Это - учебно-методические материалы по медицинской информатике и статистике с сайта 1mgmu.com
Увеличить шрифт ::
Уменьшить шрифт
5.5.4 ТЕОРИЯ - ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ ИНФОРМАТИКИ - Аналоговое и цифровое кодирование
Существует два способа кодирования чисел для их записи – аналоговое и числовое.
При аналоговом кодировании число записывается одним сигналом, который может иметь любые промежуточные значения в диапазоне возможных значений, причем чем больше число, тем больше кодирующий его сигнал. Например, если вы взвешиваете груз на пружинных весах, то чем тяжелее груз, тем больше отклоняется указатель весов. На граммофонных пластинках звук записывался в виде спиральной дорожки переменной глубины; на часах со стрелками каждая движущаяся стрелка может занимать любое промежуточное положение.
При числовом кодировании число записывается несколькими дискретными сигналами, который может иметь только одно из нескольких значений. Например, если время отображается на электрическом табло с набором лампочек, то каждая лампочка может либо гореть, либо нет.
В технике чаще всего используется дискретная кодировка сигнала со всего двумя возможными значениями, так как увеличение количества возможных значений очень сильно усложняет схемы обработки данных.
Оба способа кодирования имеют свои преимущества и недостатки. Так, при той же элементной базе аналоговое кодирование имеет большую емкость записи, так как кодирующий сигнал может иметь не только некоторые значения, но и любые промежуточные. При аналоговом кодировании быстрее происходит обработка, так как не нужны операции кодирования/декодирования.
Среди преимуществ цифрового кодирования можно выделить следующие:
1. Идентичность копии оригиналу.
Всегда, когда мы записываем или считываем сигнал, мы делаем это с некоторыми искажениями. Величину искажения можно сделать меньше за счет повышения качества аппаратуры, но избавиться от него окончательно невозможно. Поэтому при перезаписывании информации с аналоговым кодированием обязательно добавляются искажения, которые увеличиваются при каждой перезаписи.
При считывании сигнала с дискретной кодировкой известны его возможные «эталонные» значения, и есть возможность автоматически выровнять сигнал на нужное значение. Поэтому копия идентична оригиналу, при копировании информации она не теряется.
2. Произвольная точность записи.
Для аналогового кодирования точность записи определяется качеством аппаратуры, и ее повышение весьма сложно. Даже повышения точности отображения числовой величины и то сопряжено с проблемами.
Например, на обычных часах с часовой, минутной и секундной стрелками точность считывания показания – порядка одной секунды, более точное значение даже для стоящих чисел «на глаз» просто не определить. Поэтому в хороших механических секундомерах, позволявших измерять время с точностью до 1/10 секунды, стрелка оборачивалась не за минуту, а за 30 секунд, а сами секундомеры были достаточно большими.
В эпоху до электронных калькуляторов для быстрого приближенного умножения или деления чисел часто использовались логарифмические линейки. Так как длина линейки была 25 сантиметров, а практическая точность выставления и считывания движка и визира – около нескольких десятых долей миллиметра, то операции выполнялись с точностью около одной тысячной. Имеется апокриф, что для более точного умножения и деления в пятидесятые годы в закрытой зоне под Арзамасом 16 был сооружен совершенно секретный объект – десятиметровая бетонная логарифмическая линейка, у которой движок и визир ездили по рельсам.
При цифровом способе кодирования точность записи можно повышать произвольно без принципиальной смены качества аппаратуры. Все, что для этого нужно – увеличить количество дискретных сигналов, записывающих одну числовую величину. При этом пропорционально снижается емкость записи.
Если нужно имеющийся аналоговый сигнал (например, запись речи) перевести в цифровую кодировку, то это называется аналогово-цифровым преобразованием, а соответствующие устройства – аналогово-цифровыми преобразователями (АЦП). При оцифровке сигнала, зависящего от времени, возникают следующие два искажения:
1. Дискретизация по времени – в течение некоторого промежутка времени мы считаем сигнал постоянным;
2. Дискретизация по значению – каждое значение округляется до дискретного с некоторым шагом.
В некоторых случаях используют другие способы дискретизации сигнала, позволяющие записать его более точно и компактно, например, описание звукового сигнала как набор частот, фаз и амплитуд.
Если объем оцифрованной информации оказывается достаточно небольшой, то выбирают высокую точность кодирования, в противном случае приходится мириться с дополнительными искажениями.
3. Возможность сложной многошаговой обработки данных.
Эта особенность – следствие преимуществ №1 и №2. При каждом новом преобразовании аналогового сигнала вводятся дополнительные искажения, поэтому достаточно их сложная обработка невозможна. При цифровом кодировании качество информации при преобразованиях не теряется.
Поэтому там, где важны большие объемы информации и высокая скорость ее обработки, пусть даже в ущерб качеству, используется аналоговое кодирование, там же, где важно качество информации и возможность ее сложной обработки – числовое кодирование.
Например, телевизоры, работающие на аналоговой кодировке, даже при довольно слабой электронике принимают и обрабатывают телевизионные изображения, тогда как компьютеры получили возможность обработки телевизионного изображения совсем недавно.
Компьютеры, занимающиеся сложной многошаговой обработкой, практически исключительно основаны на цифровой кодировке, и далее мы будем вести речь только о цифровых компьютерах. Аналоговые компьютеры используются только в тех случаях, когда скорости цифровых компьютеров не хватает, и используются обычно в виде аналогово-цифровых комплексов, в которых аналоговые компьютеры используются для предварительной «рафинации» (фильтрации, суммирования и т.д.) данных, а цифровой – для последующего анализа данных.
В живых организмах используются и аналоговый, и цифровой способ кодирования. Например, оперативное управление осуществляется в основном аналоговым образом (больше адреналина – сильнее реакция), а в генетическом аппарате используется дискретная кодировка ДНК с четырьмя возможными парами оснований и очень сложной системой транскрипции.
При общении людей используются и дискретные, и аналоговые способы кодирования. К дискретному кодированию относится все проговоренное (вербализованное), а к аналоговому – интонация, мимика, жесты и так далее. Понятно, что одной улыбкой можно сказать столько, сколько и в целой книге не напишешь, но попробуй ее воспроизвести... А вот все проговоренное можно переписать без искажения.
Оглавление раздела нижнего уровня
Оглавление раздела верхнего уровня
ОГЛАВЛЕНИЕ ОГЛАВЛЕНИЙ
НА ГЛАВНУЮ СТРАНИЦУ САЙТА
Материалы используются на Едином Образовательном Пространстве Первого московского государственного медуниверситета им. И.М. Сеченова