2.2. Аналоговый и цифровой сигналы
Аналоговым называется сигнал, изменяющийся непрерывно. Самым распространенным является изменение во времени. На уровне макромира все сигналы об окружающем мире имеет аналоговый характер и именно в аналоговой форме они фиксируются соответствующими датчиками и преобразуются в сигналы другой природы, чаще всего в электрические. (Правда, из школьного курса известно, что в атомах все переходы происходят скачком, квантовано, но отдельные атомы к нашему рассмотрению не относятся).
В компьютере мы имеем дело с двоичным цифровым сигналом, который принимает только два дискретных значения, одному значению приписывается 0, а другому 1.
В процессоре и оперативной памяти это соответствует наличию или отсутствию электрического заряда в элементарной ячейке памяти (или, что то же самое, наличию или отсутствию напряжения). Кстати, в компьютерах сигналу, где есть напряжение, приписывается значение 0, а отсутствие напряжение – это сигнал 1. Хотя на первый взгляд логичнее было бы наоборот.
На жестком диске 0 отвечает намагниченность участка диска в одну сторону, а 1 – в противоположную. На компакт дисках двоичный код вводится штамповкой углублений в пластмассе, а на записывающих дисках CD-R и CD-RW двоичный код образуется за счет потемнения информационного слоя под лучом лазера. А самая первая запись двоичного кода осуществлялась пробиванием отверстий в картоне. Есть отверстие – это 0 гладкая бумага – это 1.
То есть неважно, каким образом создается двоичный сигнал, лишь бы получилось два хорошо отличающихся друг от друга уровня.
Двоичный цифровой сигнал в природе не встречается, он создается человеком. Человеку удобно работать с информацией, записанной в цифровой форме. Можно сказать, что мы присутствуем при создании человечеством своей собственной цифровой Вселенной. Человеческое общество создало множество дискретных вещей. Например, текст – он состоит из отдельных дискретных букв, и никакой непрерывности здесь нет. Для текста и других дискретных материалов, созданных человеком, цифровые компьютерные технологии лучше подходят, чем аналоговые.
Если сравнить цифровую и аналоговую электронику, то цифровые устройства обработки видео и звука – это всегда аппаратура более высокого класса, чем аналоговые устройства. Цифровая техника становится все более качественной и престижной.
По сравнению с аналоговым, цифровой сигнал имеет два плюса и один минус. Рассмотрим их по порядку.
1. С помощью аналогового сигнала в принципе нельзя передать информацию без искажений, цифровой сигнал позволяет передать информацию полностью без искажений.
Почему так происходит? В ходе передачи в линии связи всегда возникают какие-то помехи, искажающие передаваемый сигнал (пунктирные линии на рисунке). Не возникает помех только в идеальном случае, который, как всякий идеал, недостижим. А приемник не может восстановить исходный сигнал, поскольку информацией об исходном сигнале владеет только передатчик.
Совершенно другая ситуация наблюдается с цифровым сигналом. Здесь тоже при передаче возникают помехи – куда же от них денешься (пунктирные линии на рисунке). Но на приеме стоит задача распознать каждый сигнал как 0 или 1 – середины нет. И если все 0 и 1 распознаны правильно, то это значит, что информация передана без искажений.
Помехи могут возникать не только при передаче информации на большие расстояния. Внутри какого-нибудь устройства (телевизор, компьютер и пр.) тоже могут возникать сильные наводки и помехи.
Из сказанного следует два важных вывода.
а) Цифровая техника работает более надежно.
б) Ипульсный (цифровой) способ передачи информации позволяет создать неограниченное число абсолютно идентичных копий.
В аналоговом сигнале каждая стадия копирования будет сопровождаться появлением помех, с ростом стадий последовательного копирования качество сигнала становится все хуже, в конце концов информация совсем перестает читаться.
В цифровом сигнале помехи можно устранить, поскольку известно, что надо устранять – все, что отличается от 0 и 1. И с каждой последующей копии можно делать новую копию, точно так же, как и с оригинала. Правда это достоинство имеет неприятные последствия, поскольку создает почву для пиратства и несанкционированного использования чужой интеллектуальной собственности.