Когда автора этой книги спрашивали: «О чем она?», он всегда отвечал уклончиво, что-нибудь в духе: «Необычная экскурсия по истории цифровых технологий, сформировавших современную эпоху» — в надежде, что этого будет достаточно. Но в какой-то момент ему пришлось признать: «Код: тайный язык информатики» — это книга о том, как устроены компьютеры. Чарльз Петцольд хотел, чтобы с помощью «Кода» каждый смог разбираться в них настолько, чтобы смог потягаться с электротехниками и программистами. А еще — оценить, каким достижением является компьютер среди технологий XX века, и прочувствовать его красоту.
Самый успешный
Цифровой звук произвел настоящий фурор в 1983 году благодаря появлению компакт-диска (CD), который стал самым успешным продуктом в истории потребительской электроники. Компакт-диск был разработан компаниями Philips и Sony и позволял хранить на одной стороне диска диаметром 12 сантиметров цифровые аудиофайлы общей длительностью 74 минуты.
Для кодирования звука подходит метод кодово-импульсной модуляции. Несмотря на сложное название, концептуально этот метод довольно прост. Звук — это вибрация. Вибрация наших голосовых связок, музыкальных инструментов, падающего в лесу дерева приводит в движение молекулы воздуха, при этом он начинает периодически (с частотой несколько сотен или тысяч раз в секунду) сжиматься и расширяться. Вибрирующий воздух, в свою очередь, воздействует на наши барабанные перепонки, и мы слышим звук.
В 1877 году Томас Эдисон изобрел фонограф, в котором для записи и воспроизведения звука на поверхности цилиндра, покрытого фольгой, создавались углубления, повторяющие форму звуковых волн. До появления компакт-диска эта техника записи звука практически не менялась, хотя цилиндры были заменены дисками, а оловянная фольга — сначала воском, а затем пластиком. Первые фонографы были полностью механическими, однако со временем для усиления звука в них стали использоваться электрические компоненты. Переменный резистор в микрофоне преобразует звук в электрический сигнал, а электромагнит в динамике превращает этот сигнал обратно в звук.
Электрический ток — аналог звуковой волны. Для преобразования аналогового сигнала в цифровой потребуется специальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), обычно реализуемый в виде микросхемы. Выходные цифровые сигналы АЦП, количество которых равно 8, 12 или 16, обозначают относительный уровень напряжения. Например, 12-битный АЦП различает 4096 уровней напряжения. При использовании метода кодово-импульсной модуляции напряжение, соответствующее звуковой волне, преобразуется в цифровые значения с постоянной скоростью.
Эти значения сохраняются на компакт-диске в виде маленьких углублений, вырезанных на поверхности, и считываются лазерным лучом, отраженным от его поверхности. Во время воспроизведения эти значения снова конвертируются в электрический сигнал с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП).
Аналоговый звуковой сигнал переводится в цифровой с постоянной скоростью, называемой частотой дискретизации. В 1928 году Гарри Найквист из Bell Telephone Laboratories показал, что частота дискретизации должна как минимум в два раза превышать максимальную частоту звука, который необходимо записать и воспроизвести. Считается, что человек воспринимает звуки в диапазоне частот от 20 до 20 000 герц. Частота дискретизации, используемая при записи компакт-дисков, более чем вдвое превышает максимальный показатель и составляет 44 100 герц.
Разрядность (количество бит на выборку) определяет динамический диапазон компакт-диска — разницу между самым громким и самым тихим звуком, который можно записать и воспроизвести. Будучи аналогом звуковой волны, электрический сигнал отклоняется от нулевого значения; максимальное отклонение — амплитуда волны. Интенсивность звука пропорциональна удвоенной амплитуде. Десятикратному увеличению интенсивности звука соответствует один бел (единица измерения относительной силы звука, названная в честь Александра Белла); один децибел — 0,1 бела, примерно минимальное увеличение интенсивности звука, которое человек в состоянии воспринять.
Динамический диапазон для 16-разрядного звука — 96 децибел, что примерно соответствует разнице между порогом слышимости (за которым мы ничего не слышим) и болевым. Именно такая разрядность используется при записи компакт-дисков.
Для записи на компакт-диске стереозвука длительностью 74 минуты требуется 783 216 000 байтов.
Купить книгу «Код: тайный язык информатики»: МИФ / Ozon / WB / Читай-город
