Цифровые данные

Цифровые часы . Время, отображаемое цифрами на циферблате в любой момент времени, является цифровыми данными. Фактическое точное время представляет собой аналоговые данные.

Цифровые данные в теории информации и информационных системах — это информация, представленная в виде строки дискретных символов, каждый из которых может принимать одно из конечного числа значений из некоторого алфавита , например буквы или цифры. Примером может служить текстовый документ , который состоит из строки буквенно-цифровых символов . Наиболее распространенной формой цифровых данных в современных информационных системах являются двоичные данные , которые представлены строкой двоичных цифр (битов), каждая из которых может иметь одно из двух значений: 0 или 1.

Цифровые данные можно противопоставить аналоговым данным , которые представлены значением из непрерывного диапазона действительных чисел . Аналоговые данные передаются с помощью аналогового сигнала , который не только принимает непрерывные значения, но и может непрерывно изменяться со временем, что является непрерывной действительной функцией времени. Примером является изменение давления воздуха в звуковой волне .

Слово « цифровой» происходит от того же источника, что и слова «цифра» и «цифра » ( латинское слово, обозначающее палец ), поскольку пальцы часто используются для счета. Математик Джордж Стибиц из Bell Telephone Laboratories использовал слово « цифровой» в отношении быстрых электрических импульсов, излучаемых устройством, предназначенным для прицеливания и стрельбы из зенитных орудий, в 1942 году. ^[1] Этот термин чаще всего используется в вычислительной технике и электронике , особенно там, где Реальная информация преобразуется в двоичную числовую форму, как в цифровом аудио и цифровой фотографии .

Преобразование символов в цифру

Поскольку символы (например, буквенно-цифровые символы ) не являются непрерывными, представление символов в цифровом виде гораздо проще, чем преобразование непрерывной или аналоговой информации в цифровую. Вместо дискретизации и квантования , как при аналого-цифровом преобразовании , используются такие методы, как опрос и кодирование .

Устройство ввода символов обычно состоит из группы переключателей, которые через регулярные промежутки времени опрашиваются, чтобы определить, какие переключатели переключены. Данные будут потеряны, если в течение одного интервала опроса будут нажаты два переключателя или переключатель будет нажат, отпущен и нажат снова. Этот опрос может выполняться специализированным процессором устройства, чтобы предотвратить нагрузку на основной процессор . ^[2] Когда введен новый символ, устройство обычно отправляет прерывание в специальном формате, чтобы ЦП мог его прочитать.

Для устройств, имеющих всего несколько переключателей (например, кнопки на джойстике ) , состояние каждого из них может быть закодировано в виде битов (обычно 0 — отпущено, 1 — нажато) в одном слове. Это полезно, когда комбинации нажатий клавиш имеют смысл, и иногда используется для передачи статуса клавиш-модификаторов на клавиатуре (например, Shift и Control). Но он не масштабируется для поддержки большего количества ключей, чем количество битов в одном байте или слове.

Устройства с множеством переключателей (например, компьютерная клавиатура ) обычно располагают эти переключатели в матрице сканирования, при этом отдельные переключатели располагаются на пересечении линий x и y. Когда переключатель нажат, он соединяет соответствующие линии x и y вместе. Опрос (в данном случае часто называемый сканированием) выполняется путем последовательной активации каждой линии x и определения того, какие строки y затем имеют сигнал и , следовательно, какие клавиши нажимаются. Когда процессор клавиатуры обнаруживает, что клавиша изменила состояние, он отправляет сигнал в ЦП, указывающий скан-код клавиши и ее новое состояние. Затем символ кодируется или преобразуется в число в зависимости от состояния клавиш-модификаторов и желаемой кодировки символов .

Пользовательскую кодировку можно использовать для конкретного приложения без потери данных. Однако использование стандартной кодировки, такой как ASCII, проблематично, если такой символ, как «ß», необходимо преобразовать, но его нет в стандарте.

Подсчитано, что в 1986 году менее 1% мировых технологических возможностей хранения информации были цифровыми, а в 2007 году они составили уже 94%. ^[3] Предполагается, что 2002 год станет годом, когда человечество смогло хранить больше информации в цифровом, чем в аналоговом формате («начало цифровой эпохи »). ^[4]^[5]

состояния

Цифровые данные находятся в трех состояниях: данные в состоянии покоя , данные в пути и данные в использовании . Конфиденциальностью , целостностью и доступностью необходимо управлять на протяжении всего жизненного цикла, от «рождения» до уничтожения данных. ^[6]

Свойства цифровой информации

Вся цифровая информация обладает общими свойствами, которые отличают ее от аналоговых данных в отношении связи:

Синхронизация. Поскольку цифровая информация передается в виде последовательности символов, все цифровые схемы имеют некоторый метод определения начала последовательности. В письменных или устных человеческих языках синхронизация обычно обеспечивается паузами (пробелами), использованием заглавных букв и знаков препинания . Машинная связь обычно использует специальные последовательности синхронизации .
Язык: Все цифровые коммуникации требуют формального языка , который в этом контексте состоит из всей информации, которой отправитель и получатель цифрового сообщения должны заранее владеть, чтобы общение было успешным. Языки, как правило, произвольны и определяют значение, которое должно быть присвоено конкретным последовательностям символов, допустимый диапазон значений, методы, используемые для синхронизации и т. д.
Ошибки: Помехи ( шум ) в аналоговой связи неизменно приводят к некоторым, как правило, небольшим отклонениям или ошибкам между предполагаемой и фактической связью. Нарушения в цифровой связи приводят к ошибкам только тогда, когда помехи настолько велики, что приводят к неправильной интерпретации символа как другого символа или нарушению последовательности символов. Как правило, можно обеспечить практически безошибочную цифровую связь. Кроме того, для обнаружения ошибок и их исправления посредством избыточности или повторной передачи можно использовать такие методы, как контрольные коды . Ошибки в цифровой связи могут принимать форму ошибок замены, при которых один символ заменяется другим символом, или ошибок вставки/удаления , при которых дополнительный неправильный символ вставляется в цифровое сообщение или удаляется из него. Неисправленные ошибки в цифровой связи оказывают непредсказуемое и, как правило, большое влияние на информационное содержание связи.
Копирование : Из-за неизбежного присутствия шума создание множества последовательных копий аналогового сообщения невозможно, поскольку каждое поколение увеличивает шум. Поскольку цифровые коммуникации, как правило, безошибочны, копии копий можно делать бесконечно.
Детализация : цифровое представление непрерывно изменяющейся аналоговой величины обычно включает в себя выбор количества символов, которые будут присвоены этому значению. Количество символов определяет точность или разрешение результирующих данных. Разница между фактическим аналоговым значением и цифровым представлением известна как ошибка квантования . Например, если фактическая температура равна 23,234456544453 градуса, но этому параметру в конкретном цифровом представлении присвоены только две цифры (23), ошибка квантования составит 0,234456544453. Это свойство цифровой связи известно как гранулярность .
Сжимаемость : По словам Миллера, «несжатые цифровые данные очень велики, и в необработанном виде они на самом деле будут генерировать больший сигнал (поэтому их труднее передавать), чем аналоговые данные. Однако цифровые данные можно сжимать. объем полосы пропускания, необходимый для отправки информации. Данные можно сжимать, отправлять, а затем распаковывать в месте потребления. Это позволяет отправлять гораздо больше информации и приводит, например, к цифровым телевизионным сигналам, предлагающим больше места в эфире. спектр для большего количества телевизионных каналов».^[5]

Исторические цифровые системы

Хотя цифровые сигналы обычно ассоциируются с двоичными электронными цифровыми системами, используемыми в современной электронике и вычислительной технике, цифровые системы на самом деле древние и не обязательно должны быть двоичными или электронными.

Генетический код ДНК — это естественная форма хранения цифровых данных.
Письменный текст (из-за ограниченного набора символов и использования дискретных символов – в большинстве случаев алфавита)
Счеты были созданы где-то между 1000 и 500 годами до нашей эры, позже они стали формой расчета частоты. В настоящее время его можно использовать как очень продвинутый, но простой цифровой калькулятор, в котором для представления чисел используются бусинки в рядах. Бусины имеют значение только в дискретных состояниях вверх и вниз, а не в аналоговых промежуточных состояниях.
Маяк — это , пожалуй, самый простой неэлектронный цифровой сигнал, имеющий всего два состояния (включено и выключено). В частности, сигналы дыма являются одним из старейших примеров цифрового сигнала, в котором аналоговая «несущая» (дым) модулируется с помощью покрытия для генерации цифрового сигнала (затяжек), передающего информацию.
В коде Морзе используются шесть цифровых состояний — точка, тире, внутрисимвольный пробел (между каждой точкой или тире), короткий пробел (между каждой буквой), средний пробел (между словами) и длинный пробел (между предложениями) — для отправки сообщений через различные потенциальные носители, такие как электричество или свет, например, использование электрического телеграфа или мигающего света.
Брайль использует шестибитный код, отображаемый в виде точечных рисунков .
Семафор флагов использует стержни или флаги, удерживаемые в определенных положениях, для отправки сообщений получателю, наблюдающему за ними на некотором расстоянии.
Международные морские сигнальные флаги имеют отличительную маркировку, представляющую буквы алфавита, позволяющие судам отправлять друг другу сообщения.
Совсем недавно был изобретен модем , который модулирует аналоговый «несущий» сигнал (например, звук) для кодирования двоичной электрической цифровой информации в виде серии двоичных цифровых звуковых импульсов. Чуть более ранняя, на удивление надежная версия той же концепции заключалась в объединении последовательности аудиоцифровой информации «сигнал» и «нет сигнала» (т. е. «звук» и «тишина») на магнитной кассете для использования с ранними домашними компьютерами .

Смотрите также

дальнейшее чтение

Точчи, Р. 2006. Цифровые системы: принципы и приложения (10-е издание). Прентис Холл. ISBN 0-13-172579-3