Текст книги "Открытия и изобретения ХХ века. Энциклопедия"

Глава 85

Цифровое телевидение

Идея создания системы цифрового телевидения появилась в 90-е годы ХХ века на волне всеобщей компьютеризации и сопутствующих ей изобретений новых методов передачи и хранения информации – оптических носителей DVD, оптоволоконных кабелей связи, новых методов компрессии звука и видео. Но реальностью цифровое телевидение становится только в наше время. Слишком много проблем приходится решать разработчикам. Но и плюсов от внедрения цифрового телевидения тоже очень много.

Что такое цифровое телевидение? Чем оно отличается от телевидения аналогового. И… когда «цифра» окончательно поселится в наших домах?

Начнём издалека и даже немного со стороны. У всех у нас есть сотовые телефоны. Чем качество связи по сотовым каналам отличается от традиционной проводной телефонной связи? Практически, ничем (если речь идёт о современных АТС), кроме того, что мы не привязаны проводом к телефонной розетке. Но сотовый телефон – это персональная радиостанция. Вспомним схожие устройства – милицейские рации, радиостанции СВ («Си-Би» – Citizen Band, радиостанции гражданского диапазона), которые установлены в автомобилях такси, ларьках, часто используются рыбаками, охотниками, туристами и просто любителями радиосвязи, маломощные детские радиостанции (тоже СВ, но однодиапазонные и очень небольшой мощности). Этих радиостанций огромное количество на транспорте, в промышленности и строительстве. С их помощью моряки связываются с портами, а крановщики – со стропальщиками.

Так вот, персональная радиосвязь – это всегда шум, треск, атмосферные помехи, «уходящая» волна, малоразборчивый голос и так далее. Качественная связь возможна в зоне прямой видимости и при отсутствии атмосферных помех. Даже надёжные милицейские рации во время сеанса связи ощутимо шумят… Скажите, стали бы мы смотреть в сторону сотовых телефонов, если они бы работали с таким же качеством? Не смотрит же большинство из нас в сторону тех же СВ (хотя причины здесь не только в качестве связи, по радио все говорят со всеми, это не телефон).

Голос передаётся по радиоволнам и по телефонным проводам в аналоговом виде. А в сотовых сетях – в цифровом. Проводную телефонию спасают только сами провода, обеспечивая минимум помех и хороший электрический контакт между микрофоном и принимающим телефоном (а в современных АТС применяется цифровая обработка сигнала, которая значительно повышает качество связи).

В двух словах – аналоговый способ передачи сигнала возможен при помощи амплитудной или частотной модуляций. При амплитудной модуляции форма электрической волны повторяет форму звуковой волны, а при частотной модуляции форма звуковой волны соответствует воображаемой линии, соединяющей вершины электрических модулированных волн. Возникает помеха – изменяется форма электрической волны (или совокупности волн при частотной модуляции) – голос передаётся с заметными искажениями.

При цифровом методе передачи информации передаётся только последовательность сигналов цифрового двоичного кода. Значения лишь два – есть сигнал – это логическая единица, нет сигнала – логически нуль. Никаких промежуточных значений. Никаких разночтений. Есть сигнал – есть единица закодированной информации. Больше громкость, меньше, с искажениями или без – значения не имеет. Главное – есть сигнал, и он принят. Или его нет.

Так вот, в аналоговом телевидении, в том, которое мы смотрим сегодня, изображение передаётся по эфиру или кабельным каналам посредством частотной модуляции, как в обычном радио. А в цифровом – последовательностью сигналов двоичного цифрового кода. Поэтому качество телевизионной картинки аналогового и цифрового телевидения будет соотноситься примерно так же, как качество звука в сотовых радиостанциях и сотовых телефонах. Картина, конечно, сильно упрощена, но в целом верная.

Отсюда первое преимущество цифровой системы телевидения перед аналоговой – более уверенный приём качественной картинки и на большее расстояние (при той же мощности передатчика).

К неявным преимуществам отнесём более компактные размеры антенн (продолжим аналогию – у сотового телефона антенна совсем крошечная и часто спрятана внутри корпуса) и пониженные требования к точности их расчёта. В крупных городах России (в частности, обеих столицах) уже ведётся экспериментальное цифровое телевещание. И антенны для приёма сигнала имеют вполне компактные размеры, намного меньше привычных комнатных телеантенн.

Далее – цифровое телевещание позволяет более рационально использовать радиоэфир. Опять аналогия с сотовой связью. В стране десятки миллионов пользователей сотовых телефонов. Днём большинство из них выходит на связь одновременно, и всем им хватает места в эфире. А частот для аналогового вещания катастрофически не хватает. В Москве, к примеру, работают 45 радиовещательных станций (меньше, поскольку некоторые вещают сразу в двух диапазонах). А могли бы работать сотни, если бы использовался цифровой формат вещания.

Значит, с развитием цифрового телевидения нас ждут не 16 федеральных каналов (включая дециметровые), а сотня. Или две. Или ещё больше.

Цифровое телевидение позволяет легко организовать платные сервисы – закрытые каналы, вещающие на коммерческой основе, интерактивное телевидение, кино по заказу и так далее (фантазии не хватит, чтобы вообразить все возможности). Значит, что-то мы будем смотреть бесплатно, но за деньги сможем посмотреть и то, что нас особенно интересует.

Чего не стоит ждать от телевидения нового поколения в принципе? Какого-то заоблачного качества картинки – сразу и мгновенно. На своих телевизорах мы будем видеть ровно то, что передаёт центральная телевизионная станция. Будет транслироваться стереозвук – получим стереозвук. Будет передаваться картинка с качеством DVD – получим именно картинку этого качества. Телевидение высокой чёткости (HDTV) – это несколько иное. Цифровое телевидение просто иной способ передачи информации на телеприёмники. Но со временем будет и HDTV. Дайте срок.

Что же касается старых аналоговых телеприёмников, то это очень серьёзная проблема, которая должна быть решена. Заменить в считанные годы армию старых телевизоров новыми цифровыми моделями нереально. И как будут работать аналоговые телевизоры в системе цифрового телевещания, пока не ясно. Возможно, будут выпущены специальные декодирующие приставки, переводящие цифровой сигнал в аналоговый вид. Или на рынок в большом количестве будут выпущены дешёвые модели цифровых телевизоров. Есть и другие способы, вроде одновременного вещания в аналоговом и цифровом формате до тех пор, пока цифровых телевизоров не станет больше, чем аналоговых.

Переход на цифровое телевещание идёт полным ходом. В нашей стране он начался в 2006 году. А к 2015 году наше телевидение должно стать полностью цифровым.

Глава 86

DVD – цифровой оптический носитель нового поколения

Технология DVD не имеет принципиальных отличий от технологии CD. Информация здесь записывается таким же способом – на информационной дорожке рабочего слоя формируются питы информации (вспомним, что единица информации, логический нуль или логическая единица двоичного цифрового кода – это бит, а физический носитель этой единицы, выступ или тёмное пятно на информационной дорожке диска – это пит), посредством которых на носитель записывается звук, видео или иная оцифрованная информация. Однако отличия всё-таки есть – в информационной ёмкости носителя. Диск DVD содержит в несколько раз больше информации, чем стандартный CD.

Вообще, технология DVD чрезвычайно любопытна. Она была задумана как универсальная технология для записи и воспроизведения любого типа информации. Это ясно из названия – Digital Versable Disk или цифровой универсальный диск. Чтобы понять отличия DVD, обратимся к технологии-прародительнице этого стандарта, к традиционному компакт-диску. При воспроизведении звука (или считывании любой оцифрованной информации) в дисководах CD в качестве источника света применяется миниатюрный лазер. В отличие от любых других источников света лазер излучает световые волны очень узкого диапазона колебаний, а потому не подвержен эффектам интерференции и дифракции. На момент изобретения лазерной технологии в распоряжении разработчиков были только полупроводниковые лазеры, которые излучали достаточно объёмный луч, который для надёжного считывания требовал широкой информационной дорожки. Но наука не стоит на месте – к середине 90-х годов были разработаны и выпущены лазеры (в дисководах применяются лазерные светодиоды, которые светятся при прохождении через них электрического тока) с очень узким лучом, который облегчал позиционирование считывающей головки над достаточно узкой информационной дорожкой. Разница в ширине дорожки CD и DVD позволяет увеличить информационную ёмкость оптического носителя в разы.

Но уплотнение информационной дорожки диска это только половина дела. Увеличить информационную ёмкость диска можно и другим способом, в частности, увеличив количество рабочих слоёв и, соответственно, количество информационных дорожек. Для этого считывающий дисковод оснащается считывающей головкой со сдвоенным излучающим лазером и двойной оптической системой. А диск DVD имеет две информационные дорожки, расположенных одна над другой. При этом верхняя дорожка полупрозрачна и не препятствует прохождению лазерного луча сквозь неё. При считывании информации с внутренней дорожки в работу включается второй лазер, луч которого сфокусирован именно на поверхности глубинного слоя. Применяются и более сложные в техническом плане схемы, когда один и тот же луч фокусируется оптикой считывающей головке на разных слоях диска… Но и это ещё не всё. Рабочих слоя может быть два, но не с одной, а сразу с двух сторон диска. Таким образом общая информационная ёмкость диска DVD возрастает в четыре раза!

К сожалению, судьба технологии DVD оказалась драматичной. Если разработчики CD имели дело с чистым листом бумаги, поскольку были пионерами в области оптической записи информации, то к моменту разработки DVD (первая половина 90-х годов прошлого столетия) на этом рынке было огромное количество игроков. И каждый из них предлагал свой вариант универсального оптического диска. В результате сегодня существует несколько несовместимых между собой стандартов носителей DVD, для каждого из которых нужна соответствующая аппаратура записи и воспроизведения. Однако современные DVD плееры способны работать с абсолютным большинством самых распространённых форматов, поэтом большой проблемы с читаемостью дисков у нас не возникнет.

Теперь, собственно, о форматах. Прежде всего – базовый формат DVD. Этот стандарт подразумевает четыре разновидности дисков DVD, отличающихся общей ёмкостью. Это односторонний однослойный диск ёмкостью 4,7 гигабайта (сравните с 640 мегабайтами стандартного CD-ROM). Односторонний двухслойный диск емкостью 9,4 гигабайта. Двухсторонний однослойный диск емкостью 9,4 гигабайта. И двухсторонний двухслойный диск ёмкостью 17 гигабайт.

По назначению и способу записи диски DVD подразделяются на несколько типов. Диски DVD-RAM предназначены для использования в персональных компьютерах, записываются только в заводских условиях (штампуются, как диски CD-ROM) и соответствует любой из перечисленных разновидностей расположения информационных дорожек, описанных выше. Диски DVD-ROM могут быть воспроизведены только в компьютерных приводах DVD и с дисководами CD несовместимы.

Диски DVD-video используются в бытовой видеоаппаратуре – в наших плеерах DVD. Именно с этими дисками нам чаще всего и приходится иметь дело. Эти диски тоже предназначены только для чтения. Они бывают одно и двухсторонними, но однослойными. Двухслойные диски для записи фильмов не применяются, поскольку это усложняет конструкцию плеера, снижает совместимость дисков с подавляющим количеством бытовых устройств. Кроме того, двухслойные диски обладают избыточной информационной ёмкостью, которая для записи фильмов с многоканальным и многоязычным звуковым сопровождением и дополнительными (бонусными) опциями, роде фотоальбомов, рекламных трейлеров (фрагментов фильмов), многоязычными титрами и так далее попросту не нужна. Вторая сторона диска используется для записи второго фильма. Обычно диск с двумя фильмами стоит дешевле, чем два отдельных фильма. Правда, в этом случае на диске нет этикетки, а краткая информация о содержании диска отпечатана рядом с шильдиком диска – в центральной его части. Диски DVD-video могут работать в приводах DVD-ROM, превращая компьютер в видеоплеер.

Диски DVD-R и DVD+R предназначены для однократной записи. Это однослойные односторонние диски ёмкостью 4,7 гигабайта, которые могут быть прочитаны на любом современном DVD видеоплеере. Если вы решите заняться самостоятельной записью DVD на своём домашнем компьютере, то это именно тот формат, который вам нужен. Кроме того, выпускаются плееры с функцией записи видео на диски одного из перечисленных форматов. Устройства достаточно дорогие (хотя сегодня есть модели стоимостью чуть менее 400 долларов), но привлекательные. Само собой разумеется, что DVD-R и DVD+R совместимы с компьютерными дисководами этих же форматов и с приводами DVD-ROM.

Диски DVD-RW и DVD+RW предназначены для многократной записи (то есть перезаписи) информации на компьютерных дисководах соответствующих форматов. Это однослойные односторонние диски ёмкостью 4,7 гигабайта, которые могут быть прочитаны на любом бытовом плеере DVD и компьютерных дисководах DVD-ROM. Перезапись информации производится так же, как и в дисководах CD-RW (об этом чуть ниже).

Диски DVD-RAM также предназначены для многократной записи цифровой информации, но они несовместимы с бытовыми видеоплеерами и требуют специальных дисководов на персональных компьютерах. Эти диски несовместимы с обычными дисководами DVD-ROM, а потому находят ограниченное специальное применение.

Наконец, диски нового формата DVD-audio, предназначенные для записи звука с повышенной частотой дискретизации 48/96/192 килогерц (поддерживаются и традиционные для CD-audio частоты 44,1/88,2/176,4 килогерц) и разрядность в 16/20/24 бит. Диски этого формата призваны вытеснить традиционные компакт-диски, но пока мирно сосуществуют со звуковыми CD. Современные видеоплееры DVD совместимы с этим форматом (хотя при покупке нового проигрывателя лучше уточнить это в технических характеристиках системы).

Добавим, что нынешняя видеоаппаратура DVD относится ко второму поколению, то есть способно считывать информацию с дисков CD-ROM, CD-R и CD-RW. Аппаратура первого поколения с дисками CD-R и CD-RW была несовместима.

Как производится запись на перезаписываемые диски? Тут следует заметить, что технологии записи CD-R и DVD-R (равно как и DVD+R) схожи, так же схожи и технологии CD-RW и DVD-RW (и, опять же, DVD+RW). Различия только в плотности записи, в расположении и размерах информационной дорожки. А основные принципы одни и те же.

Начнём с дисков для однократной записи. Вместо алюминиевого рабочего слоя здесь применён слой из органического красителя (цианинового, фталоцианинового и их разновидностей). Считывающая головка дисковода дополнена записывающим лазером, излучение которого более интенсивно, чем у считывающего лазера. В момент записи в работу включается записывающий лазер, луч которого фокусируется на поверхности рабочего слоя. Поскольку световой поток имеет более высокую температуру, краситель плавится и мутнеет. Таким образом формируются питы информации, а информационная дорожка представляет собой последовательность мутных (имеющих меньший коэффициент отражения) и неповреждённых участков красителя, которые соответствуют логическим единицам и логическим нулям двоичного кода. При считывании записанной информации детектор дисковода реагирует на изменение яркости отраженного от мутных и неповреждённых участков информационной дорожки.

В дисках для многократной записи применяется технология переменной фазы вещества информационной дорожки. В качестве материала рабочего слоя в дисках CD-RW и их разновидностей DVD используется аморфное вещество, которое находится в полужидком состоянии. Под воздействием лазерного луча оно переходит в твёрдое состояние (происходит смена фазы), имеющее более высокий коэффициент отражения. Таким образом формируется информационная дорожка диска – в виде последовательности твердых (с высокой отражающей способностью) и жидких (с низкой отражающей способностью) участков аморфного вещества. При перезаписи информации лазер равномерно нагревает вещество информационной дорожки, переводя его в исходное состояние. Затем процесс записи может быть повторен.

Как видите, в технологиях оптической записи цифровой информации нет ничего сложного, хотя, не будем забывать, что это одно из последних великих изобретений двадцатого века… Впрочем, любое гениальное изобретение на первый взгляд кажется простым. В самом деле – кусочек пластмассы, а на нём видеофильм. Проще не бывает.

Глава 87

Система глобальной спутниковой навигации

Иногда новые технологии, изначально предназначавшиеся исключительно для военных целей, находят вполне мирные применения. И оружие превращается в свою противоположность – из средства уничтожения в инструмент созидания. В истории ХХ века подобных примеров сколько угодно. Например, большие пассажирские лайнеры, которые появились благодаря тяжёлой бомбардировочной авиации. Относительно небольшая переделка и – дальний реактивный бомбардировщик «Ту-16» превратился в легендарный пассажирский самолёт «Ту-104». То же происходило и с некоторыми компьютерными технологиями. Вездесущий Интернет возник из закрытой сети, объединяющий компьютеры военных исследовательских центров.

Спору нет, переделывать танк в трактор смысла большого нет (хотя такие примеры тоже есть). И из пушки ничего мирного, кроме разве что траурного лафета, не получится. Но в конце тысячелетия случилось так, что исключительно военная и, следует признать, весьма грозная технология вдруг стала мирной. И сегодня доступна всем, у кого есть в ней потребность.

Речь о системе GPS, которая была запущена в эксплуатацию в конце 80-х годов ХХ века и предназначалась для наведения на цель крылатых ракет, ориентирования в открытом океане военных кораблей и для нужд военной авиации США. В начале 90-х годов эта система была открыта и для свободного гражданского использования, правда, с некоторым ограничением точности работы.

Система GPS – это Global Positioning System или спутниковая навигационная система, состоящая из работающих в единой сети 24 спутников, находящихся на 6 орбитах высотой около 17 000 км над поверхностью Земли. Спутники постоянно движутся со скоростью около 3 километров в секунду, совершая два полных оборота вокруг планеты менее, чем за 24 часа. На спутниках расположены радиопередатчики небольшой мощности (не более 50 ватт). Они постоянно транслируют на поверхность земли информационные радиосигналы. Эти сигналы улавливает приёмник GPS, который находится в руках путешественника.

Все спутники пронумерованы – им присвоены номера от 1 до 32. Запас нумерации (спутников-то всего 24 штуки) нужен для запуска новых спутников и вывода с орбиты старых, отслуживших свой срок (к сведению – срок службы навигационного спутника 10 лет).

Радиоприёмник GPS получает со спутника его идентификационный номер (псевдослучайный код), точную дату, время и информацию о техническом состоянии спутника (эфимерис), и важную для работы системы информацию (альманах). Данные альманаха говорят о том, где в течение дня должны находиться все GPS-спутники. Каждый из них передает альманах, содержащий параметры своей орбиты, а также всех других спутников системы.

Одновременно приёмник улавливает сигналы от 3—5 спутников. Внутренние часы приёмника, синхронизированные по радиосигналу с часами спутника, это основной инструмент определения географических координат. Для определения местоположения приемник сравнивает время отправки сигнала со спутника со временем его получения на Земле. Эта разница во времени говорит приемнику о расстоянии до конкретного спутника. Учитывая информацию о расстоянии, измеренном до других спутников, приёмник GPS определяет свой местоположение.

Если приёмник улавливает сигналы только трёх спутников одновременно, он может определить географические координаты в двухмерной плоскости – только широту и долготу (это называется двухмерной фиксацией). Если спутников четыре и больше – появляется возможность определить и высоту. Постоянно отслеживая сигналы спутников, приёмник вычисляет направление и скорость движения.

Итак, в маленьком приборе, который использует информацию, передаваемую спутниками системы GPS, мы получаем – прибор для быстрого и безошибочного определения географических координат, широты, долготы и высоты над уровнем моря. Прибор для определения скорости движения (не имеет значения, передвигаемся мы пешком, на велосипеде, автомобиле или корабле). Точные часы и календарь (точней не бывает). Электронный компас, который никогда не ошибается. И это ещё не всё!

Продвигаясь по незнакомой местности, мы можем включить на приёмнике режим фиксации промежуточных точек маршрута (их может быть несколько сотен). Заблудились, поворачиваем назад и – приёмник укажет нам стрелкой обратный путь, от одной промежуточной точки к другой, вплоть до начальной. Более того, вернувшись домой, мы можем нанести весь маршрут на карту, отметив на ней координаты всех промежуточных точек.

Приёмники GPS (это единственное, на что придётся потратиться, эксплуатация самой системы навигации бесплатна) выпускаются в самом разном исполнении. Есть простейшие карманные приборы – они умеют делать только то, о чём мы только что рассказали. Они похожи на сотовые телефоны с монохромным дисплеем, не бояться воды, питание получают от аккумуляторов или сменных элементов формата АА. Есть совсем крошечные приёмники, выполненные в виде наручных электронных часов (но у них слишком маленький экран). Есть приёмники, встроенные в сотовый телефон.

Следующий класс приёмников – карманные устройства с возможностью подключения к персональному компьютеру. Эти устройства умеют не только запоминать промежуточные точки маршрута, но и отображать их прямо на карте, которая выводится на дисплей. Карты можно загружать с компьютера, затем, по возвращению, снова выгружать их в память машины, же с проложенным маршрутом движения.

Для удобства экран приёмника может иметь большие размеры и отображать карту в цвете. Ещё удобней приёмники GPS, выполненные в виде модулей, подключаемых к карманным (и не только) компьютерам. Экран карманной машинки гораздо больше, чем экран приёмника GPS. И ориентироваться по нему легче (не говоря уже о том, что компьютер может использоваться и по другому назначению). Ещё наглядней маршрут движения отображается на экране ноутбука. К портативному компьютеру можно подключить тот же модуль для карманной машинки, причем, и беспроводным способом – через беспроводной радиоинтерфейс Bluetooth (он применяется в сотовой телефонии для подключения гарнитур и в компьютерной технике для подключения периферийных устройств).

Есть и более «серьёзные» устройства, предназначенные для установки в салоне легкового или в кабине грузового автомобиля, катера (в этом случае питание поступает от бортовой сети). Специальные модели устанавливаются в пилотских кабинах самолётов, в рубках морских судов – везде, где нужно постоянно отслеживать параметры движения и знать свои точные координаты…

Даже самые простые, самые недорогие приёмники GPS оснащаются массой дополнительных функций. В них может быть будильник, календарь, игры (как в сотовых телефонах). Выпускаются особо защищённые модели, которые выдерживают падение в воду или погружение на глубину.

Вместе с географическими координатами система GPS способна работать и с топографическими данными. Если мы загрузим в память приёмника карту нашего города (например, Москвы), то на экране будет показана схема улицы, по которой мы движемся, контуры домов, магазинов, парков и так далее. Правда, для территории России таких загружаемых карт немного – доступны только карты крупных городов. А в Европе и Америке можно загрузить карты самых маленьких населённых пунктов или даже целых штатов (областей, регионов, провинций). Специальная программа для карманного компьютера или ноутбука позволяет прокладывать маршрут движения прямо во время движения. Стоит лишь указать на карте, отображаемой на экране компьютера, начальную и конечную точки, как программа на основе данных, полученных с навигационных спутников, рассчитает наиболее рациональный маршрут с учётом дорожных пробок или ремонтных работ. Во время движения эта система показывает стрелками, куда следует повернуть водителю автомобиля.

Самые совершенные навигационные компьютеры устанавливаются в автомобили прямо на заводе. Это часть электронного оснащения хорошей машины, которая, разумеется, повышает стоимость автомобиля, но и удобств водителю предоставляет немало. Водитель тяжёлого грузовика при помощи спутникового навигатора легко найдёт нужный склад в незнакомом городе. Путешествующий автомобилист разберётся с лабиринтом улиц в городе, в котором он никогда до этого не бывал. А таксист очень быстро и без особых проблем отыщет адрес дома, из которого поступил заказ на машину.

Выглядит фантастично, но всё перечисленное уже есть и уже работает. Причём система GPS активно развивается. Выпускаются всё новые приёмники – и простые, для массового использования (например, пешими и велотуристами, рыбаками и грибниками), и достаточно сложные (для ценителей высоких технологий, не пропускающих «горячих» новинок, и для профессионального применения на транспорте). Приёмники выпускаются различными компаниями, наиболее известная из которых – американская Garmin. А некоторые производители карманных компьютеров (например, Asus и Mitac) встраивают приёмники GPS в новейшие модели КПК с операционной системой Windows Mobile пятого поколения.

Но не стоит думать, что GPS поддерживается только США. Подобная спутниковая система, ГЛОНАС, работает и у нас в России. Но она ещё не открыта для гражданского применения и не совместима с популярными во всём мире приёмниками системы GPS.

Насколько точна система GPS? Для открытого гражданского использования точность составляет 100 метров. Однако на практике этот показатель выше – на уровне 25—30 метров. Вполне достаточно, чтобы не заблудиться.