5 как компьютеры кодируют звуковую информацию

Обновлено: 21.11.2024

Быстрый жесткий диск с большим количеством свободного места, хорошая звуковая карта на вашем собственном компьютере, наушники или колонки и, возможно, микрофон, магнитофон или цифровая клавиатура.

Обратите внимание, что аудио не включено в классах ITC, поэтому вашей целевой аудитории придется слушать дома. Если вам нужен звук в одном из этих классов, обеспечивайте его старомодным способом, с помощью проигрывателя с батарейным питанием для воспроизведения кассеты или компакт-диска (нет розеток в стене) или с помощью ноутбука и динамиков.

Создание небольшого звукового клипа:

с помощью рекордера (он записывает/оцифровывает, но не является редактором) -- в формате WAVE (не сжатый, большой размер файла, медленная загрузка) -- шаги:

  1. Используя микрофон, подключенный к звуковой карте, вы можете записывать напрямую: откройте Диктофон, нажмите "Запись", говорите, затем нажмите "Стоп" и сохраните как *.wav.
  2. ИЛИ, используя магнитофон, вы можете записывать голос и/или музыку.
  3. Затем подключите кабель к линейному выходу магнитофона (обычно это штекер, используемый для наушников), а другой конец подключите к линейному входу звуковой карты.
  4. Откройте аудиоприложение и выберите источник записи, здесь лента.
  5. Нажмите «Запись» перед воспроизведением ленты. Затем нажмите "Стоп" и сохраните как *.wav.
  6. Откройте редактор Wave (например, Audacity, см. ниже), отредактируйте файл и сохраните его.
  7. ИЛИ вы можете скопировать материал с компакт-диска, выполнив шаги 4 и 5.
  8. ИЛИ вы можете использовать клавиатуру или другой электронный инструмент для создания музыки в формате MIDI.
  9. ИЛИ вы можете скачать бесплатный звуковой файл из Интернета.

Audacity – бесплатный простой аудиорекордер и редактор для Windows, Mac и Linux – он также связан с бесплатным кодировщиком MP3, LAME-enc.dll, который может быть у вас уже установлен, если вы установили Winamp.

Каждый плагин работает с разными форматами файлов. Для базового использования достаточно иметь все три. Убедитесь, что вы связываете их в соответствии с вашими предпочтениями.
Большинство из них можно обновить за определенную плату до лучшей версии для более профессионального использования.
Но имейте в виду, что вашей целевой аудитории нужен подключаемый модуль, чтобы увидеть формат файла, который вы используете.

Проверьте справку Netscape, раздел О подключаемых модулях, чтобы узнать, какие подключаемые модули уже установлены на вашем компьютере, а также загрузите, купите и установите любые другие, которые могут вам понадобиться.

Форматы цифровых аудиофайлов

WAV --
Операционные системы MS Windows и NT -- для записи и воспроизведения записанного звука. Легко создать с помощью Recorder, но воспроизвести можно только на ПК. Кроме того, файл не сжат, поэтому обычно он больше и загружается дольше. Используйте его только для коротких звуковых клипов.

AU --
стандарт для компьютеров Unix. Большинство веб-браузеров имеют возможность напрямую воспроизводить файлы «AU». так что это делает формат хорошим выбором для работы в Интернете, которая будет принята более широкой сетевой аудиторией. Этот тип файла, как и формат Microsoft WAV, может быть больше, чем другие типы аудиофайлов, поэтому его лучше всего использовать для коротких звуковых клипов для эффективного времени загрузки. При использовании файлов AU на веб-странице вам потребуется использовать стороннюю программу (например, условно-бесплатный пакет CoolEdit или имеющуюся в продаже программу Sound Forge) для загрузки записанного вами WAV и преобразования его в формат AU. И см. Преобразование ниже.

Real Audio (RA) --
Real Audio и Real Video являются бесплатными подключаемыми модулями. Вы можете получить бесплатный кодировщик для преобразования файлов из формата WAV в формат Real Audio. Файлы Real Audio и Real Video используют схемы сжатия, чтобы сделать файл небольшим для использования в Интернете — очевидна некоторая потеря качества, но вы можете контролировать, какой тип сжатия вы хотите использовать для файла, в зависимости от целевой аудитории и записанного содержимого. См. раздел Преобразование ниже.

MP3 (MPEG Audio) --
MPEG audio – это широко распространенный стандарт высококачественных аудио- и видеофайлов. Многие компании предлагают бесплатные проигрыватели, способные воспроизводить или создавать файлы MPEG. Этот сжатый формат предлагает преимущество высокого качества при меньшем размере файла. Однако звуковые файлы MP3 с качеством компакт-диска все же могут быть большими для использования на веб-странице, которую можно загрузить через обычное модемное соединение.
Конечные пользователи должны иметь на своих компьютерах аудиопроигрыватель, поддерживающий этот формат.

двоичные сигналы, цифровая связь, информационные технологии

Автомобиль выезжает из туннеля Сион-Маунт-Кармель в Национальном парке Сион, штат Юта. Предоставлено: Викисклад.

Наконец-то лето! Вы и ваша семья находитесь в путешествии по пересеченной местности. У вас включено радио, и вы все подпеваете своей любимой песне. Вы проезжаете тоннель, и музыка останавливается. Если вы слушаете местную радиостанцию, музыка станет статической, но если вы слушаете спутниковое радио, музыка полностью замолкнет. Радио, будь то спутник или эфир, передается в виде сигнала, который интерпретируется вашим устройством. Если вы слушаете спутниковое радио, сигнал будет цифровым, а если вы слушаете вещание или «эфирное» радио, то сигнал будет аналоговым. В следующих упражнениях мы больше узнаем об особенностях цифровых и аналоговых сигналов, моделируя, как эти два типа сигналов передаются и используются для хранения информации.

Аналоговый или обычный Цифровые сигналы

Цифровые и аналоговые сигналы передаются посредством электромагнитных волн. Изменения частоты и амплитуды создают музыку, которую вы слушаете, или изображения, которые вы видите на экране. Аналоговые сигналы состоят из непрерывных волн, которые могут иметь любые значения частоты и амплитуды. Эти волны бывают гладкими и изогнутыми. С другой стороны, цифровые сигналы состоят из точных значений единиц и нулей. Цифровые волны имеют ступенчатый вид.

Аналоговые сигналы подвержены искажениям, поскольку даже небольшие ошибки в амплитуде или частоте волны изменят исходный сигнал. Цифровые сигналы являются более надежной формой передачи информации, поскольку ошибка в значении амплитуды или частоты должна быть очень большой, чтобы вызвать переход к другому значению.

Аналоговый цифровой
Сигналы состоят из бесконечного числа возможных значений. Сигналы состоят только из двух возможных значений: 0 или 1.
Звуковые сигналы могут плавно изменяться по громкости и высоте. Сигнал переходит от одного значения к другому.

Эти два типа сигналов используются для связи и отправки информации в различных формах, таких как радиопередача, текстовые сообщения, телефонные звонки, потоковое видео и видеоигры. Они также могут использоваться для хранения информации и данных. Хранилище данных используется крупными компаниями, такими как банки, для хранения записей. Частные лица также используют хранилище данных в личных целях, например для хранения файлов, фотографий, результатов игр и многого другого.

Узнайте больше о возможностях хранения данных в серии статей Science Friday, File Not Found .

Призраки в барабанах

Интерьер ленточной библиотеки StorageTek в NERSC. Предоставлено: Викисклад.

Упражнение 1: Моделирование сигнала связи

В этом упражнении учащиеся будут моделировать отправку аналоговых и цифровых сигналов, как в детской игре «телефон», но в форме копирования серии рисунков. Это упражнение моделирует ключевые различия между цифровыми и аналоговыми сигналами в их разрешении и точности сигнала. Учащиеся выполнят две симуляции: одну, имитирующую многократную передачу аналогового сигнала, и одну, имитирующую многократную передачу цифрового сигнала.

Аналоговые изображения состоят из закругленных линий, чтобы показать, что аналоговые волны могут иметь бесконечные значения.

Цифровые изображения состоят из прямых линий, которые следуют сеткам на раздаточном материале, показывая, как цифровые сигналы состоят из квантованных значений.

Материалы

— Черная ручка или маркер с тонким наконечником (учащимся не разрешается несколько попыток воссоздать изображение)

— Одна копия каждого из 5 цифровых и 5 аналоговых пришельцев на таблицу (по одному типу пришельцев на человека) со страниц чертежей моделирования сигналов связи

Настройка учителя

  1. Разбейтесь на группы по пять человек вокруг стола. (Пять – это количество инопланетян, представленное в наборе, а также предоставляет учащимся оптимальные возможности для рисования заданных инопланетян.)

Моделирование сигнала связи Указания для учащихся

Мы собираемся смоделировать обмен сообщениями во времени и на расстоянии. Это задание требует передачи бумаги от человека к человеку, чтобы каждый человек воспроизвел на ней рисунок, а затем передал его следующему человеку за вашим столом. Передача бумаги и воспроизведение рисунка имитируют время и пространство, по которым распространяются сигналы. В первой части задания мы будем моделировать аналоговые сигналы. Во второй части мы будем моделировать цифровые технологии.

  1. Разрежьте бумагу по пунктирной линии и склейте две половинки встык.
  2. В сетке справа от инопланетянина используйте ручку или маркер, чтобы максимально перерисовать изображение инопланетянина. Вам не разрешается стирать или исправлять свой рисунок. Вам будет дано две минуты, чтобы завершить рисунок.

Вопросы об активности

(Заполнить после аналогового и цифрового раундов)

Разверните свои рисунки инопланетян и посмотрите на изображения, нарисованные во время игры.

– Сравните исходное изображение с окончательным рисунком. Определите и опишите сходства и различия между двумя изображениями.

– Наблюдайте за развитием рисунков во время занятия. Определите и опишите, что изменилось во время каждого рисунка.

Примечание для учителя. В ходе аналогового моделирования учащиеся увидят, как крошечные изменения (искажения/шумы) в каждой копии изображения (сигнала) приводят к значительным искажениям конечного изображения после многократной передачи.

Сравнение аналогового и цифрового раундов

Сравните изображения из заданий 1-го и 2-го раундов.

– Какой раунд привел к более точному финальному жеребьевке? Подтвердите свой выбор доказательствами из упражнения.

Примечание для учителя. В моделировании цифрового раунда изображения инопланетян состоят из прямых линий, которые следуют сеткам на раздаточном материале, показывая, как цифровые сигналы состоят из квантованных или ограниченного числа значений. Когда учащиеся сравнивают изображения, переданные ими с помощью аналоговых и цифровых «сигналов», они заметят, что в изображении, переданном в цифровом виде, даже после многократной передачи мало искажений, в отличие от того, что они наблюдали, когда передавали изображение с помощью аналогового сигнала.

Предотвращение «цифрового темного века»

Задание 2. Сортировка цифровых и аналоговых сигналов

В этом упражнении учащиеся познакомятся с характеристиками цифровых и аналоговых сигналов и применят свои характеристики для выбора цифрового или аналогового хранилища для конкретного примера.

Материалы

Настройка учителя

  1. Разбейте учащихся на группы по три человека.
  2. Подготовьте и перемешайте набор карточек для каждой группы.
  3. Поделитесь критерием CER со студентами.

Указания для учащихся

  1. Рассортируйте изображения и утверждения по двум категориям: цифровые сигналы и аналоговые сигналы.
  2. Используйте отсортированные изображения и утверждения, чтобы направлять свои мысли при заполнении письменной подсказки.

Подсказка о написании

Какой тип сигнала вы бы предложили для записи очень подробной песни исчезающей птицы? Подтвердите свой выбор доказательствами из вашей карты. Используйте критерий «утверждения-доказательства-обоснование» (CER), чтобы помочь вам в написании.

Совместная программа преподавателей Science Friday 2019

Действие 3: Двоичное преобразование

В этом упражнении мы будем использовать двоичное кодирование для представления путей через ряд «высоких» и «низких» вариантов выбора, которые представляют, какой путь выбрать на логической карте. Учащиеся будут действовать как цифро-аналоговые преобразователи для декодирования двоичных импульсов и создания изображения путем преобразования импульсов в цветные пиксели.

Музыка, передаваемая в ваш автомобиль по спутниковому радио, и информация, хранящаяся в библиотеках данных, представляют собой цифровые сигналы, использующие двоичную систему. В двоичной системе есть только две цифры, 1 и 0. Значение или значение этих цифр может варьироваться. Например, они могут обозначать «истина» и «ложь», «включено» и «выключено» или «высокое» и «низкое».

На этом рисунке показано, как можно использовать двоичное кодирование для представления путей с помощью ряда «высоких» и «низких» вариантов. Следование двоичному коду укажет путь к логической карте и поможет найти нужные цвета.

«1» указывает на «высокий» путь, а «0» — на «низкий» путь. С помощью этой карты, называемой «картой логических ворот», двоичная последовательность 0 и 1 может указывать, когда «идти вверх» или «идти вниз», передавая путь на карте для «кодирования» для цвета. Например, используя приведенную выше логическую карту, 010 будет означать, что «0» идет вниз, «1» идет вверх, «0» идет вниз. Это будет кодировать зеленый цвет.

Теперь вы попробуете

Используйте эту таблицу, чтобы определить, какой цвет будет кодироваться числом 111?

Если вы закончили черным цветом, вы его получили!

Цифровые сигналы передаются на компьютеры в виде электронных сигналов, посылаемых в виде импульсов. Цифровое устройство интерпретирует напряжение каждого импульса как 0 или 1. На изображении ниже показан пример оцифрованной волны.

Используя этот график, где красные линии в верхней части представляют собой «1», а красные линии в нижней части представляют «0», вы можете видеть, что вся красная линия представляет собой последовательность единиц и нулей. вверху графика: 11001110111011.

Если бы нам нужно было использовать каждую группу из трех чисел, чтобы найти соответствующий цвет в таблице выше, мы бы использовали:

110 — розовый
011 — синий
101 — красный

Пояснения к пикселям

Большинство электронных устройств, таких как смартфоны, компьютеры и телевизоры, используют технологию жидкокристаллических дисплеев (ЖК-дисплеев). Экран состоит из миллионов крошечных кусочков, называемых пикселями. Электронное устройство получает закодированную информацию в виде цифровых сигналов и использует электричество для управления цветом пикселей. Каждый крошечный пиксель просто меняет один цвет на другой в зависимости от электрического сигнала, но, поскольку пиксели настолько малы, что ваш глаз улавливает движение на общем изображении. Удивительным примером этого в природе являются чешуйки или «пиксели» на изображении крыла бабочки ниже и в этом классном видео.

Сложные узоры на крыльях мотылька состоят из отдельных клеток, которые выражают разные цвета. Предоставлено: Викисклад.

Как работает задание?

Каждому учащемуся назначается цифровой волновой график, как показано на рисунке ниже. Используя карту логических элементов, учащиеся будут декодировать сигнал в цвета пикселей для части мозаики.

Чтобы создать собственный мозаичный шедевр в классе, четыре класса дополняют панель большой фрески Post-it.

Фреска, созданная четырьмя классами, представляет собой сцену океана. Фото: Андреа ЛаРоса

Материалы

— Бумага формата Legal, разрезанная пополам по длине для этикеток с сеткой

— Восемь досок для плакатов размером 22×28 дюймов (рекомендуется использовать по две на класс):

— 2 стикера Post-it размером 2 дюйма:

— Примечание для преподавателей: из приведенных выше наборов получится полная мозаика с правильными цветами (154 стикера Post-it на плакат). Если стикеры Post-it недоступны, учащиеся могут раскрасить сетку маркерами.

Подготовка

Распечатайте бинарные последовательности учащихся и таблицы назначения сетки. Разрежьте эти листы по пунктирным линиям и дайте каждому учащемуся заданную последовательность и соответствующую таблицу сетки. Ваша установка должна выглядеть так:

Процедура для учащихся

Расшифровка: вы расшифруете 10-12 квадратов на сетке. Ниже приведен пример графа двоичной последовательности.Красная линия представляет собой цифровое представление сигнала. Используйте назначенный вам график сигнала и логическую карту, чтобы декодировать двоичную последовательность и цвет в таблице сетки. Прежде чем переходить к построению мозаики, уточните свои ответы у учителя.

Конструкция: получите количество и цвета стикеров для вашего участка мозаики. Поместите свои стикеры на соответствующие квадраты в сетке плакатной доски.

Совет учителю: создайте заранее размеченную доску для плакатов, чтобы помочь учащимся создать мозаику. Фото: Андреа ЛаРоса

Добавьте стикеры на сетку плаката в правильном порядке. При этом думайте о каждом квадрате на сетке как о пикселе, а о выборе цвета — как о результате обработки двоичного кода для получения правильного цвета!

— Что сделал ваш класс?

— Как вы думаете, можно ли создать руководство по двоичному коду для создания росписи?

Занятие 4: Моделирование сигнала и отражение двоичного преобразования

Материалы

Настройка учителя

  1. Поделитесь с учащимися раздаточным материалом «Имитация сигнала и отражение двоичного преобразования» и критерием CER.

Подсказка о написании

— Используйте следующие таблицы, чтобы определить, какой тип сигнала, цифровой или аналоговый, является более надежным способом кодирования и передачи информации. Предоставьте три доказательства, подтверждающие ваше утверждение, основанные на ваших выводах, полученных в ходе обучения по моделированию сигналов и бинарному преобразованию.

Звук – это колебания, распространяющиеся в среде (обычно в воздухе) из одной точки в другую и вызываемые быстрыми изменениями давления в этой среде.

Когда мы кричим, наши голосовые связки быстро вибрируют, в результате чего давление окружающего их воздуха то увеличивается, то уменьшается, создавая волну давления (также известную как звук). Эта волна распространяется по воздуху.

Все звуковые волны состоят из двух компонентов: громкости и высоты тона.

Громкость (амплитуда)

Когда мы кричим громче, что мы на самом деле делаем, увеличивая амплитуду производимой волны.

Шаг (частота)

Когда мы говорим высоким голосом, на самом деле наши голосовые связки вибрируют быстрее, что приводит к увеличению частоты волн.

Это означает, что для того, чтобы компьютер мог хранить (и воспроизводить) звук, мы должны иметь возможность преобразовывать эти звуковые волны в формат, который может представлять как громкость (амплитуду), так и высоту тона (частоту). ) записываемого звука.

Высокоамплитудная волна

Низкоамплитудная волна

Низкочастотная волна

Высокочастотная волна

Микрофоны

Микрофоны — как записывается звук?

При захвате звука нам нужно иметь возможность отображать как амплитуду, так и частоту звука для каждой точки во время записи. Этого легко добиться, если мы просто измерим амплитуду волны за заданный интервал времени. Временной интервал, который мы выбираем, известен как частота дискретизации. Затем мы можем использовать эти записанные данные для построения графика, как показано на предыдущей странице.

Для этого нам понадобится микрофон и звуковая карта.

<р>1. Звуковые волны 2. Диафрагма 3. Катушка 4. Магнит 5. Провод к звуковой карте.

Микрофон содержит чувствительную к вибрации мембрану, соединенную с катушкой внутри или вокруг магнита. Когда звук попадает на мембрану микрофона, это заставляет катушку перемещаться внутрь и наружу магнита. Это нарушает магнитные поля внутри катушки и вызывает прохождение тока по кабелю от микрофона к звуковой карте.

Вырабатываемое напряжение будет варьироваться в зависимости от того, насколько быстро магнит движется внутри катушки, а ток будет менять свое направление в зависимости от того, движется ли магнит внутрь или наружу.

Звуковая карта работает как высокочувствительный и точный вольтметр, регистрирующий напряжение каждый заданный период времени (частота дискретизации). Эти измерения передаются в компьютерное программное обеспечение, которое используется для сохранения записанных напряжений.

Звук в двоичном формате

Преобразование звуковой волны в двоичный формат

Теперь у нас есть напряжение для каждого измерения. Все, что нам нужно сделать, чтобы сохранить данные в двоичном формате, — это просто сохранить поток двоичных чисел. В начале файла мы записываем частоту дискретизации, а затем остальная часть аудиофайла содержит поток двоичных чисел, каждое из которых соответствует напряжению в данный момент времени.

Отрицательные числа в двоичном формате

Как вы можете видеть по волнам ниже, теперь нам нужно записать положительные и отрицательные числа в двоичном формате. Ради этого простого примера мы собираемся схитрить и просто добавим дополнительный бит в начале двоичного файла, чтобы указать положительное или отрицательное значение (0 для положительного, 1 для отрицательного). В действительности компьютерные системы используют несколько более сложную версию для записи отрицательных чисел, известную как дополнение до двух, потому что она позволяет компьютерам выполнять двоичное сложение более эффективно, чем наша простая система, и более эффективна, но мы не будем рассматривать ее в этом уроке.

Пример звуковой волны

Выборочные показания напряжения

Нажмите, чтобы увеличить

Окончательный пример

Окончательный звуковой файл двоичного файла будет выглядеть так:

частота дискретизации (1 выборка в миллисекунду) + двоичные данные звуковой волны

0001 0011 0101 0110 0100 0001 1011 1110 1110 1011 1110 1010 0100 0110 0100 0010

Важное примечание

Обратите внимание, что приведенные выше данные намного проще, чем реальный звуковой файл. Звуковые файлы обычно имеют частоту дискретизации около 44 100 выборок в секунду (44,1 выборки в миллисекунду), а перепады напряжения записываются гораздо точнее, но вы можете увидеть, как в принципе работает весь процесс!

Оцифровка

Аналогово-цифровое преобразование

При записи звука исходный аналоговый сигнал преобразуется в цифровой (двоичный) формат. В результате этого процесса вы теряете часть качества звука.

Как видно ниже, записываемая цифровая волна отличается от исходной аналоговой звуковой волны, потому что вы сэмплируете волну только определенное количество раз в секунду. Если вы хотите повысить качество записываемого звука, вам необходимо увеличить частоту дискретизации.

Факторы, влияющие на качество конечного звука записи, включают:

Качество записывающего оборудования (микрофон и звуковая карта)

Оригинальная аналоговая звуковая волна

Сохраненная цифровая звуковая волна

Разрешение/скорость

Разрешение и частота дискретизации

Частота выборки

Частота дискретизации — это количество раз в секунду, когда звуковые данные записываются/сохраняются/передаются.

Разрешение выборки

Разрешение выборки — это уровень детализации, с которым записывается амплитуда волны, и определяется количеством битов, используемых для хранения каждой выборки.


Разрешение выборки Google Slides и частота выборки

Размеры файлов

Размеры файлов

Рассчитать размер звукового файла RAW/WAV (несжатого) довольно просто

Размер в битах = длина файла (сек) x частота дискретизации (в Гц) x разрешение дискретизации (в битах) x количество каналов (моно = 1, стерео = 2)

Размер в байтах = размер в битах / 8

Пример

  • трек 3 минуты 30 секунд (210 секунд)
  • Стерео
  • Частота дискретизации 44 кГц.
  • 16-битное разрешение выборки

= 210 x 44 000 x 16 x 2

Это большой размер файла (в 10 раз больше размера файла MP3 для песни такой длины). Обычно используется сжатие.

двоичные сигналы, цифровая связь, информационные технологии

Автомобиль выезжает из туннеля Сион-Маунт-Кармель в Национальном парке Сион, штат Юта. Предоставлено: Викисклад.

Наконец-то лето! Вы и ваша семья находитесь в путешествии по пересеченной местности. У вас включено радио, и вы все подпеваете своей любимой песне. Вы проезжаете тоннель, и музыка останавливается. Если вы слушаете местную радиостанцию, музыка станет статической, но если вы слушаете спутниковое радио, музыка полностью замолкнет. Радио, будь то спутник или эфир, передается в виде сигнала, который интерпретируется вашим устройством. Если вы слушаете спутниковое радио, сигнал будет цифровым, а если вы слушаете вещание или «эфирное» радио, то сигнал будет аналоговым. В следующих упражнениях мы больше узнаем об особенностях цифровых и аналоговых сигналов, моделируя, как эти два типа сигналов передаются и используются для хранения информации.

Аналоговый или обычный Цифровые сигналы

Цифровые и аналоговые сигналы передаются посредством электромагнитных волн. Изменения частоты и амплитуды создают музыку, которую вы слушаете, или изображения, которые вы видите на экране. Аналоговые сигналы состоят из непрерывных волн, которые могут иметь любые значения частоты и амплитуды. Эти волны бывают гладкими и изогнутыми. С другой стороны, цифровые сигналы состоят из точных значений единиц и нулей. Цифровые волны имеют ступенчатый вид.

Аналоговые сигналы подвержены искажениям, поскольку даже небольшие ошибки в амплитуде или частоте волны изменят исходный сигнал. Цифровые сигналы являются более надежной формой передачи информации, поскольку ошибка в значении амплитуды или частоты должна быть очень большой, чтобы вызвать переход к другому значению.

Аналоговый цифровой
Сигналы состоят из бесконечного числа возможных значений. Сигналы состоят только из двух возможных значений: 0 или 1.
Звуковые сигналы могут плавно изменяться по громкости и высоте. Сигнал переходит от одного значения к другому.

Эти два типа сигналов используются для связи и отправки информации в различных формах, таких как радиопередача, текстовые сообщения, телефонные звонки, потоковое видео и видеоигры. Они также могут использоваться для хранения информации и данных. Хранилище данных используется крупными компаниями, такими как банки, для хранения записей. Частные лица также используют хранилище данных в личных целях, например для хранения файлов, фотографий, результатов игр и многого другого.

Узнайте больше о возможностях хранения данных в серии статей Science Friday, File Not Found .

Призраки в барабанах

Интерьер ленточной библиотеки StorageTek в NERSC. Предоставлено: Викисклад.

Упражнение 1: Моделирование сигнала связи

В этом упражнении учащиеся будут моделировать отправку аналоговых и цифровых сигналов, как в детской игре «телефон», но в форме копирования серии рисунков. Это упражнение моделирует ключевые различия между цифровыми и аналоговыми сигналами в их разрешении и точности сигнала. Учащиеся выполнят две симуляции: одну, имитирующую многократную передачу аналогового сигнала, и одну, имитирующую многократную передачу цифрового сигнала.

Аналоговые изображения состоят из закругленных линий, чтобы показать, что аналоговые волны могут иметь бесконечные значения.

Цифровые изображения состоят из прямых линий, которые следуют сеткам на раздаточном материале, показывая, как цифровые сигналы состоят из квантованных значений.

Материалы

— Черная ручка или маркер с тонким наконечником (учащимся не разрешается несколько попыток воссоздать изображение)

— Одна копия каждого из 5 цифровых и 5 аналоговых пришельцев на таблицу (по одному типу пришельцев на человека) со страниц чертежей моделирования сигналов связи

Настройка учителя

  1. Разбейтесь на группы по пять человек вокруг стола. (Пять – это количество инопланетян, представленное в наборе, а также предоставляет учащимся оптимальные возможности для рисования заданных инопланетян.)

Моделирование сигнала связи Указания для учащихся

Мы собираемся смоделировать обмен сообщениями во времени и на расстоянии. Это задание требует передачи бумаги от человека к человеку, чтобы каждый человек воспроизвел на ней рисунок, а затем передал его следующему человеку за вашим столом. Передача бумаги и воспроизведение рисунка имитируют время и пространство, по которым распространяются сигналы. В первой части задания мы будем моделировать аналоговые сигналы. Во второй части мы будем моделировать цифровые технологии.

  1. Разрежьте бумагу по пунктирной линии и склейте две половинки встык.
  2. В сетке справа от инопланетянина используйте ручку или маркер, чтобы максимально перерисовать изображение инопланетянина. Вам не разрешается стирать или исправлять свой рисунок. Вам будет дано две минуты, чтобы завершить рисунок.

Вопросы об активности

(Заполнить после аналогового и цифрового раундов)

Разверните свои рисунки инопланетян и посмотрите на изображения, нарисованные во время игры.

– Сравните исходное изображение с окончательным рисунком. Определите и опишите сходства и различия между двумя изображениями.

– Наблюдайте за развитием рисунков во время занятия. Определите и опишите, что изменилось во время каждого рисунка.

Примечание для учителя. В ходе аналогового моделирования учащиеся увидят, как крошечные изменения (искажения/шумы) в каждой копии изображения (сигнала) приводят к значительным искажениям конечного изображения после многократной передачи.

Сравнение аналогового и цифрового раундов

Сравните изображения из заданий 1-го и 2-го раундов.

– Какой раунд привел к более точному финальному жеребьевке? Подтвердите свой выбор доказательствами из упражнения.

Примечание для учителя. В моделировании цифрового раунда изображения инопланетян состоят из прямых линий, которые следуют сеткам на раздаточном материале, показывая, как цифровые сигналы состоят из квантованных или ограниченного числа значений. Когда учащиеся сравнивают изображения, переданные ими с помощью аналоговых и цифровых «сигналов», они заметят, что в изображении, переданном в цифровом виде, даже после многократной передачи мало искажений, в отличие от того, что они наблюдали, когда передавали изображение с помощью аналогового сигнала.

Предотвращение «цифрового темного века»

Задание 2. Сортировка цифровых и аналоговых сигналов

В этом упражнении учащиеся познакомятся с характеристиками цифровых и аналоговых сигналов и применят свои характеристики для выбора цифрового или аналогового хранилища для конкретного примера.

Материалы

Настройка учителя

  1. Разбейте учащихся на группы по три человека.
  2. Подготовьте и перемешайте набор карточек для каждой группы.
  3. Поделитесь критерием CER со студентами.

Указания для учащихся

  1. Рассортируйте изображения и утверждения по двум категориям: цифровые сигналы и аналоговые сигналы.
  2. Используйте отсортированные изображения и утверждения, чтобы направлять свои мысли при заполнении письменной подсказки.

Подсказка о написании

Какой тип сигнала вы бы предложили для записи очень подробной песни исчезающей птицы? Подтвердите свой выбор доказательствами из вашей карты. Используйте критерий «утверждения-доказательства-обоснование» (CER), чтобы помочь вам в написании.

Совместная программа преподавателей Science Friday 2019

Действие 3: Двоичное преобразование

В этом упражнении мы будем использовать двоичное кодирование для представления путей через ряд «высоких» и «низких» вариантов выбора, которые представляют, какой путь выбрать на логической карте. Учащиеся будут действовать как цифро-аналоговые преобразователи для декодирования двоичных импульсов и создания изображения путем преобразования импульсов в цветные пиксели.

Музыка, передаваемая в ваш автомобиль по спутниковому радио, и информация, хранящаяся в библиотеках данных, представляют собой цифровые сигналы, использующие двоичную систему. В двоичной системе есть только две цифры, 1 и 0. Значение или значение этих цифр может варьироваться. Например, они могут обозначать «истина» и «ложь», «включено» и «выключено» или «высокое» и «низкое».

На этом рисунке показано, как можно использовать двоичное кодирование для представления путей с помощью ряда «высоких» и «низких» вариантов. Следование двоичному коду укажет путь к логической карте и поможет найти нужные цвета.

«1» указывает на «высокий» путь, а «0» — на «низкий» путь. С помощью этой карты, называемой «картой логических ворот», двоичная последовательность 0 и 1 может указывать, когда «идти вверх» или «идти вниз», передавая путь на карте для «кодирования» для цвета. Например, используя приведенную выше логическую карту, 010 будет означать, что «0» идет вниз, «1» идет вверх, «0» идет вниз. Это будет кодировать зеленый цвет.

Теперь вы попробуете

Используйте эту таблицу, чтобы определить, какой цвет будет кодироваться числом 111?

Если вы закончили черным цветом, вы его получили!

Цифровые сигналы передаются на компьютеры в виде электронных сигналов, посылаемых в виде импульсов. Цифровое устройство интерпретирует напряжение каждого импульса как 0 или 1. На изображении ниже показан пример оцифрованной волны.

Используя этот график, где красные линии в верхней части представляют собой «1», а красные линии в нижней части представляют «0», вы можете видеть, что вся красная линия представляет собой последовательность единиц и нулей. вверху графика: 11001110111011.

Если бы нам нужно было использовать каждую группу из трех чисел, чтобы найти соответствующий цвет в таблице выше, мы бы использовали:

110 — розовый
011 — синий
101 — красный

Пояснения к пикселям

Большинство электронных устройств, таких как смартфоны, компьютеры и телевизоры, используют технологию жидкокристаллических дисплеев (ЖК-дисплеев). Экран состоит из миллионов крошечных кусочков, называемых пикселями. Электронное устройство получает закодированную информацию в виде цифровых сигналов и использует электричество для управления цветом пикселей. Каждый крошечный пиксель просто меняет один цвет на другой в зависимости от электрического сигнала, но, поскольку пиксели настолько малы, что ваш глаз улавливает движение на общем изображении. Удивительным примером этого в природе являются чешуйки или «пиксели» на изображении крыла бабочки ниже и в этом классном видео.

Сложные узоры на крыльях мотылька состоят из отдельных клеток, которые выражают разные цвета. Предоставлено: Викисклад.

Как работает задание?

Каждому учащемуся назначается цифровой волновой график, как показано на рисунке ниже. Используя карту логических элементов, учащиеся будут декодировать сигнал в цвета пикселей для части мозаики.

Чтобы создать собственный мозаичный шедевр в классе, четыре класса дополняют панель большой фрески Post-it.

Фреска, созданная четырьмя классами, представляет собой сцену океана. Фото: Андреа ЛаРоса

Материалы

— Бумага формата Legal, разрезанная пополам по длине для этикеток с сеткой

— Восемь досок для плакатов размером 22×28 дюймов (рекомендуется использовать по две на класс):

— 2 стикера Post-it размером 2 дюйма:

— Примечание для преподавателей: из приведенных выше наборов получится полная мозаика с правильными цветами (154 стикера Post-it на плакат). Если стикеры Post-it недоступны, учащиеся могут раскрасить сетку маркерами.

Подготовка

Распечатайте бинарные последовательности учащихся и таблицы назначения сетки. Разрежьте эти листы по пунктирным линиям и дайте каждому учащемуся заданную последовательность и соответствующую таблицу сетки. Ваша установка должна выглядеть так:

Процедура для учащихся

Расшифровка: вы расшифруете 10-12 квадратов на сетке. Ниже приведен пример графа двоичной последовательности. Красная линия представляет собой цифровое представление сигнала. Используйте назначенный вам график сигнала и логическую карту, чтобы декодировать двоичную последовательность и цвет в таблице сетки. Прежде чем переходить к построению мозаики, уточните свои ответы у учителя.

Конструкция: получите количество и цвета стикеров для вашего участка мозаики. Поместите свои стикеры на соответствующие квадраты в сетке плакатной доски.

Совет учителю: создайте заранее размеченную доску для плакатов, чтобы помочь учащимся создать мозаику. Фото: Андреа ЛаРоса

Добавьте стикеры на сетку плаката в правильном порядке. При этом думайте о каждом квадрате на сетке как о пикселе, а о выборе цвета — как о результате обработки двоичного кода для получения правильного цвета!

— Что сделал ваш класс?

— Как вы думаете, можно ли создать руководство по двоичному коду для создания росписи?

Занятие 4: Моделирование сигнала и отражение двоичного преобразования

Материалы

Настройка учителя

  1. Поделитесь с учащимися раздаточным материалом «Имитация сигнала и отражение двоичного преобразования» и критерием CER.

Подсказка о написании

— Используйте следующие таблицы, чтобы определить, какой тип сигнала, цифровой или аналоговый, является более надежным способом кодирования и передачи информации. Предоставьте три доказательства, подтверждающие ваше утверждение, основанные на ваших выводах, полученных в ходе обучения по моделированию сигналов и бинарному преобразованию.

Читайте также: