о гармониках будет рассказано в следующем параграфе.

Задача 1. В течение 10 секунд производилась запись звука в компьютер. Определить объем записанной информации, если частота дискретизации была равна 10 кГц, а разрядность квантования - 16 бит.

Количество произведенных измерений звукового сигнала (N) при частоте дискретизации Н (Гц) за время t (с) вычисляется по формуле: N = H·t. Подставляя данные задачи, получим: N = 10 000·10 = 100 000 измерений. Разрядность квантования: 16 бит = 2 байта. Отсюда объем звуковой информации:

I = 100 000·2 = 200 000 б = 200 000/1024 Кб = 195,3125 Кб

Задача 2. В файле хранится записанный звук. Данные не подвергались сжатию. Объем файла равен 1 Мб. Известно, что запись производилась с частотой 22 кГц при разрядности квантования звука - 8 бит. Определить время звучания при воспроизведении звука, хранящегося в файле.

Из решения предыдущей задачи следует, что объем звуковой информации (I), частота дискретизации (H), разрядность квантования (b) и время записи звука (t) связаны между собой формулой:

Если воспроизведение записанного звука происходит без искажения, то время воспроизведения равно времени записи. Отсюда, искомая величина вычислится по формуле:

t = I/(Hb)

При вычислении переведем значения I и b в байты, а значение H - в герцы:

t = 1·1024·1024/(22 000·1) 47,66 c

Вопросы и задания

1. Назовите основные этапы технологии кодирования аналогового сигнала естественного происхождения.

2. В каких устройствах происходит кодирование света?

3. Какие технические устройства используются для кодирования звука?

4. Дайте определения понятиям: частота дискретизации, разрядность квантования, уровни квантования.

5. Определите объем цифрового кода при записи звука в течение 1 минуты, если частота дискретизации была равна 44,1 Гц, а разрядность квантования - 8 бит.

6. Определите частоту дискретизации при кодировании звука, если объем звукового файла оказался равным 500 Кб, время записи - 0,5 минуты, разрядность квантования - 16 бит. Файл получен после 50%-ного сжатия исходного кода.

График функцииY(x) - наглядное (графическое) отображение зависимости значения функции Y от значения аргумента x. График строится в пределах области определения функции (области изменения аргумента x) и области значений Y. Если у функции бесконечная область определения, то для построения графика выбирается тот ее отрезок, в пределах которого поведение функции наиболее характерно. График периодической функции, как минимум, должен отражать один период изменения значений функции.

Эксперимент 1: гармонические колебания

Рассмотрим способ построения графика периодической функции, описывающей гармонические колебания.Гармоническими колебаниями называются периодические изменения со временем некоторой физической величины, описываемые функциями синуса или косинуса. В общем виде они выглядят так:

Y = A·sin(2v t + j) или Y = A·cos(2 v t + j)

Здесь A - амплитуда колебаний; t - время (аргумент функции); v - частота колебаний, измеряемая в герцах; j - начальная фаза колебаний.

Период функций sin и cos равен 2. Значение функции (Y) изменяется в интервале от –А до +А. График функции синус называют синусоидой.

Звуковые колебания, описываемые гармонической функцией, называются гармоническими колебаниями . Чистые музыкальные тона: до, ре, ми и др. - представляют собой гармонические звуковые колебания разной частоты. Гармонические звуковые колебания издает камертон - эталонный источник музыкального тона. Гармонические колебания совершает математический маятник. В электрическом колебательном контуре сила тока периодически изменяется по гармоническому закону.

Рассмотрим способ построения графика гармонической функции в среде электронной таблицы. Покажем, как это делается, на примере табличного процессора MS Excel.

Работа происходит в два этапа:

1 - табулирование функции;

2 - построение графика функции.

Полученная электронная таблица представлена на рис . 12.

Рис. 12. Таблица и график гармонической функции.

Параметрами функции являются частота колебаний n и амплитуда А. Эти параметры вводятся, соответственно, в ячейки С1 и С2 . Значение начальной фазы j примем равным нулю.

Табулирование - это построение таблицы значений функции на некотором интервале значений аргумента с постоянным шагом. Шаг табулирования (t) записан в ячейке G1 .

Таблица помещена в ячейки А4:В25 . В столбце А расположены значения аргумента - времени t , в столбце В - значения функции Y=A·sin(2 v t ) . Изменение времени начинается со значения t = 0 (ячейка А5 ). В ячейке А6 записана формула: =A5+$G$1 . Далее эта формула копируется в следующие ячейки столбца А . Таким образом обеспечивается изменение времени с постоянным шагом, хранящимся в ячейке G1 .

В ячейку В5 заносится формула:

=$C$2*SIN(2*ПИ()*$C$1*A5).

По этой формуле вычисляется значение функции от аргумента, находящегося в ячейке А5 . Стандартная функция ПИ() возвращает значение числа Пифагора p. Формула из ячейки В5 копируется вниз по столбцу до ячейки В25 .

На рис . 12 показаны результаты табулирования функции для значений n = 10 Гц, A = 1. Шаг табулирования принят равным 0,005. При частоте 10 Гц период колебаний равен 1/10 = 0,1 с. При шаге табулирования 0,005 на одном периоде укладывается 20 шагов. Это вполне достаточное количество значений для построения графика функции.

Построение графика. Для графической обработки данных в табличном процессоре существует мастер построения диаграмм и графиков. Его вызов происходит через меню по командам: Вставка - Диаграммы. Дальнейшие шаги алгоритма следующие:

1 - выбрать тип диаграммы: стандартные - точечная, вид - сглаживающие линии

2 - задать диапазон данных (значений функции): в столбцах - В5:В25 ;закладка РЯД, значения Х: А5:А25

3 - определить заголовок: Y=A·sin(2 v t ) ; подписи под осями: t, Y; линии сетки; легенду (нет); подписи данных (нет).

4 - указать, на каком листе книги разметить диаграмму.

Нажмите ГОТОВО. График построен.

Толщину линий, цвет фона, вид координатной сетки можно настроить отдельно, используя контекстное меню (по правой кнопке мыши), задавая нужные форматы объектов.

Человек слышит звуковые колебания, в среднем, в диапазоне частот от 20 Гц до 20 кГц. Частота 10 Гц - это частота инфразвука. Некоторые животные воспринимают его на слух. Если же удвоить частоту, то будет достигнута нижняя частотная граница слышимости человека. Но тогда на временном интервале 0,1 секунды поместится два периода колебаний. Такой эксперимент легко выполнить на построенной электронной таблице. Измените значение частоты в ячейке С1 на 20, после чего будет пересчитана таблица, а график примет вид, представленный на рис . 13.

Рис. 13. График звуковых колебаний для n = 20 Гц

На интервале времени 0,1 секунды уложилось 2 периода функции. Следовательно, период колебаний равен 0,05 секунды.

Задания. Проведите несколько экспериментов с электронной таблицей для значений частоты: 5, 15, 30, 40 Гц. В каждом случае определите, сколько периодов колебаний укладывается в интервал 0,1 секунды.

Эксперимент 2: негармонические колебания

В разделе математики, который называется гармоническим анализом , доказано, что любую периодическую функцию Y(t) с частотой n можно представить в виде суммы гармонических (синусоидальных) функций с частотами n, 2n, 3n, 4n… Такие слагаемые называются гармониками , а представление функции в виде суммы гармоник называется ее гармоническим разложением:

Y(t) = A 1 sin(2v t + j 1) + A 2 sin(4v t + j 2) + A 3 sin(6v t + j 3) + …

Здесь А 1 , А 2 , … - амплитуды гармоник, j 1 , j 2 , …. - начальные фазы гармоник. Количество слагаемых для некоторых функций может быть конечным, но может быть и бесконечным.

Пример. Построим график негармонической периодической функции, представляемой в виде суммы двух гармоник:

Y(t) = A 1 sin(2v t) + A 2 sin(4v t)

Начальные фазы равны нулю. Выполним расчеты для следующих значений параметров: v = 20 Гц, A 1 = А 2 = 1. Как это было выше, вычисления будем производить на отрезке времени от 0 до 0,1 секунды, шаг табулирования - 0,005.

Для получения таблицы значений достаточно заменить содержимое ячейки В5 на следующую формулу:

=$C$2*SIN(2*ПИ()*$C$1*A5)+$C$2*SIN(2*ПИ()*2*$C$1*A5)

Затем скопировать эту формулу вниз по столбцу В.

Рис. 14. График негармонических колебаний

Построенный график представлен на рис . 14. Из графика видно, что период колебаний равен 0,05 с, т.е. равен периоду первой гармоники. Максимальная амплитуда колебаний увеличилась и стала равна приблизительно 1,54.

1. Получите график колебаний, который отличается от рассмотренных в примере тем, что амплитуда второй гармоники в два раза меньше, чем первой: A 2 = A 1 /2.

2. Получите график колебаний, складывающихся из трех гармоник со следующими параметрами: A 1 = 1,
v n 1 = 20 Гц; A 2 = A 1 /2, v 2 = 2v 1 Гц; A 3 = A 2 /2, v 3 = 2v 2 Гц. Начальные фазы равны нулю.

3. Получите график колебаний, складывающихся из двух гармоник с параметрами: A 1 = 1, v 1 = 20 Гц, j 1 = 0; A 2 = A 1 , v 2 = 2v 1 Гц, j 2 = p/2. Сравните полученный график с графиком на рис. 14. Как повлиял сдвиг фаз между гармониками на амплитуду колебаний, на период колебаний?

Эксперимент 3: дискретизация и квантование звуковых колебаний

В этом эксперименте моделируется процесс аналого-цифрового преобразования. АЦП включает в себя дискретизацию сигнала по времени и квантование значений амплитуды сигнала. Дискретизация по времени определяется значением частоты дискретизации H (Гц). Шаг по времени между двумя измерениями равен 1/Н секунд.

Процесс квантования амплитуды определяется параметром глубины квантования звука: b. Количество уровней квантования равно 2 b . Коды, определяющие амплитуду звукового сигнала, - это целые числа в диапазоне от 0 до 2 b – 1.

Модель процесса квантования звукового сигнала, реализованная в электронной таблице, представлена на рис. 15. Рассматривается гармонический сигнал с частотой n = 20 Гц. Значение частоты сигнала хранится в ячейке С1 . Частота дискретизации АЦП равна Н = 200 Гц (ячейка С2 ). Глубина квантования b = 8 бит (ячейка G2 ).

Столбец А содержит моменты времени измерений сигнала при выполнении АЦП. В ячейке А5 - начальный момент времени t = 0. Затем время увеличивается с шагом 1/H с. В ячейке А6 записана формула: =A5+1/$C$2 . Далее эта формула скопирована вниз по столбцу А .

Значение амплитуды аналогового сигнала вычисляется по формуле:

Y = 0,5(1+sin(2v t))

Такое преобразование синусоиды переносит ее в область неотрицательных значений Y в интервале от 0 до 1. Это сделано для упрощения описания дальнейшего процесса квантования. В ячейку В5 занесена следующая формула: =(1+SIN(2*ПИ()*$C$1*A5))/2 . Затем эта формула скопирована вниз по столбцу В .

В столбце С получены коды измерений амплитуды сигнала, представленные целыми десятичными числами. При записи в память компьютера они переводятся в двоичную систему счисления. В ячейку С5 помещена формула: =ЦЕЛОЕ(B5*2^$G$2) . Смысл ее следующий: поскольку Y лежит в диапазоне от 0 до 1, то значение выражения будет равно целым числам в диапазоне от 0 до 2 b . Здесь квадратные скобки обозначают выделение целой части числа.

При построении диаграммы “Кодирование сигнала” следует выбирать тип “Гистограмма”. Дискретный вид гистограммы наглядно отражает дискретный характер кода. Таблица построена в расчете на 21 измерение сигнала. При данных значениях n и Н удалось измерить два периода колебаний сигнала.

При изменениях трех параметров модели: v , Н и b - будет происходить автоматический пересчет таблицы. Например, если увеличить частоту дискретизации в 2 раза, т.е. занести в ячейку С2 число 400, то получим графики, представленные на рис. 16.

Рис. 15. Гармонический аналоговый сигнал и результаты квантования.

Рис. 16. АЦП с частотой дискретизации 400 Гц

Измерения произведены на одном периоде колебаний. Дискретный код теперь более подробно описывает колебательный процесс.

Рис. 17. АЦП с глубиной квантования 16 бит
и частотой дискретизации 400 Гц

Гистограмма квантования на рис. 17 получена для b = 16. Видно, что увеличился диапазон значений кода. Следовательно, кодирование дает более точную информацию о величине сигнала, чем при b = 8.

1. Проведите расчеты при значениях параметров:
v = 20 Гц, Н = 100 Гц, b = 8 бит. Сопоставьте с результатами на рис . 15. Сделайте выводы.

2. Проведите численные эксперименты по кодированию негармонических колебаний. Функции, описывающие негармонические колебания, возьмите из заданий к эксперименту № 2.

3*. Из теоремы Найквиста - Котельникова следует, что для восстановления по дискретному коду гармонических колебаний с частотойn частота дискретизации должна быть не меньше, чем 2v , т.е. должно выполняться условие: H 2v . Попробуйте проверить эту теорему на нашей модели. Попытайтесь объяснить получаемые результаты.

4. Составьте программу на Паскале, моделирующую процесс кодирования аналогового сигнала (без графики). Программа должна воспроизводить таблицы, которые были получены выше в среде табличного процессора.

§6. Сжатие двоичного кода

Любая информация в компьютере представляется в форме двоичного кода. Чем больше объем этого кода, тем больше места в памяти он занимает, тем больше времени требуется для его передачи по каналам связи. Все это сказывается на производительности компьютера, на эффективности использования компьютерных сетей.

Сокращение объема данных происходит путем сжатия двоичного кода. Возможны две ситуации при сжатии:

1) потеря информации в результате сжатия недопустима;

2) допустима частичная потеря информации в результате сжатия.

В первом случае сжатие , или упаковка , данных производится лишь для временного их хранения на носителях или передачи по каналам связи. Для работы с этими данными требуется их распаковка , т.е. приведение к первоначальному виду. При этом ни один бит не должен быть потерян. Например, если сжатию подвергается текст, то после распаковки в нем не должен быть искажен ни один символ. Сжатая программа также должна полностью восстанавливаться, поскольку малейшее искажение приведет ее в неработоспособное состояние. Сжатие без потери информации обычно используется при создании файловых архивов.

Упаковка с частичной потерей информации производится при сжатии кода изображения (графика, видео) и звука. Такая возможность связана с субъективными возможностями человеческого зрения и слуха.

Исследования ученых показали, что на наше зрение более существенное воздействие оказывает яркость точки изображения (пикселя), нежели ее цветовые свойства. Поэтому объем видеокода можно сократить за счет того, что коды цвета хранить не для каждого пикселя, а через один, два и т.д. пикселей растра. Чем больше такие пропуски, тем больше сжимаются видеоданные, но при этом ухудшается качество изображения.

При кодировании видеофильмов - динамичного изображения, учитывается свойство инерционности зрения. Быстро меняющиеся фрагменты фильма можно кодировать менее подробно, чем статические кадры.

Труднее всего сжатию поддается звуковой код. При хорошем качестве записи его объем в несжатом виде очень большой, а избыточность относительно мала. Здесь также используются психофизиологические особенности человеческого слуха. Учитывается, к каким гармоникам естественного звука наш слух более восприимчив, а к каким - менее. Слабо воспринимаемые гармоники отфильтровываются путем математической обработки. Сжатию способствует также учет нелинейной зависимости между амплитудой звуковых колебаний и восприятием нашим ухом громкости звучания.

Различные алгоритмы сжатия кодов изображения и звука используются для реализации различных форматов представления графики, видео и звука. Подробнее об этом будет рассказано в разделе, посвященном информационным технологиям.

Упаковка без потери информации. Существует два подхода к решению проблемы сжатия информации без ее потери. В основе первого подхода лежит использование неравномерного символьного кода. Второй подход основан на идее выявления повторяющихся фрагментов кода.

Рассмотрим способ реализации первого подхода. В восьмиразрядной таблице символьной кодировки (например, KOI-8) каждый символ кодируется восемью битами и, следовательно, занимает в памяти 1 байт. В разделе 1.2.3 нашего учебника рассказывалось о том, что частота встречаемости разных букв (знаков) в тексте разная. Там же было показано, что информационный вес символов тем больше, чем меньше его частота встречаемости. С этим обстоятельством и связана идея сжатия текста в компьютерной памяти: отказаться от кодирования всех символов кодами одинаковой длины. Символы с меньшим информационным весом, т.е. часто встречающиеся, кодировать более коротким кодом по сравнению с реже встречающимися символами. При таком подходе можно существенно сократить объем общего кода текста и, соответственно, места, занимаемого им в памяти компьютера.

Мы уже рассматривали азбуку Морзе, в которой применен принципнеравномерного кода. Если точку кодировать нулем, а тире - единицей, то это будет двоичный код. Правда, возникает проблема разделения букв друг от друга. В телеграфном сообщении она решается с помощью паузы - фактически третьего знака в азбуке Морзе.

Одним из простейших, но весьма эффективных способов построения двоичного неравномерного кода, не требующего специального разделителя, является алгоритм Д.Хаффмана (D.A. Huffman, 1952 г.). Вариант кодовой таблицы Хаффмана применительно к прописным буквам латинского алфавита приведен в табл. 5.

В этой таблице буквы расположены в порядке убывания частоты повторяемости в тексте. Самые часто используемые в текстах буквы Е и Т имеют коды размером 3 бита. А самые редкие буквы Q и Z - 10 бит. Чем больше размер текста, закодированного таким кодом, тем меньше его информационный объем по сравнению с объемом при использовании однобайтовой кодировки.

Особенностью данного кода является его так называемая префиксная структура. Это значит, что код любого символа не совпадает с началом кода всех остальных символов. Например, код буквы Е - 100. Посмотрите табл. 5. Там нет ни одного другого кода, начинающегося с этих трех символов. По этому признаку символы отделяются друг от друга алгоритмическим путем.

Пример 1. Используя код Хаффмана, закодировать следующий текст, состоящий из 29 знаков:

WENEEDMORESNOWFORBETTERSKIING

Используя табл. 5, закодируем строку:

011101 100 1100 100 100 11011 00011 1110 1011 100 0110 1100 1110 011101 01001 1110 1011 011100 100 001 001 100 1011 0110 110100011 1010 1010 1100 00001

После размещения этого кода в памяти побайтно он примет вид:

01110110 01100100 10011011 00011111 01011100 01101100 11100111 01010011 11010110 11100100 00100110 01011011 01101000 11101010 10110000 001

В шестнадцатеричной форме он запишется так:

76 64 9B 1F 5C 6C E7 53 D6 E4 26 5B 68 EA B0 20.

Таким образом, текст, занимающий в кодировке ASCII 29 байтов, в кодировке Хаффмана займет 16 байтов. Коэффициентом сжатия называют отношение размера кода в байтах после сжатия к размеру до сжатия (т.е. в 8-битовой кодировке). В данном примере коэффициент сжатия оказался равным 16/29 0,55.

Раскодирование (распаковка) текста производится с помощью двоичного дерева кодирования Хаффмана . Графическое изображение дерева Хаффмана, соответствующего табл. 5, представлено на рис. 18. Двоичным называется дерево, из каждой вершины которого выходят не более двух ветвей.

Листьями этого дерева, расположенными на концах ветвей, являются символы алфавита. Код символа формируется из последовательности двоичных цифр, расположенных на пути от корня дерева до листа-символа.

Распаковка текста происходит путем сканирования двоичного кода слева направо, начиная с первого разряда, продвигаясь от корня по соответствующим (имеющим тот же двоичный код) ветвям дерева до тех пор, пока не будет достигнута буква. После выделения в коде буквы процесс раскодирования следующей буквы начинается снова от корня двоичного дерева.

Пример 2. Раскодировать следующий двоичный код, полученный по алгоритму Хаффмана (пробелами код разделен на байты):

01010001 00100101 00100011 11111100

Двигаясь по дереву Хаффмана, начиная от первого слева разряда, получим следующую расшифровку:

Получилось слово HUFFMAN. Упакованный код занимал 4 байта, исходный код -
7 байтов. Следовательно, коэффициент сжатия был равен 4/7 0,57.

Дерево на рис. 18 представляет сокращенный вариант кода Хаффмана. В полном объеме в нем должны быть учтены все возможные символы, встречающиеся в тексте: пробелы, знаки препинания, скобки и др.

В программах, сжимающих текст, таблицу частоты встречаемости символов строят для каждого обрабатываемого текста, а затем формируют коды разной длины типа кодов Хаффмана. В таком случае сжатие текста становится еще более эффективным, так как кодирование настраивается именно на данный текст. В теории программирования алгоритмы, находящие оптимальное решение для каждого конкретного варианта задачи, называются жадными алгоритмами.

К методам сжатия путем учета числа повторений фрагментов кода относятся алгоритм RLE и алгоритмы Лемпеля - Зива. В алгоритме RLE выявляются группы идущих подряд одинаковых однобайтовых кодов. Каждая такая группа заменяется на два байта: в первом указывается число повторений (не более 127), во втором - повторяющийся байт. Такой алгоритм благодаря своей простоте работает достаточно быстро. Наибольшую эффективность он дает при сжатии графической информации, содержащей большие области равномерной закраски.

В алгоритмах Лемпеля - Зива (LZ77, LZ78) выявляются повторяющиеся последовательности байтов. Их условно можно назвать словами. Если при последовательном просмотре данных обнаруживается слово, которое уже встречалось раньше, то на него формируется ссылка в виде смещения назад относительно текущей позиции и длины слова в байтах. Программная реализация таких алгоритмов сложнее, чем для метода RLE. Но зато эффект сжатия получается значительно выше .

К методам кодирования информации мы еще вернемся, когда будем рассматривать приемы защиты данных путем шифрования.

Вопросы и задания

1. В каких случаях при сжатии данных можно допускать частичную потерю информации, а в каких нельзя?

2. За счет чего коды переменной длины позволяют “сжимать” текст?

3. Закодируйте с помощью кодов Хаффмана следующий текст:

HAPPYNEWYEAR. Вычислите коэффициент сжатия.

4. Расшифруйте с помощью двоичного дерева Хаффмана следующий код:

11110111 10111100 00011100 00101100 10010011

01110100 11001111 11101101 001100

5. В чем идея алгоритма сжатия RLE? Какой тип информации сжимается наилучшим образом по этому алгоритму?

6. В чем идея алгоритма сжатия Лемпеля - Зива?

7. Какие свойства зрения и слуха человека используются для сжатия графической и звуковой информации?

Подробнее об алгоритмах сжатия см.: Андреева Е.В., Босова Л.Л., Фалина И.Н. Математические основы информатики. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007.

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.

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.