数字化和模拟化—信息论系列

总是听到有人拿数字系统和模拟系统做对比,其实二者根本就不是一个层次的,模拟化会更加全面一些,它在努力重现一些事实,并且在某种程度上力图达到效果的一致,比如模拟放音机,它就是用来试图重现声音的,其实我们的世界模拟概念无所不在,我写文章其实就是在模拟我的思想...但是模拟系统有个固有的弊端,就是无法做到百分之百重现,因为模拟系统会加入一些副作用,这种副作用是不可避免的,在哲学意义上讲,为了一个目的我们引入一些机制,而想要该机制起作用我们必须付出一些代价,不幸的是,这些机制并不能百分之百生效,总会有副作用,因此,模拟系统不可能百分之百精确,这就是事实,这是一个必然的事实,就算到了后来的数字系统也是不可更改的事实,在模拟系统中除了精确性之外,传输也是一个问题,因为模拟系统中传输的就是我们的信号,就是真正的数据,而且这种数据是模拟信号,每损失一点那就是一点,数据按照时间的图像是连续的而不是离散的,这样一点损失都会造成数据丢失,鉴于此,模拟系统一般都会有中继系统,信号放大系统等等,即便如此,信号还是要失真的,因为模拟系统传输的就是原本的数据,所以要花大力气来保证数据的完整性和正确性,可以说模拟系统的任何措施都是为此而设置的,这么看来模拟系统可畏娇气,一个闪失带来的是整个数据的残缺。

这时我们看一下数字系统,在数字系统中,主要就是解决模拟信号的传输问题,因为模拟信号的不精确是固有的,无法改变的,但是传输性质却是可以改良的,因此数字系统主要解决传输问题,数字系统解决的另一个问题就是存储问题。其实数字系统只是模拟系统的一个策略而已,模拟系统才是机制,毕竟即使计算机这样的数字系统,芯片中的电路实现还是用安培,欧姆,伏打来定义和描述的,数字系统必须有一个支撑系统就是编码,这种编码就是一个协议,两端彼此约定好的一套规则,数字传输中不再传输数据本身,而只传输数据的编码,比如两端都约定好数字1代表汉字“我”,那么我们为了传输“我”这个字,只需要传输一个数字1就可以了,因此这个意义上数字传输又好像是间接寻址,就好像我们写程序中使用的指针数据类型,不用传递数据结构本身,而只要一个指向这个数据结构的指针即可。因此,我们可以说,数字系统依赖编码,如果没有编码系统,数字系统只是一堆没有用的代码,数字系统处理的不是真正的数据而只是数据的编码而已,可以看出一个编码系统是多么的重要,世界上所有的信息如果要被数字系统处理就必须要经过编码,可以看出一个编码系统有多么庞大。既然数字系统处理的是编码,那么这就是数字系统中“数字”的精髓,也就是说我们不再需要连续的量来表征数据本身了,毕竟自然界中真实的东西就是连续的非离散的,因此为了重现这种自然事物的模拟系统就是连续的,但是只需要处理编码的数字系统因为处理的不是自然事物本身,那么它就没有必要是连续的了,只需要的离散的“数字”就可以,如果你要是问,离散的数字怎么能表征自然界的连续事物,那么这就是编码范畴的问题了,这牵扯到一个分辨率和精度的问题,就不多谈了,不管怎么说,自然事物肯定能够被编码的,详细的论述可以看看信息论。

好了,现在可以不再处理连续的数据了,而只需要处理离散的数字就可以了,事情简单了,这是肯定的,因为自然数是离散的,实数是连续的,明显自然数比实数好处理,更简单。理论是有了,但是怎么用机器实现呢?也就是说怎么实现所谓的数字机器呢?这就要归功于晶体管的发明,晶体管的本质就是一堆开关,这就是说有两种状态,用多个这么个两种状态的组合就可以组合成更多的离散数值,用二进制表示编码再合适不过了,这简直就是一种艺术,看看登场者吧:信息论,二进制,晶体管,编码。这下整个环节搞清楚了吧。这些登场者是互相依赖的,本质上数字系统是一个高层的概念,它依赖别的概念,在数字系统中最底层的就是编码,再往下就是芯片内部的处理和传输了,那基本就脱离了数字系统的范畴,从而进入模拟系统了。那么用数字系统代替模拟系统的好处是什么呢?我们知道模拟信号在传输过程中会失真,因为它传输的连续的数据本身,包括在复制,存储的时候都会造成数据失真,而数字系统在传输,存储,复制过程就不会失真,因为它处理的是真实数据的编码,而编码本质上对应到底层就是晶体管内部开关的开和关的状态,而不管大开,中开,小开都是开,代表数字1,不管大关小关都是关,代表数字0,这就是真正意义之所在。

至于说经过编码的数据本身是否会比模拟数据本身的质量更加好,答案是否定的,因为模拟数据是连续量,它的缺点就是失真,而失真就是在传输,复制和存储中产生的,抛开这些不谈,模拟数据本身质量是很好的,而数字数据本质上就是编码,而编码是通过将模拟数据采样经过加工得到的,这样的话,数据录制过程的失真二者相同,既然是采样就有个精读问题,连续采样其实就成了模拟量,数字系统的采样率决定了数据的分辨率。不过数字系统的这种信息丢失是无所谓的,问一句,你能在数码相机拍的照片上看到马赛克吗?...



 本文转自 dog250 51CTO博客,原文链接:http://blog.51cto.com/dog250/1273560

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