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. 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 Tiedon esitystavat • Analoginen (analog): kaikki arvot mahdollisia • esimerkki nestelämpömittari ? 1 ? 2 ? 3

5. Tiedon tallennus ja toisto • 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 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. Siirtotie Esimerkki: puheen siirto puhelinverkossa

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 BER ? 4

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

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 ? 5

13. Lukujen esityspituus 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 • 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 00110001

14. Tiedon muuntaminen esitystavasta toiseen AD • 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 muunnettava tietoa analogisesta digitaaliseksi ja digitaalisesta analogiseksi • Periaatteessa on useita tapoja tehdä muunnos • Seuraavassa esitetään käytännössä yleinen tapa, joka voidaan toteuttaa useilla eri menetelmillä DA

15. fs=1/ts 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 ? 6 AD

16. 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 Analogia-digitaalimuunnosesimerkki 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. + 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) Digitaali-analogiamuunnosesimerkki 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