Аналоговые и цифровые технологии

В 1980-х годах одной из самых захватывающих вещей, которыми вы могли обладать, были цифровые часы. Вместо того, чтобы определять время по медленно вращающимся стрелкам, как это было с аналоговыми часами старого стиля, вы просто смотрите на цифры цифрового дисплея.

С тех пор мы более привыкли к идее цифровых технологий. Теперь все в значительной степени цифровое, от телевидения и радио до музыкальных плееров, фотоаппаратов, мобильных телефонов и даже книг. В чем разница между аналоговыми и цифровыми технологиями? Какая из этих технологий лучше? Давайте посмотрим!

 

Что такое аналоговая технология?

Люди воспринимают цифровые вещи достаточно легко, часто считая их электронными, компьютеризированными. Но концепция аналоговых технологий часто кажется более странной, особенно когда люди пытаются объяснить это на польцах.

Что на самом деле означает аналог?

цифровые часыЕсли у вас есть аналоговые часы, они показывают время стрелками вокруг циферблата: положение стрелок - это измерение времени. То, сколько движутся стрелки, напрямую связано с тем, сколько времени. Таким образом, если часовая стрелка проходит по двум сегментам циферблата, это показывает, что прошло вдвое больше времени, чем если бы она прошла только один сегмент. Это звучит невероятно очевидно, но гораздо тоньше, чем кажется на первый взгляд. Дело в том, что движения стрелки над циферблатом является способом представления времени прохождения. Это не то же самое, что само время: это представление или аналогия времени. То же самое верно, когда вы измеряете что-то с помощью линейки. Если вы измерите длину пальца и отметите его на поверхности деревянной линейки, то эта маленькая полоска дерева или пластика, на которую вы смотрите (маленький отрезок линейки), будет той же длины, что и ваш палец. Конечно, это не ваш палец - это аналоговое отображение вашего пальца. Это действительно то, что означает термин аналог.

аналоговый термометр

Фото: этот аналоговый термометр показывает температуру с помощью указателя и шкалы. 

 

Аналоговые измерения

Пока компьютеры не стали доминировать в науке и технике в первые десятилетия 20-го века, практически каждый измерительный прибор был аналоговым. Если вы хотели измерить электрический ток, вы делали это с помощью измерителя с подвижной катушкой, у которого маленький указатель двигался над циферблатом. Чем больше указатель перемещается вверх по шкале, тем выше ток в вашей цепи. Указатель был аналогом текущего тока. Все виды других измерительных приборов работали аналогичным образом, от весов и спидометров до измерителей уровня звука и сейсмографов (сейсмоприемники).

 

Аналоговая информация

Однако аналоговая технология - это не просто измерение вещей или использование циферблатов и указателей. Когда мы говорим, что что-то является аналоговым, мы часто просто подразумеваем, что оно не является цифровым: работа, которую он выполняет, или информация, которую он обрабатывает, не требует обработки чисел в электронном виде. Пленочный фотоаппарат старого стиля иногда называют примером аналоговой технологии. Вы фиксируете изображение на прозрачной пластиковой «пленке», покрытой химикатами на основе серебра, которые реагируют на свет. Когда пленка проявлена (химически обработана в лаборатории), она используется для печати изображения, которое вы сфотографировали. Другими словами, изображение, которое вы получаете, является аналогом сцены, которую вы хотели записать. То же самое относится и к записи звуков с помощью старомодного кассетного магнитофона. Запись, которую вы делаете, представляет собой набор намагниченных областей на длинном рулоне пластиковой ленты. Вместе они представляют аналогию звуков, которые вы изначально слышали.

 

Что такое цифровая технология?

Цифровая технология совсем другая. Вместо того, чтобы хранить слова, картинки и звуки в виде изображений на пластиковых пленках или магнитных лентах, мы сначала преобразуем информацию в числа (цифры) и вместо этого отображаем или сохраняем числа.

 

Цифровые измерения

Фото: небольшой ЖК-дисплей на карманном калькуляторе. Большинство цифровых устройств сейчас используют подобные ЖК-дисплеи, которые дешевы в изготовлении и легко читаются.

Многие научные инструменты теперь измеряют вещи в цифровом виде (автоматически отображая показания на ЖК-дисплеях) вместо использования аналоговых указателей и циферблатов. Термометры, измерители артериального давления, мультиметры (для измерения электрического тока и напряжения) и весы - это лишь некоторые из распространенных измерительных приборов, которые теперь могут дать вам мгновенное цифровое считывание. Цифровые дисплеи, как правило, быстрее и легче для чтения, чем аналоговые; точнее ли они, зависит от того, как на самом деле производится и отображается измерение.

 

Цифровая информация

Фото: электронные книги обязаны своими преимуществами цифровой технологии: они могут хранить эквивалент тысячи бумажных книг в тонком электронном устройстве, которое умещается в вашей книге. Мало того, они могут загружать цифровые книги из Интернета.

Все виды повседневных технологий также работают с использованием цифровых, а не аналоговых технологий. Например, мобильные телефоны передают и принимают вызовы, преобразовывая звуки голоса человека в числа, а затем отправляя номера из одного места в другое в форме радиоволн. При таком способе цифровая технология имеет много преимуществ. Хранить информацию в цифровом виде проще, и обычно она занимает меньше места. Вам понадобится несколько полок для хранения 400 виниловых аналоговых пластинок, но с MP3-плеером вы можете положить столько же музыки в свой карман! Электронные книги могут хранить пару тысяч книг - около 50 полок - в пространстве, меньшем, чем одна книга в мягкой обложке! Цифровая информация, как правило, более безопасна: разговоры по мобильному телефону перед передачей шифруются - что легко сделать, когда информация находится в числовой форме. Вы также можете легко редактировать и воспроизводить цифровую информацию. Немногие из нас достаточно талантливы, чтобы перерисовать картину Рембрандта или Леонардо в несколько ином стиле. Но любой может отредактировать фотографию (в цифровом виде) в программе для компьютерной графики, которая работает, манипулируя числами, которые представляют изображение, а не само изображение.

 

Что лучше, аналоговый или цифровой?

аналоговый компьютер 1949 годаФото: ранний аналоговый компьютер 1949 года: машины, подобные этой, представляли собой числа с аналоговыми циферблатами, рычагами, ремнями и шестернями, а не (цифровыми) числами, хранящимися в электронной памяти.

Просто потому, что цифровая технология имеет преимущества, это не значит, что она всегда лучше аналоговой. Аналоговые часы могут быть гораздо более точными, чем цифровые, если они используют высокоточное движение (шестерни и пружины) для измерения времени прохождения, и, если они имеют стрелочную систему, они будут отображать время более точно, чем цифровые часы. Как правило, самые дорогие часы в мире являются аналоговыми (конечно, отчасти потому, что людям нравятся как они выглядят), хотя самые точные в мире атомные часы показывают время с помощью цифровых дисплеев.

Один интересный вопрос заключается в том, будет ли информация, хранящаяся в цифровой форме, храниться столько же, сколько аналоговая информация. В музеях до сих пор хранятся бумажные документы (и те, что написаны на глине или камне), которым тысячи лет, но ни где не хранится первый разговор по электронной почте или мобильному телефону. Откройте любую книгу по истории фотографии, и вы увидите репродукции ранних фотографий, снятых Niepce, Daguerre и Fox-Talbot. Но вы не увидите первой цифровой фотографии: хотя она была намного более свежей, вероятно, никто не знает, что это было и кто ее сделал! Множество людей владеют виниловыми пластинками и дорожат ими десятилетиями, но никто не придает такого же значения музыкальным файлам MP3. Много информации, записанной на ранних компьютерных запоминающих устройствах, совершенно невозможно прочитать на более новых компьютерах; даже дискеты, обычные еще в середине 1990-х годов, невозможно прочитать на современных компьютерах, которые больше не имеют встроенных дисководов.

Поэтому, хотя будущее может быть цифровым, аналоговые технологии всегда найдут свое место!

 

Что такое дискретизация?

Аналоговую информацию легко преобразовать в цифровую: вы делаете это каждый раз, когда делаете цифровую фотографию, записываете звук на свой компьютер или разговариваете по мобильному телефону. Этот процесс называется аналого-цифровым преобразованием (АЦП) или, если говорить неформально, дискретизацией. Дискретизация просто означает «измерение с регулярными интервалами» - и это проще всего понять на примере.

Предположим, я разговариваю с вами по мобильному телефону. Звук моего голоса - это волны энергии, которые распространяются по воздуху на микрофон телефона, который преобразует их в электрические сигналы. Звуковые волны и сигналы представляют собой непрерывно изменяющиеся формы волны - они являются аналоговой информацией - и они выглядят как верхний график на диаграмме.

график демонстрирующий дискретизациюХудожественное произведение: Верхнее изображение аналоговая звуковая волна. Средняя: низкая частота дискретизации дает грубое цифровое приближение к исходной волне. Внизу: удвоение частоты дискретизации дает более точную цифровую версию волны, но генерирует вдвое больше цифровой информации (данных), которую нам нужно хранить и передавать.

Сотовый телефон передает звук в цифровой форме, поэтому эти аналоговые волны необходимо преобразовать в числа. Как это происходит? Схема внутри телефона, называемая аналого-цифровым преобразователем, измеряет размер волн много раз в секунду и сохраняет каждое измерение в виде числа. На среднем рисунке вы можете видеть, что я превратил первый график в очень приблизительную гистограмму. Если каждый столбец представляет одну секунду времени, мы можем представить этот график с помощью девяти чисел (одно число для высоты каждого столбца): 5-7-7-5-1-1-3-3-5. Таким образом, сэмплируя (измеряя) звуковую волну один раз в секунду, мы успешно превратили нашу аналоговую звуковую волну в цифровую информацию. Мы могли бы посылать эти цифры по воздуху в виде радиоволн на другой телефон, который запустил бы процесс в обратном порядке и превратил бы числа в звук, который мы можем слышать.

Но вы видите проблему? Некоторая информация будет потеряна в процессе преобразования звука в цифры и обратно, потому что измерения, которые я провел, точно не отражают форму исходной волны: это только грубое приближение. Что я могу сделать по этому поводу? Я мог бы сделать больше измерений, измеряя звуковую волну в два раза чаще. Это означает удвоение так называемой частоты дискретизации. Теперь, как вы можете видеть на нижнем графике, я получаю в два раза больше измерений, и моя звуковая волна представлена ​​восемнадцатью числами: 6-7-7-8-8-7-7-5-2-1-1-2 -3-3-4-4-4-4. Чем больше я увеличиваю частоту дискретизации, тем точнее становится мое цифровое представление звука, но чем больше цифровой информации я создаю, тем больше нужно места для ее хранения.

 

Частота дискретизации и битрейт

Когда вы загружаете цифровую музыку, вам может быть предложено загрузить одну и ту же дорожку с так называемым разным битрейтом. Вообще говоря, битрейт - это количество информации, получаемой каждый раз, когда сэмплируется музыка. Таким образом, более высокая скорость передачи означает, что захватывается больше информации, а аналоговая информация более точно преобразуется в цифровую информацию. Музыкальные дорожки более высокого качества могут иметь более высокую скорость передачи данных, но дорожки займут гораздо больше места на вашем компьютере и займут больше времени для загрузки.

Как правило, музыка преобразуется в цифровом виде для компакт-дисков и дорожек MP3 с частотой дискретизации 44,1 кГц (около 44 000 раз в секунду). Почему такой высокий показатель? По техническим причинам, которые я не буду здесь вдаваться, частота дискретизации должна быть примерно в два раза выше самой высокой частоты звука в вашей волне, а поскольку человеческий слух ограничен примерно 20 кГц, это говорит о том, что нам нужна частота дискретизации не менее 40 кГц , Типичная скорость передачи для дорожек MP3 составляет около 128 кбит / с (128 000 двоичных цифр или бит в секунду), хотя дорожки более высокого качества имеют скорость передачи данных от 128 кбит / с до 256 кбит / с (до 256 000 бит в секунду).


Читайте также

 

 

 
 

Добавить комментарий