Johdatus digitaalitekniikkaan

1. Johdatus digitaalitekniikkaan

2. Johdanto Tässä luvussa esitellään tiedon lajeja ja tiedolle tehtävää käsittelyä käsitellään tiedon analogista ja digitaalista esitystapaa ja niiden ominaisuuksia: etuja ja haittoja esitetään tiedon tallennuksen ja toiston yleinen kulku ja siihen liittyvä esimerkki esitetään tiedon siirron yleinen kulku ja siihen liittyvä esimerkki käsitellään tiedon analogisen ja digitaalisen tallennuksen ja siirron ominaisuuksia käsitellään tiedon muuntaminen esitystavasta toiseen Luvun tavoitteena on saada ymmärtämään tiedon analogisen ja digitaalisen esittämisen ja käsittelyn ominaisuudet ja erot antaa näkemystä tiedon digitaalisen esittämisen yleistymisen syihin auttaa ymmärtämään digitaalitekniikan käytön antamia etuja

3. Tiedon lajit ja sen käsittely Tiedon merkitys vaikutus ihmisten elämään tietoon liittyvät ammatit ja työtehtävät Tiedon esitysmuotoja teksti luvut, taulukot ja tietokannat ääni: puhe, musiikki, ääniviestintä liikkumaton kuva liikkuva kuva: televisio, video yhdistelmätieto (multimedia) Tiedon tallentaminen Tiedon muokkaaminen Tiedon siirtäminen Tiedon esittäminen

4. Tiedon esitystavat Analoginen (analog): kaikki arvot mahdollisia esimerkki nestelämpömittari 2 2 21,6123… °C 2 1 • Digitaalinen (digital): vain äärellinen määräeri vaihtoehtoja on sallittu • esimerkki digitaalinen lämpömittari • Digitaalinen tieto esitetään bitteinä (bit) • yhden bitin tiedolla on kaksi arvoa: symbolit esimerkiksi 0 ja 1 • arvoja vastaavat todellisissa laitteissa erilaiset jännitealueet L ja H 0 1 L H • Kun tarvitaan enemmän vaihtoehtoja, käytetään koodausta: useita bittejä ryhmiteltyinä • esimerkki ASCII-koodista: 1001001 = E ja 0110011 = 3 Digital Thermometer 21,6 °C 0110011 ? 1 ? 2

5. Tallennettava tieto saadaan tietolähteestä Tieto muunnetaan tallennukseen sopivaan muotoon Tietoa muokataan Tieto tallennetaan tietoalustalle Tallennus voidaan tehdä joko analogisena tai digitaalisena Toistettaessa tehdään edellä esitetyt vaiheet päinvastoin Tiedon tallennus ja toisto Tieto- lähde Muunnin Muokkain Tieto- alusta Tieto- alusta Muokkain Muunnin Tiedon käyttäjä

6. Esimerkki: puheen tallennus magneettinauhalle

7. Tiedon siirto Siirrettävä tieto saadaan tietolähteestä Tieto muunnetaan sähköiseen muotoon Tietoa muokataan siirtoa varten sovitetaan siirtotien kapasiteettiin sovitetaan siirtotien fyysisiin vaatimuksiin Tieto lähetetään siirtotielle Siirto voidaan tehdä joko analogisena tai digitaalisena Vastaanotettaessa tehdään edellä esitetyt vaiheet päinvastaisessa järjestyksessä Siirto- tie Tieto- lähde Muun- nin Muok- kain Muok- kain Muun- nin Tiedon käyttäjä

8. Esimerkki: puheen siirto puhelinverkossa Siirtotie

9. Analogisen tallennuksen ja siirron ominaisuudet Signaalin arvo on samalla tiedon arvo Tallennettaessa signaali vääristyy tieto muuttuu tallennettu signaali vaimenee ja vääristyy, “kuluu” ajan mukana toistettaessa saadaan esille vääristynyt signaali Siirrettäessä signaali vaimenee ja vääristyy tieto muuttuu vahvistettaessa signaalia vahvistetaan myös häiriöitä häiriötyyppejä: särö kohina hurina impulssihäiriöt Analogisessa esitystavassa kaikki tiedon arvot ovat mahdollisia vääristymää ei voida kokonaan erottaa varsinaisesta signaalista vääristymiä voidaan estää tai korjata vain hyvin rajoitetusti tieto muuttuu aina, joskus vähän, joskus paljonkin

10. Digitaalisen tallennuksen ja siirron ominaisuudet Signaalin arvo ei ole tiedon arvo, vaan tietty signaalin arvoalue vastaa tiettyä tiedon arvoa (esimerkiksi 0 tai 1) Signaali vääristyy tallennettaessa, mutta siihen sisältyvä tieto ei vääristy Tallennettu signaali vaimenee ja vääristyy, “kuluu” ajan mukana, mutta toistettaessa saadaan kuitenkin esille alkuperäinen tieto Signaali vaimenee ja vääristyy siirrettäessä, mutta se voidaan regeneroida toistimella alkuperäiseksi Mikäli häiriö on hyvin voimakas, syntyy bittivirheitä virheellisten bittien osuus kaikista = bittivirhesuhde(Bit Error Ratio,BER) käytännössä esim, puheen siirrossa noin 10-6 (sähköinen siirto) tai 10-9 (optinen siirto), uusissa järjestelmissä jopa 10-12 ... 10-15 bittivirheitä voidaan korjata käyttämällä virheen korjaavaa koodausta Vääristymät ja virheet voidaan korjata, koska tiedolla on vain harvoja sallittuja arvoja 1 0 BER

11. Signaali lähetetään siirtokoodattuina pulsseina Toistin regeneroi eli uudistaa pulssit Siirtotien osalla 2 siirtovirhe: 1  0 Signaalin regenerointi digitaalisessa siirrossa Lähetin...11010... Siirtotie, osa 1 Toistin...11010... Siirtotie, osa 2 Vastaanotin...11000... KohinaaHäiriöitäVaimennusta KohinaaHäiriöitäVaimennusta Bittivirhe +V +V t +V t +V t t -V -V 11010 11010 -V -V Häiriö

12. Lukujen esitys digitaalilaitteissa: binaariluvut Digitaalilaitteissa esitetään ja käsitellään usein lukuja laskimet kellot tietokoneet Bitillä on kaksi arvoa: 0 ja 1 Kaksi- eli binaarilukujärjestelmässä tarvitaan kaksi numeroa: 0 ja 1  binaarijärjestelmä sopii hyvin digitaalilaitteisiin Binaariluvussa käytetään samaa esitystapaa ja tulkintaa kuin kymmenjärjestelmän luvussakin, mutta kantaluku on 2 Esitystapa: BnBn-1 … B2B1B0 Tulkinta: B = Bn ·2n + Bn-1 ·2n-1 + … + B2 ·22 + B1 ·21 + B0 ·20 Esimerkki: 10101 = 1·24+ 0·23+ 1·22+ 0·21+ 1·20 (= 21) 0 1 ? 3

13. Lukujen esityspituus Paperilla esitetään vain tarvittava määrä numeroita Digitaalilaitteissa luvut ovat rekistereissä tai muistipaikoissa vakiomäärä bittejä alussa tarvittaessa nollia Esimerkki: oikealla on esitetty luvut 0…15nelibittisinä binaarilukuina Binaarilukuja ja niillä laskemista käsitellään lähemmin oppikirjan luvuissa 7 - 9 jaopetuskalvosarjan luvuissa 9 - 11 Binaari Desimaali 0000 0 0001 1 0010 2 0011 3 0100 4 0101 5 0110 6 0111 7 1000 8 1001 9 1010 10 1011 11 1100 12 1101 13 1110 14 1111 15 00110001

14. Tiedon muuntaminen esitystavasta toiseen Tieto on usein aluksi analogisessa muodossa mikrofonista saatavat äänisignaalit videokamerasta saatava analoginen kuvasignaali analogisista antureista (lämpötila, paine, kosteus …) saatavat signaalit Halutaan käyttää hyväksi digitaalisen tiedon muokkauksen, siirron ja tallennuksen etuja Tieto halutaan toistaa analogisessa muodossa analogiset signaalit kuulokkeisiin tai kaiuttimiin TV:n tai PC:n kuvapisteiden analogiset ohjaussignaalit analogisten toimilaitteiden ja mittareiden ohjaus On siis muunnettava tietoa analogisesta digitaaliseksi ja digitaalisesta analogiseksi Periaatteessa on useita tapoja tehdä muunnos Seuraavassa esitetään käytännössä yleinen tapa, joka voidaan toteuttaa useilla eri menetelmillä AD DA

15. Analogia-digitaalimuunnos Analogia-digitaalimuunnoksen eli A/D-muunnoksen (A/D conversion) vaiheet suodatus (filtering) näytteenotto (sampling) määrävälein (näytteenottoväli ts) eli tietyllä näytteenottotaajuudella (näytteenottovälin käänteisluku fs = 1/ts) näytteiden kvantisointi (quantization) eli varsinainen muunnos kvantisoitujen näytteiden koodaus (coding) Muunnoksessa aiheutetaan virheitä signaaliin laskostumisvirhe, joka johtuu puutteellisesta suodatuksesta kvantisointivirhe eli kvantisointisärö eli kvantisointikohina Muunnoksen virheitä voidaan pienentää riittävän pieni näyteväli (pieni laskostumisvirhe) riittävästi kvantisointitasoja eli bittejä koodissa (pieni kvantisointivirhe) Virheiden pienentäminen lisää kustannuksia virheet tehdään käyttötarkoitukseen nähden riittävän pieniksi tekniikan kehittyessä lisäkustannukset vähenevät fs=1/ts AD

16. Analogia-digitaalimuunnosesimerkki 7 (111) 6 (110) Alkuperäinen analoginen signaali 5 (101) Kvanti-soitunäyte 4 (100) Näyte 3 (011) Suodatettu analoginensignaali 2 (010) 1 (001) t 0 (000) + V 1 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1 Signaalikoodattuna - V AD

17. Digitaali-analogiamuunnos Digitaali-analogiamuunnoksen eli D/A-muunnoksen (D/A-conversion) vaiheet dekoodaus (decoding) analogisten jännitearvojen muodostus ja sijoitus peräkkäin vakiovälein pitopiirillä (hold circuit) tehtävä “venytys” suodatus Digitaali-analogiamuunnosta tarvitaan myös digitaalitekniikalla tehtyjen signaalien muuntamiseen ihmiselle sopivaan muotoon tekopuhe, esimerkiksi PC “puhuu” tekstitiedoston osa tietokonemusiikista tietokoneohjelmilla piirretyt kaaviot ja kuvat kuva-animaatiot, esimerkiksi tietokoneella toteutetut elokuvat tai efektit tietokonetaide DA

18. Digitaali-analogiamuunnosesimerkki + V Koodattu signaali 1 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1 - V Pitopiirillä muodostettu analoginen signaali 111 (7) 110 (6) 101 (5) Suodatettu analoginen signaali 100 (4) 011 (3) Koodia vastaava arvo 010 (2) 001 (1) t 000 (0) DA

19. Yhteenveto Tietoa esitetään tekstinä, lukuina, taulukoina, tietokantoina, äänenä, liikkumattomina kuvina, liikkuvana kuvana ja yhdistelmätietona Tietoa esitetään analogisessa ja digitaalisessa muodossa Digitaalinen tieto esitetään bitteinä Tietoa tallennettaessa/siirrettäessä se muunnetaan sähköiseen muotoon, muokataan ja tallennetaan tietovälineelle/lähetetään siirtotielle Analogisessa tallennuksessa ja siirrossa tietoon syntyvää vääristymää ei voida poistaa, mutta digitaalisessa tietyin edellytyksin voidaan Voimakas häiriö aiheuttaa bittivirheitä: bittivirhesuhde Digitaalisessa siirrossa signaali voidaan regeneroida alkuperäiseksi Digitaalilaitteissa luvut esitetään yleensä binaarilukuina Analogia-digitaalimuunnoksessa signaali suodatetaan, siitä otetaan näytteitä ja näytteet kvantisoidaan ja koodataan Syntyvä laskostumis- ja kvantisointivirhe voidaan tehdä riittävän pieniksi Digitaali-analogiamuunnoksessa signaali dekoodataan, muodostetaan analogiset arvot, venytetään arvoja pitopiirillä ja suodatetaan