...И мир загадочный за занавесом цифр. Цифровая связь
Шрифт:
Да, в оркестре дирижер - самая главная фигура. Кстати, в переводе с французского diriger означает "управлять". Он и в самом деле управляет этой сложной организацией - оркестром: тщательно выдерживает темп исполнения музыкального произведения, вовремя указывает, когда нужно вступить тому или иному инструменту. Ведь если даже один исполнитель будет играть в другом темпе, красивого и слаженного звучания оркестра не получится.
Попробуйте представить себе ситуацию, когда при исполнении "Первого концерта для фортепиано с оркестром" П.И. Чайковского пианист играл бы вдвое быстрее. Если бы такой концерт состоялся, то пианист закончил бы свою партию намного раньше других, раскланялся и ушел со сцены, а оркестр продолжал бы выступление. Нелепость такой ситуации очевидна. Или вообразите себе "дирижера-новатора", который умеет идеально поддерживать темп исполнения, но с целью сокращения времени концерта предложил бы всем инструментам оркестра начать свои партии одновременно, т. е. не так, как это указано в
Но не всякий любит ходить в театр. Кто-то предпочитает слушать музыку, расположившись в мягком и удобном домашнем кресле. Ну что же, для этого у нас существует трансляция концертов из театров и концертных залов. Включайте радиоприемник и наслаждайтесь. Правда, не очень естественно, когда звучание целого оркестра исходит из одной точки - громкоговорителя. Чтобы полностью передать звуковую панораму реальной сцены, необходимо установить несколько (чем больше, тем лучше) микрофонов, передать от них сигналы по отдельным каналам (конечно же, превратив их в потоки цифр) и подать принятые сигналы на свои громкоговорители. Конечно, это очень сложно и дорого. Поэтому сейчас повсеместно принята стереофоническая система передачи, требующая всего два микрофона и два громкоговорителя. Подавайте отвлечемся ненадолго от реальности с ее суровыми экономическими законами и позволим себе, хотя бы только в нашем воображении, увидеть оркестр, где перед 30 исполнителями установлены 30 микрофонов, а также большую домашнюю залу, в которой вы, читатель, уютно устроились перед 30 небольшими громкоговорителями, расставленными в том же порядке, что и микрофоны на сцене. Вы закрываете глаза и погружаетесь в волнующий мир бессмертной музыки Чайковского. Создается полная иллюзия присутствия в концертном зале.
Но что это? Почему вдруг вместо прекрасной мелодии мы слышим жуткую какофонию, почему снова возник хаос звуков? Может, дирижер покинул свой пульт, бросив оркестр на произвол судьбы? Нет, с ним все в порядке, он у пульта. Да и оркестр по-прежнему покоряет своим виртуозным исполнением публику, сидящую в зале. Оказалось, что управление отсутствует не в оркестровой яме, а в цифровой системе передачи, которую мы использовали для трансляции концерта. "Двери", пропускающие токи музыкальных звуков каждого канала, на передаче и приеме стали открываться не синхронно, не в такт, а "хлопать" как попало, ЦАП свои действия перестал "согласовывать" с действиями АЦП и принялся "расшифровывать" совсем не те "куски" цифрового потока. Это-то и стало причиной музыкального тарарама. Значит, и в нашей системе передачи, этом своеобразном "цифровом оркестре", нужен свой "дирижер", который управлял бы действиями всех "исполнителей" - мультиплексоров, АЦП, ЦАП и других, отбивая единый такт и обеспечивая тем самым их синхронную работу.
Проблема обеспечения синхронной работы различных устройств в технике не нова. Взять хотя бы обычный автомобильный двигатель. В его цилиндрах создается поступательное движение поршней, которое преобразуется с помощью коленчатого вала во вращение колес автомобиля. Все узлы двигателя должны работать строго синхронно. Когда в первом цилиндре происходит всасывание горючего, поршень идет вниз, открывается клапан и впрыскивается топливо, во втором цилиндре идет такт сжатия - поршень движется вверх, все клапаны закрыты. Одновременно в третьем цилиндре воспламеняется горючая смесь. Следовательно, нужно своевременно подать высокое напряжение на свечу именно данного цилиндра и вызвать искру между ее электродами. Делает это специальный распределитель. Но есть еще и четвертый цилиндр. В нем в данный момент-рабочий такт, т. е. поршень идет вниз и "крутит" коленчатый вал, открывается клапан для выпускания отработанных газов. Указанные процессы - открытие и закрытие клапанов, воспламенение смеси и т.д.
– должны выполняться, еще раз подчеркнем, согласованно, вовремя, строго "по расписанию". Иначе двигатель будет "барахлить", а то и откажет вовсе. Управляет всеми описанными процессами специальная механическая система синхронизации.
Существуют и природные системы синхронизации. Как полагают ученые, биоритмы нашего организма, которые связаны со всеобщим суточным ритмом, синхронизируются естественным электромагнитным полем планеты.
В лесу часто можно встретить живые фонарики - светлячков. Нередко они собираются большими компаниями и общими усилиями неплохо освещают какой-нибудь куст на лесной поляне. Но что удивительно, есть светлячки, которые пользуются мигающим светом, причем они синхронизируют работу своих светильников, зажигая их все разом. Такие вспышки в ночном лесу хорошо видны. Интересно, какой принцип положен в основу подобной системы синхронизации?
В книге "Жизнь лесных дебрей" Б.Ф. Сергеева можно встретить описание еще одной весьма любопытной синхронной деятельности светлячков: "Одна часть светлячков, обычно представители слабого пола, не зажигая сигнальных огней, чтобы не привлекать внимания хищников, спокойно
ждет появления самцов, с комфортом устроившись в траве или в ветвях деревьев. С наступлением темноты женихи отправляются на поиски, вспышками своих фонариков методично посылая световые призывы. Заметив сигнал, самка немедленно отвечает. Чтобы крылатый кавалер не ошибся, самка на каждую вспышку его фонарика отвечает своей, загораясь через строго определенный интервал после призыва самца. Свет ее фонарика служит для самца маяком, помогая разыскать невесту, а интервал - удостоверением личности, позволяющим установить видовую принадлежность откликнувшейся дамы. У этих насекомых точные хронометры и во время смотрин ошибок практически не бывает". Ну чем не материал для рубрики "Их нравы"?Вернемся все же к цифровой системе передачи. Итак, совершенно ясно, что такие устройства, как АЦП и ЦАП, должны работать, как говорится, в такт, синхронно. Если, скажем, АЦП выдает 8-разрядные кодовые слова:
где каждый бит появляется через строго определенные интервалы времени - такты, то, чтобы ЦАП расшифровывал именно эти кодовые комбинации, он должен "выбирать" биты из последовательности точно через те же интервалы, в те же такты. Думаем, вы не забыли, что в цифровой системе передачи такты отбивают специальные микросхемы - генераторы тактовых импульсов (ГТИ), которые имеются как на передающей, так и на приемной сторонах. Это они дают "указания", когда АЦП выдавать, а ЦАПу соответственно принимать очередной бит. Но как согласовать действия этих генераторов, если передающая и приемная станции разделены порой тысячами верст земной тверди или холодным безмолвием космического пространства?
Древние говорили: "Нельзя дважды войти в одну и ту же реку". Можно перефразировать эту древнюю мудрость: "Нельзя изготовить два абсолютно одинаковых генератора". Кроме того, на работу микросхем влияют температура окружающего воздуха, его влажность, изменение напряжения питания и другие факторы. В результате интервалы между управляющими (тактовыми) импульсами на передающей и приемной станциях могут существенно отличаться друг от друга.
Посмотрим, что будет, если тактовые импульсы при приеме информации подаются на микросхемы в 2 раза реже, чем при ее передаче. Разумеется, такой большой разницы на практике не бывает, но это предположение позволит лучше понять, что произойдет. Поскольку ЦАП получает "разрешение" в 2 раза реже, чем это необходимо, он и работает в 2 раза медленнее. Поэтому он примет в свое "чрево" для расшифровки не каждый бит, а лишь через один:
10110010 | 10000010...,
и, следовательно, декодирует совсем не ту последовательность, которая передана. Какие эмоции это вызовет у потребителя информации, догадаться нетрудно. К сожалению, искажение информации случается даже при очень небольших расхождениях длин тактовых интервалов, так как с течением времени все равно наступит момент, когда ЦАП начнет "ошибаться" в выборе битов.
Несинхронность генераторов тактовых импульсов передающей и приемной станций скажется также и на том, что "двери" мультиплексора будут открываться не в такт друг с другом. Как в случае несовпадения скоростей вращения щеток в распределителях Бодо, информация из одного канала передающей станции будет попадать совсем в другой канал приемной станции.
Ну как тут пользователям цифровой связью удержаться от вопросов, которые, по образному выражению поэта, "вылязгивала" в оркестре глупая тарелка: "Что это? Как это?"
Вывод из всего сказанного один: нужно синхронизировать работу генераторов передающей и приемной станций на каждом такте. Для этого достаточно иметь на приемной стороне сведения о том, сколько импульсов в секунду вырабатывает генератор противоположной стороны, т. е. частоту следования импульсов, и управлять генератором приемной станции так, чтобы он выдавал импульсы с той же частотой (такое же количество в секунду). И, конечно же, управление генератором должно производиться автоматически, без участия человека. Но как на приемной стороне узнать, с какой частотой отбиваются такты за тысячи верст от нее? Вот в чем вопрос.
Во время путешествия на яхте по рекам Европы летом 1905 г. великий французский композитор Морис Равель посетил крупный завод, расположенный на берегу Рейна. Увиденное там буквально потрясло композитора. В одном из своих писем он рассказывает: "То, что я видел вчера, врезалось мне в память и сохранится навсегда... Это гигантский литейный завод, на котором круглые сутки работает 24000 человек... Как передать вам впечатление от этого царства металла, этих пылающих храмов огня, от этой чудесной симфонии свистков, шума приводных ремней, грохота молота, которые обрушиваются на вас со всех сторон. Как это музыкально! Непременно использую...". Свой замысел композитор воплотил в жизнь лишь спустя почти четверть века. В 1928 г. была написана музыка для небольшого балета "Болеро", ставшего самым значительным произведением Равеля. В музыке явственно слышатся индустриальные ритмы - более 4000 ударов барабана за 17 минут звучания. Поистине симфония ритма. В "Болеро" Равеля барабан является солистом оркестра, он не умолкает на протяжении всего произведения, четко отбивая ритм испанского танца.