January 10th, 2021

Прерывность цифрового сигнала

Предыдущие посты:
1. Почему аналоговый сигнал так называется (на примере звука).
2. Непрерывность аналогового сигнала.
3. Что такое цифровой сигнал.

Хоть в компьютерах и компьютерных сетях для хранения и передачи цифровых данных сегодня обычно используется двоичный код, цифровой формат данных или сигнала представляет собой более широкое понятие, нежели только последовательность нулей и единиц.

https://ru.wikipedia.org/wiki/Цифровой_формат

В одном из предыдущих постов я довольно подробно разобрал понятие непрерывности аналогового сигнала. Между двумя любыми точками на вещественной числовой прямой всегда есть бесконечное количество других точек (значений, чисел).

Но компьютерная память не может хранить бесконечное количество значений. Компьютерная память конечна. Если же взять передачу данных через компьютерные сети, то передача бесконечного количества значений займет бесконечное количество времени, а человек не может столько ждать, его время всегда ограничено, то есть конечно.

Выходит, чтобы данные можно было хранить и обрабатывать на компьютере, а также передавать через компьютерные сети, количество отдельных значений (чисел), описывающих эти данные, должно быть конечным.

В случае работы с числами в языках программирования существуют типы числовых данных, которые ограничивают возможный диапазон числовых значений, делая количество чисел конечным. Отдельные очень большие или очень маленькие числа, содержащие большое количество значащих разрядов, можно представить, выделив под каждый цифровой разряд отдельную ячейку огромного массива. Но количество ячеек в таком массиве тоже будет конечным, ограничиваясь размером компьютерной памяти.

В случае работы с текстом проблемы нет: даже если взять количество букв во всех алфавитах мира, это количество всё равно будет конечным (в качестве примера можно упомянуть Юникод, в котором на сегодня всего лишь около 150 тысяч символов).

В случае работы с аналоговым сигналом конечное количество чисел, описывающих аналоговые данные, получают посредством оцифровки. Что под этим подразумевается? Рассмотрим на примере звука.

https://ru.wikipedia.org/wiki/Оцифровка

Предположим, зависимость плотности воздуха от времени при передаче звуковой волны представляет собой синусоиду (хотя, как я уже писал раньше, график аналогового сигнала может быть любым). Для аналогового сигнала синусоида — это вещественная линия, в которой бесконечное количество точек. Эти точки имеют координаты (числа) на горизонтальной оси и на вертикальной оси. Этих координат на каждой оси для аналогового сигнала тоже бесконечное количество.

При оцифровке на горизонтальной оси (оси времени) через равные промежутки отмечаются только некоторые координаты. То же самое делают и на вертикальной оси (в нашем примере — оси плотности воздуха). Предположим, наш компьютер может справиться с обработкой максимум 5 отдельных чисел по горизонтали и с обработкой максимум 5 чисел по вертикали (в реальности современные компьютеры справляются с гораздо большим количеством отдельных значений, но в данном случае ограничение в 5 значений взято лишь для примера):


Рисунок 1

На этом рисунке красными точками я обозначил те значения, которые после оцифровки станут цифровыми данными, представляющими данный аналоговый сигнал (синусоиду). Эти цифровые данные после оцифровки можно уже хранить в памяти компьютера или передавать по компьютерной сети с помощью цифрового сигнала так, как показано в предыдущем посте.

Часто эти цифровые данные тоже называют цифровым сигналом. Можно сказать, что это исходные цифровые данные, а при передаче они переносятся двоичным цифровым сигналом-переносчиком.

На рисунке 1 можно наглядно увидеть, почему цифровой сигнал называют прерывным. Аналоговый сигнал (синусоида) — это непрерывная линия, а между красными точками цифрового сигнала есть разрывы (перерывы), вот именно поэтому цифровой сигнал — прерывный. Прерывность между координатами по горизонтальной оси называют дискретизацией. Прерывность между координатами по вертикальной оси называют квантованием.

https://ru.wikipedia.org/wiki/Дискретизация
https://ru.wikipedia.org/wiki/Квантование_(обработка_сигналов)

На рисунке 1 видно, что некоторые красные точки цифрового сигнала попадают на синусоиду аналогового сигнала, а некоторые — нет. С этим приходится мириться, цифровой сигнал по своей природе не может идеально представлять аналоговый сигнал. Но с этим можно бороться, повышая количество отметок (отсчетов) координат и на горизонтальной оси, и на вертикальной оси. Повышение количества отметок (отсчетов) координат по горизонтальной оси называют повышением частоты дискретизации. А повышение количества отметок (отсчетов) по вертикальной оси называют уменьшением шага квантования.

Возьмем приведенный выше на рисунке 1 пример и увеличим количество отметок координат и на горизонтальной оси, и на вертикальной оси с 5 до 9 штук:


Рисунок 2

На этом рисунке видно, что в оцифровке при увеличении частоты дискретизации и уменьшении шага квантования цифровые данные (красные точки) приближаются к исходному аналоговому сигналу (синусоида).

Зритель youtube-канала по Age of Empires

Я всегда удивлялся, чем людей так привлекает киберспорт. Не со стороны игроков — там всё понятно, а со стороны зрителей.

И вот теперь подсел на youtube-канал Антона Нестеровского, известного в игровых кругах под ником «Wanderbraun»:

https://www.youtube.com/channel/UCLqdi5MHui0yr8D6LFDWBBA

Канал называется «Wanderbraun — Age of Empires», потому что посвящен серии игр «Age of Empires». Основной канал Антона посвящен серии игр «Warcraft». Но «Warcraft» мне не зашел, поэтому его смотрю редко.

Антон в прошлом — профессиональный игрок в «Warcraft», а сейчас делает стримы (прямые трансляции) игр профессионалов и любителей, а также комментирует их.

Первая игра серии «Age of Empires» вышла аж в 1997 году, все игры серии — это стратегии в реальном времени. Вся серия прошла мимо меня и для меня это совершенно новая игра.

«Age of Empires II» вышла в 1999 году и была очень успешной. «Age of Empires III» вышла в 2005 году и получила огромное количество критики. Видеоролик со сравнением этих двух вариантов «Age of Empires» можно посмотреть по этой ссылке (ролик называется «Почему Age of Empires 2 популярней Age of Empires 3?»):
https://www.youtube.com/watch?v=0U7RR0Jew88

Разработка «Age of Empires IV» анонсирована в 2017 году и продолжается до сих пор, игра еще не вышла. Однако, неожиданно для всех к 20-летию этой серии игр в 2019 году вышел полный ремастер (ремейк) «Age of Empires II» под названием «Age of Empires II: Definitive Edition»:
https://ru.wikipedia.org/wiki/Age_of_Empires_II:_Definitive_Edition

Этот выпуск получил восторженные отзывы и начался новый всплеск популярности этой серии игр. Вот один из восторженных отзывов, который называется «Вот так надо делать ремастеры! Обзор Age Of Empires 2 Definitive Edition»:
https://www.youtube.com/watch?v=6vvkao_UVcw

Рекомендую канал Вандербрауна! Отлично заходит вместо сериалов на отдыхе.