Теоретическая Информатика

Дискретизация устраняет непрерывность времени. Но для оцифровки звука этого недостаточно. Остается еще одна ана- логовая величина, подлежащая квантованию — амплитуда звука.

Напомним, что квантуется не громкость в децибелах, а ам- плитуда, т. е. отклонение давления воздуха от равновесия.

Квантование звука — преобразование непрерывного диапа- зона амплитуды звука в последовательность уровней громкости.

Уровень квантования амплитуды — допустимое значение дискретной громкости.

Шаг квантования амплитуды — разность между двумя со-

седними уровнями квантования громкости.

Квантование звука также называется квантованием ампли- туды звука, или дискретизацией амплитуды звука, уровень квантования амплитуды — просто уровнем.

На рис. 4.30 схематично показаны дискретизация и кванто- вание аналогового звука, приведенного на рис. 4.28.

Амплитуда

Период дис-

кретизации

Шаг кван-

тования

Отсчеты

Уровень

квантования

Время

Рис. 4.30. Дискретизация и квантование аналогового звука

Обратите внимание, что в процессе квантования за значе- ние амплитуды в выбранные дискретные моменты времени принимается только один номер ближайшего к аналоговому значению уровня квантования.

Ч а с т о т а д и с к р е т и з а ц и и з в у к а Количество уровней квантования амплитуды ограничено.

Понятно, что чем больше уровней квантования, тем меньше шаг квантования и тем выше получается точность оцифровки исходного аналогового или «живого» звука.

Разрядность звука — количество уровней квантования циф- рового звука.

Разрядность звука называется также глубиной звука.

Уровни квантования нумеруются двоичными числами, причем в системах звукозаписи формата CD-audio использует- ся 2-байтное, или 16-разрядное, квантование. 16-разрядное квантование позволяет иметь 216 = 65536 уровней громкости звука, что не вполне достаточно для адекватной оцифровки звука.

При аналоговой записи чем слабее сигнал, тем он чище, в нем меньше нелинейных искажений, а чем вы- ше уровень сигнала, тем искажений больше. Поэтому при записи звука на магнитофонах необходимо выстав- лять низкий уровень записи.

В цифровой записи все наоборот — чем сильнее сиг- нал, тем он качественнее, а слабые сигналы передаются с искажениями. Причем зависимость здесь прямо про- порциональная — чем меньшее число разрядов задейст- вовано для квантования звука, тем хуже качество слабо- го сигнала.

Однако слабый уровень звука не нужно путать с об- щей громкостью звучания фонограммы. Если просто уменьшить громкость воспроизведения какой-нибудь цифровой записи, то качество звука от этого не ухуд- шится. Речь идет о тихих звуках внутри фонограммы с присутствием громких.

По времени, в отличие от амплитуды, нет фиксированного количества отсчетов. Тем не менее присутствует временной параметр, который ограничивает качество оцифрованного звучания.

Частота дискретизации звука — количество отсчетов дис-

кретизации за одну секунду. Измеряется в герцах: Гц. Рассмотрим соотношения между частотой самого звука и

частотой его дискретизации. Если частота дискретизации много больше частоты звука, то на один период звука прихо- дится достаточно много отсчетов дискретизации. В этом слу- чае кривая звука моделируется дискретизации достаточно хо- рошо, как видно на рис. 4.31.

При уменьшении отношения частота звука/частота дис- кретизации качество цифрового звука уменьшается.

Рассмотрим рис. 4.31. На отсчетах времени 0—7 на период звука приходится 8 отсчетов, на отсчетах 7—12 — 7 отсчетов, на 12—16 — 6, что приводит к хорошему качеству звука,

На отсчетах времени 16—21 на период звука приходится уже 4 отсчета, что дает только удовлетворительный звук.

Наконец, на отсчетах 21—26 период звука моделируется только 3 отсчетами. Очевидно, что частота исходного звука при этом пропадает, хотя такое количество отсчетов считалось допустимым в старой теории.

Уровни

2

Отсчеты

Рис. 4.31. Оцифровка звука при его увеличивающейся частоте

Стандарт CD-audio включает частоту дискретизации при- мерно 44 КГц, что больше в два с лишним раза максимальной слышимой человеком частоты 20 КГц. При этом максималь- ной частоте 20 КГц на период приходится немногим более трех отсчетов.

Это соответствует математической теории, которая учиты- вала только дискретизацию звука по времени и не учитывала его квантование по амплитуде. Признание того, что эта тео- рия не совсем правильная, пришло к фирмам-производителям только с появлением звуковых стандартов DVD, где частота дискретизации составляет 96 КГц или даже 192 КГц.

К сожалению, осознание того, что стандарт CD-audio неудовлетворительно передает высокие частоты, при- шло слишком поздно для тех записей, которые были оцифрованы в 80-е и 90-е годы XX века и существуют только в стандарте CD-audio.

3°. У п р а ж н е н и я

1.Определите, какой объем в Мб занимает 1 минута CD- звука со следующим характеристиками: частота дискретиза- ции 44 КГц, глубина звука 8 бит, 2 канала.

2.Определите, какой объем в Мб занимает 1 минута DVD- звука со следующим характеристиками: частота дискретиза- ции 192 КГц, глубина звука 24 бита, 6 каналов.

—Безмозглый, доверчивый дурачок

скоротенькими мыслями,— сказала Тортила,— не горюй, что лиса и кот украли у тебя золотые монеты. Я даю тебе этот ключик… Бородатый человек много рассказывал про этот ключик, но

я все забыла.

…

Буратино кинулся в угол чулана, путаясь в паутиновых сетях. Вслед ему злобно шипели пауки.

А. Толстой. Золотой ключик

Часть II

Вычислительная техника

1. Монитор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 1°. Виды мониторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 2°. Настройка монитора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 3°. Упражнения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 2. Сканер и принтер . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 1°. Виды сканеров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 2°. Виды принтеров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199 3°. Упражнения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200

§ 1. Компьютеры и аппаратура

1. Классификация компьютеров

1°. К о м п ь ю т е р , у н и в е р с а л ь н ы й к о м п ь ю т е р . К л а с с и ф и к а ц и я к о м п ь ю т е р о в п о м о щ н о с т и

Определим компьютер просто, коротко и точно. Компьютер — это вычислительная машина (ВМ).

Первая ВМ — суммирующая машина Паскалина — была создана во Франции Блезом Паскалем в 1642 г. Пас- калина была чисто механическим устройством, подоб- ным механическим часам или счетчику такси.

В 1941 г. в Германии немец Конрад Цузе создал на основе ре- ле первую программно-управляемую универсальную ВМ Z-3.

Механический компьютер — компьютер, состоящий из меха-

нических устройств, электромеханический компьютер включает электромеханическое реле, электронный компьютер — триггеры.

Электронный компьютер называют также электронно-

вычислительной машиной (ЭВМ), или просто компьютером.

Концепцию современной ЭВМ изобрел американец бол- гарского происхождения Джон Атанасов в 1939-1942 гг. Почти сразу в 1945 г. в США Джон Моучли и Джон Эккерт построили первый электронный компьютер Эниак.

В 70-е годы XX века наступила микропроцессорная рево- люция, и сегодня компьютеры делают на микросхемах (чи- пах). Будем рассматривать только современные электронные компьютеры на микросхемах.

Электронные компьютеры, чрезвычайно распространив- шиеся за полвека, имеют следующие 4 основные функции.

А. Создание информации, например, ее ввод или получение через носители или по сетям.

Б. Хранение информации, например, запись на диски, защита от случайных повреждений или несанкционированного доступа.

В. Обработка информации, например, редактирование тек- стов, графики или музыки, преобразование в другую форму.

Г. Вывод информации, например, показ на экране, печать на твердых носителях или передача по сетям.

Все многообразие современных компьютеров можно клас-

сифицировать по уровню их специализации на два класса.

Специализированный компьютер — компьютер, предназна-

ченный для решения какого-то одного класса задач., универ- сальный — для решения произвольных задач.

Специализированные компьютеры, выполняющие одну программу, которая в них заложена, присутствуют практиче- ски повсеместно: от космических кораблей, истребителей и автомобилей до мобильных телефонов, калькуляторов и сти- ральных машин.

Нас будут интересовать только универсальные компьютеры, способные выполнять различные компьютерные программы.

Универсальность компьютеров делает их боле похожими друг на друга. Основной параметр, по которому универсаль- ные компьютеры отличаются друг от друга, это концепция

мощности компьютера.

Мощность компьютера — быстродействие компьютера и ве- личина объема обрабатываемых им за один раз данных.

Суперкомпьютер — компьютер для решения задач предель- ных классов, требующих колоссальных вычислительных мощ- ностей.

Мэйнфрейм — компьютер среднего класса.

Персональный компьютер (ПК) (personal computer (PC), чита-

ется «пи-си») — настольный или мобильный компьютер. Мощность компьютеров называют также вычислительной

мощностью.

Основной закон всех компьютеров: рост вычислительной мощности.

ПК получили свое название во времена, когда они были маломощными и использовались индивидуально. Колоссаль- ное увеличение их мощности и расширение сферы примене- ния позволили идентифицировать их не как «персональные», а как «маленькие». Сейчас ПК используются как индивиду- ально, в том числе и при обработке мультимедийных данных, так и для управления информацией на заводах, в вычисли- тельных центрах и компьютерных сетях.