Что не так с цифровыми технологиями? / 08-08-2023 08:24
С 70-х годов прошлого века мир осторожно шагнул в сторону цифровых технологий, и с тех пор мы переводим на цифру всё новые и новые области нашей жизни. Сегодня цифровые технологии стали массовыми.
Нутро моего компьютера 2012-го года
Сначала произошла оцифровка мобильной телефонии — в 1991-м году. Вместо аналоговых сетей 1G (AMPS, TACS, NMT и др.) были введены сети поколения 2G, цифровые (TDMA, CDMA, GSM, PDC).
В то же время, в начале 90-х, в продаже начали появляться цифровые фотоаппараты, получившие, однако, массовое распространение только в начале нулевых.
В начале нулевых начался переход разных стран на цифровое телевидение.
Для незнакомых с цифровой технологией, скажу, что цифровая передача — это когда передаваемый звук, картинка или видео представляет собой последовательность дискретных величин, цифры, т.е. некую информацию об аналоговом сигнале а не сам сигнал. По этим цифрам у зрителя сигнал снова восстанавливается, преобразуется в аналоговую форму и воспроизводится.
Благодаря такой оцифровке аналогового сигнала возникает возможность передавать изображение и звук без потери качества. Ведь при передаче цифрового сигнала действуют алгоритмы, которые гарантируют соответствие переданных и принятых данных. Но, в то же время, если из-за помех принято недостаточно информации, то ни изображения ни звука не будет совсем — алгоритмы не смогут ничего восстановить из неполного цифрового кода.
В этом и заключается основная проблема передачи цифрового видео и звука на расстояние. Если аналоговый сигнал в любом случае можно отобразить в том виде, в котором он пришёл, и он будет похож на картинку или звук, то цифрового сигнала при помехах или слабом уровне мы не увидим вообще.
Проблемы мобильной связи
Вы замечали, как сложно говорить по мобильному телефону по сравнению с проводным? Постоянное ощущение, что собеседник отключился, одновременное начало речи, одновременная пауза, чтобы дать начавшему тоже говорить собеседнику сказать. Все эти «Алё», «Ты тут?», «да, да, говори...».
Это происходит из-за двух вещей. Во-первых, преобразование аналогового сигнала в цифру, передача его до антенны, затем между сотами, от последней соты до собеседника и обратное преобразование в звук занимает некоторое время. То есть, в трубке вы слышите голос собеседника с некоторой задержкой, а собеседник слышит с некоторой задержкой ваш голос. Вот это вызывает основной дискомфорт. Задержка невелика, но её достаточно, чтобы существенно снизить комфортность беседы.
Во-вторых, когда вы заканчиваете говорить, ваш телефон перестаёт оцифровку фоновых шумов, дыхания, и прочих атрибутов наличия вас на связи и передачу их собеседнику. Это делается для экономии трафика. Говорящий собеседник не слышит нюансов ваших эмоций, не чувствует вас на линии. Это тоже приносит некоторый дискомфорт.
Некоторые системы цифровой передачи данных даже моделируют фоновый шум уже на стороне говорящего абонента, чтобы собеседники периодически не «алёкали», проверяя наличие связи.
Ещё одной проблемой является переговоры в условиях недостаточного уровня сигнала и помех. Если при аналоговой передаче звука собеседники слышат друг друга до тех пор, пока голос не утонет в помехах или не пропадёт совсем, то оцифрованный звук просто не может быть в таких условиях декодирован, и прерывается полностью. От этого мы так мучаемся от этих «ква-ква» и обрывков слов, что психологически воспринимается очень негативно по сравнению с помехами аналоговой связи.
Специалисты могут возразить, что цифра гораздо устойчивее к помехам, и для её передачи требуются намного меньшие мощности. Но от этого пользователю не легче. Связь такая, какая она есть, и всяческие объяснения особенностей устойчивости цифры неважны для пользователя, имеющего реальные неудобства, как бы они не объяснялись.
Проблемы цифрового телевидения
Недавно наша страна перешла на цифровое телевидение. Надо признать, что для этого были приложены большие усилия: волонтёры, дешёвые приставки, работа по развёртыванию дополнительных ретрансляторов и пр. Но в то же время этот переход вызвал и объективные проблемы.
В прошлой главе на примере мобильной связи мы выяснили, что цифровой сигнал имеет одну неприятную особенность — прерываться полностью, если информации для его декодирования недостаточно. Цифровым телевидением это было проиллюстрировано в полной мере. Если происходит помеха (низколетящий самолёт, разряд молнии и пр.), картинка замирает и рассыпается на кубики. Это гораздо неприятнее, нежели привычная аналоговая помеха на экране, когда картинка остаётся, хотя и снижает на мгновенье своё качество.
Также появился дискомфорт при листании каналов из-за задержек, связанных с необходимостью дождаться приёма ключевых кадров нового канала, достаточного количества другой информации, заполнить этим всем оперативную память и произвести декодирование. И если скорость декодирования мы можем повысить за счёт мощности процессора, то всё равно остаётся необходимость ожидания ключевых кадров и заполнения оперативной памяти начальным объёмом информации для начала декодирования.
При этом задержки могут достигать 3,5 секунд при переключении между каналами разных мультиплексов или даже между каналами разных каналов физического уровня (PLP) в пределах одного мультиплекса, и 2-х секунд при переключении между каналами в пределах одного PLP.
Конечно, эту проблему тоже можно решить с помощью параллельного приёма соседних каналов и их параллельной дешифровки, но я пока не встречал приставок, которые это бы делали.
Ещё одним отличием цифры от аналогового телевидения является структура его ретрансляторов. Цифровые передатчики более экономичны, обладают меньшей мощностью, но и меньшим радиусом действия, поэтому возросло их количество. Например, московская область сейчас вся покрыта ретрансляторами, тогда как раньше все настраивались исключительно на Останкино.
В результате часть пользователей получило качественное телевидение 20 каналов вместо 1-2 сквозь рябь, а другая часть (надеюсь, небольшая) вообще оказалась без какого бы то ни было приёма. Думаю, последнее поправимо, и скоро зону покрытия допилят.
Вообще, в связи с этим дроблением на ретрансляторы, а также капризностью цифры, она требует более тщательной настройки и более высокой квалификации настраивающего.
Проблемы цифровой фотографии
Помимо бесспорных удобств, у цифровой фотографии есть и недостаток. Из-за регулярной структуры цифровой матрицы при фотографировании регулярных структур на изображении возникает муар.
Производители решают эту проблему использованием сглаживающих фильтров, которые немного размывают картинку. В итоге изображение слегка теряет резкость.
Выходом из положения могла бы стать матрица со стохастическим взаиморасположением пикселей, подобным случайному взаиморасположению кристаллов галогенида серебра, являющихся основой светочувствительной эмульсии фотоплёнки. Но как её реализовать?
Проблемы цифровых мультиметров
Казалось бы, какие могут быть проблемы с цифровыми мультиметрами? А вот могут, и я столкнулся с этим впервые, когда когда-то давно нам их выдали на работе вместо стрелочных.
Цифровой мультиметр, в отличие от стрелочного, покажет только значение измеряемого параметра, но не характер его стабильности во времени. Поясню на примере. Вангую, что не все поймут, но опытные мастера, работавшие со стрелочными мультиметрами, часто ищущие неисправности в контрольных кабелях, подтвердят.
В реальной работе часто бывает важно понять не только наличие параметра или его значение, но и динамику изменения этого значения в коротких промежутках времени. При плохом контакте и искрении в цепи цифровой вольтметр будет просто скакать цифрами и ничего определённого не покажет, тогда как по характеру дёргания стрелки аналогового вольтметра можно сделать более качественное заключение о характере неисправности. Например, по скорости дёргания стрелки вполне можно даже прикинуть реальное напряжение в проводе несмотря на прерывающийся контакт.
То же самое можно сказать и об измерениях сопротивления. По поведению стрелки можно даже отличить плохой контакт между щупом и проводником от плохого динамически меняющегося контакта где-то в цепи.
Напомню, что цифровой мультиметр во время этих фокусов будет просто тупо и малоинформативно скакать всеми своими цифрами.
Проблемы потери точности в цифровых компьютерах
Если вы думаете, что цифровой компьютер — очень точный инструмент, вы ошибаетесь. Конечно, программисты с помощью разных ухищрений могут писать довольно точные программы расчёта, но сама базовая точность представления десятичных чисел в компьютере невысока.
Процессор моего компьютера 2012 года
Это связано с тем, что далеко не каждое десятичное число можно представить точно в двоичном виде. Например, даже такое короткое число, как 0,1, не имеет представления в двоичном виде. При переводе, скажем, до 20-го знака мы получим двоичное число 0,00011001100110011010, а это уже не 0,1 а 0,10000038146972656.
И такие числа будут иметься на цифровых компьютерах, работающих в любой системе счисления. Например, если представить компьютер, работающий в десятичной системе счисления, он не сможет представить число 1/3.
В итоге в расчётах может набегать существенная погрешность, поэтому программисты должны строить программу таким образом, чтобы минимизировать её.
Конечно, у аналоговых компьютеров были свои проблемы, например, проблема с их калибровкой, но они могли оперировать любыми значениями, выраженными уровнем аналогового сигнала. Поэтому продолжение развития аналоговых компьютеров могло бы решить многие проблемы, например, в области обработки видео и звука.
(Отредактировал 08-08-2023 в 08:25 Falerist.)
|
