Способом передачи информации для человека не являются. Лекция: Передача информации

Передача информации - термин, объединяющий множество физических процессов перемещения информации в пространстве. В любом из этих процессов задействованы такие компоненты, как источник и приемник данных, физический носитель информации и канал (среда) ее передачи.

Процесс передачи информации

Исходными вместилищами данных являются различные сообщения, передаваемые от их источников к приёмникам. Между ними и расположены каналы передачи информации. Специальные технические устройства-преобразователи (кодеры) формируют на основе содержания сообщений физические носители данных - сигналы. Последние подвергаются целому ряду преобразований, включая кодирование, сжатие, модуляцию, а затем направляются в линии связи. Пройдя через них, сигналы проходят обратные преобразования, включая демодуляцию, распаковывание и декодирование, в результате чего из них выделяются исходные сообщения, воспринимаемые приемниками.

Информационные сообщения

Сообщение - это некое описание явления или объекта, выраженное в виде совокупности данных, имеющей признаки начала и конца. Некоторые сообщения, например, речь и музыка, представляют собой непрерывные функции времени звукового давления. При телеграфной связи сообщение - это текст телеграммы в виде буквенно-цифровой последовательности. Телевизионное сообщение - это последовательность сообщений-кадров, которые «видит» объектив телекамеры и фиксирует их с частотой следования кадров. Подавляющая часть передаваемых в последнее время через системы передачи информации сообщений представляют собой числовые массивы, текстовые, графические, а также аудио- и видеофайлы.

Информационные сигналы

Передача информации возможна, если у нее имеется физический носитель, характеристики которого изменяются в зависимости от содержания передаваемого сообщения таким образом, чтобы они с минимальными искажениями преодолели канал передачи и могли быть распознаны приемником. Эти изменения физического носителя данных образуют информационный сигнал.

Сегодня передача и обработка информации происходят при помощи электрических сигналов в проводных и радиоканалах связи, а также благодаря оптическим сигналам в ВОЛС.

Аналоговые и цифровые сигналы

Широко известным примером аналогового сигнала, т.е. непрерывно изменяющегося во времени, является напряжение, снимаемое с микрофона, которое несет речевое или музыкальное информационное сообщение. Оно может быть усилено и передано по проводным каналам на звуковоспроизводящие системы концертного зала, которые донесут речь и музыку со сцены до зрителей на галерке.

Если в соответствии с величиной напряжения на выходе микрофона непрерывно во времени изменять амплитуду или частоту высокочастотных электрических колебаний в радиопередатчике, то можно осуществить передачу в эфир аналогового радиосигнала. Телепередатчик в системе аналогового телевидения формирует аналоговый сигнал в виде напряжения, пропорционального текущей яркости элементов изображения, воспринимаемого объективом телекамеры.

Однако если аналоговое напряжение с выхода микрофона пропустить через цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), то на его выходе получится уже не непрерывная функция времени, а последовательность отсчетов этого напряжения, взятых через равные промежутки времени с частотой дискретизации. Кроме того, ЦАП выполняет еще и квантование по уровню исходного напряжения, заменяя весь возможный диапазон его значений конечным набором величин, определяемых числом двоичных разрядов своего выходного кода. Получается, что непрерывная физическая величина (в данном случае это напряжение) превращается в последовательность цифровых кодов (оцифровывается), и далее уже в цифровом виде может храниться, обрабатываться и передаваться через сети передачи информации. Это существенно повышает скорость и помехоустойчивость подобных процессов.

Каналы передачи информации

Обычно под этим термином понимаются комплексы технических средств, задействованных в передаче данных от источника к приемнику, а также среда между ними. Структура такого канала, использующая типовые средства передачи информации, представлена следующей последовательностью преобразований:

ИИ - ПС - (КИ) - КК - М - ЛПИ - ДМ - ДК - ДИ - ПС

ИИ - источник информации: человек либо иное живое существо, книга, документ, изображение на неэлектронном носителе (холст, бумага) и т.д.

ПС - преобразователь информсообщения в информсигнал, выполняющий первую стадию передачи данных. В качестве ПС могут выступать микрофоны, теле- и видеокамеры, сканеры, факсы, клавиатуры ПК и т. д.

КИ - кодер информации в информсигнале для сокращения объема (сжатия) информации с целью повысить скорость ее передачи или сократить полосу частот, требуемую для передачи. Данное звено необязательно, что показано скобками.

КК - канальный кодер для повышения помехозащищённости информсигнала.

М - сигнальный модулятор для изменения характеристик промежуточных сигналов-носителей в зависимости от величины информсигнала. Типичный пример - амплитудная модуляция сигнала-носителя высокой несущей частоты в зависимости от величины низкочастотного информсигнала.

ЛПИ - линия передачи информации, представляющая совокупность физической среды (например, электромагнитное поле) и технических средств для изменения ее состояния с целью передачи сигнала-носителя к приемнику.

ДМ - демодулятор для отделения информсигнала от сигнала-носителя. Присутствует только при наличии М.

ДК - канальный декодер для выявления и/или исправления ошибок в информсигнале, возникших на ЛПИ. Присутствует только при наличии КК.

ДИ - декодер информации. Присутствует только при наличии КИ.

ПИ - приемник информации (компьютер, принтер, дисплей и т. д.).

Если передача информации двусторонняя (канал дуплексный), то по обе стороны ЛПИ имеются блоки-модемы (МОдулятор-ДЕМодулятор), объединяющие в себе звенья М и ДМ, а также блоки-кодеки (КОдер-ДЕКодер), объединяющие кодеры (КИ и КК) и декодеры (ДИ и ДК).

Характеристики каналов передачи

К основным отличительным чертам каналов относятся пропускная способность и помехозащищенность.

В канале информсигнал подвергается действию шумов и помех. Они могут вызываться естественными причинами (например, атмосферными для радиоканалов) или быть специально созданными противником.

Помехозащищенность каналов передачи повышают путем использования разного рода аналоговых и цифровых фильтров для отделения информсигналов от шума, а также спецметодов передачи сообщений, минимизирующих влияние шумов. Одним из таких методов является добавление лишних символов, не несущих полезного содержания, но помогающих контролировать правильность сообщения, а также исправлять в нем ошибки.

Пропускная способность канала равна максимальному количеству двоичных символов (кбит), передаваемых им при отсутствии помех за одну секунду. Для различных каналов она варьируется от нескольких кбит/с до сотен Мбит/с и определяется их физическими свойствами.

Теория передачи информации

Клод Шеннон является автором специальной теории кодирования передаваемых данных, открывшим методы борьбы с шумами. Одна из основных идей этой теории заключается в необходимости избыточности передаваемого по линиям передачи информации цифрового кода. Это позволяет при потере какой-то части кода в процессе его передачи восстановить потерю. Такие коды (цифровые информсигналы) называются помехоустойчивыми. Однако избыточность кода нельзя доводить до слишком большой степени. Это ведёт к тому, что передача информации идет с задержками, а также к удорожанию систем связи.

Цифровая обработка сигналов

Другой важной составляющей теории передачи информации является система методов цифровой обработки сигналов в каналах передачи. Эти методы включают алгоритмы оцифровывания исходных аналоговых информсигналов с определенной частотой дискретизации, определяемой на основе теоремы Шеннона, а также способы формирования на их основе помехозащищенных сигналов-носителей для передачи по линиям связи и цифровой фильтрации принятых сигналов с целью отделения их от помех.

Лк. 17.

Техника и технологии офисов услуг СКСиТ

Классификация средств оргтехники

Оргтехника - это технические средства, используемые для механизации и автоматизации управленческих и инженерно-технических работ. В широком смысле к оргтехнике можно отнести любое приспособление (прибор, устройство, инструмент), которое используется в офисе фирмы, начиная от ручек и карандашей и заканчивая компьютерами и сложной электронной оргтехникой.

Функционирование современного туристского предприятия непосредственно базируется на применении информационных технологий обработки информации и средствах оргтехники.

По назначению их можно разбить на следующие группы: средства коммуникации и связи; средства оргтехники; копировально-множительные средства; средства сбора, хранения и обработки документов, к которым прежде всего относятся компьютеры и вычислительные сети; сканеры; средства отображения информации; аппараты для уничтожения документов.

Способы передачи информации (средства коммуникации)

На современном этапе развития средства коммуникации и связи играют важную роль для обеспечения эффективного управления туристским бизнесом. Любая задержка информации может повлечь за собой очень серьезные негативные последствия как в финансовом отношении, так и в потере имиджа фирмы, что в конечном итоге может привести к краху любой организации. Это непосредственно относится и к предприятиям индустрии туризма и гостеприимства.

Передача информации может осуществляться вручную либо механически при помощи автоматизированных систем по различным каналам связи.

Первый способ передачи информации и до настоящего времени имеет широкое распространение. При этом информация передается либо при помощи курьера, либо по почте. К достоинствам этого способа можно отнести полную достоверность и конфиденциальность передаваемой информации, контроль за ее получением (при почтовой рассылке в пунктах регистрации прохождения), минимальные издержки, не требующие никаких капитальных затрат. Главными недостатками такого подхода являются невысокая скорость передачи информации и неоперативность в получении ответов.

Второй способ значительно увеличивает скорость передачи информации, повышает оперативность принятия решений, но при этом увеличиваются капитальные и текущие издержки. При грамотной организации производственного процесса на предприятии этот способ передачи информации в конечном итоге существенно повышает экономическую эффективность функционирования предприятия индустрии туризма и гостеприимства.

Для передачи информации необходимы: источник информации, потребитель информации, приемо-передающие устройства, между которыми могут существовать каналы связи.

Признак классификации	Характеристики каналов связи
Физическая природа пере- даваемого сигнала	Механические, акустические, оптические и электрические. В свою очередь, оптические и электрические каналы связи могут быть проводными (электрические провода, кабели, световоды) и беспроводными, использующие электромагнитные волны, распространяющиеся в эфире (радио- каналы, инфракрасные каналы и т. д.)
Способ передачи информации	Симплексные передают информацию в одном направлении. Дуплексные передают информацию одновременно и в прямом, и обратном направлении. Полудуплексные осуществляют поперемен- ную передачу информации либо в прямом, либо в обратном направлении.
Форма представления передаваемой информации	Аналоговые представляют информацию в непрерывной форме в виде непрерывного сигнала какой-либо физической природы. Цифровые представляют информацию в цифровой (прерывной - дискретной, импульсной) форме сигналов какой-либо физической природы.
Время существования	Коммутируемые - временные, создаются только на время передачи информации. По окончании передачи информации и разъединении уничтожаются. Некоммутируемые - создаются на длительное время с определенными постоянными характеристиками. Их еще называют выде- ленными.
Скорость передачи информации	Низкоскоростные (50-200 бит/с) 1 используются в телеграфных каналах связи. Среднескоростные (от 300-9600 бит/с) используются в телефонных (аналоговых) каналах связи. Новые стандарты могут использовать скорость от 14 - 56 кбит/с. Для передачи информации по низкоскоростным и среднескоростным каналам используются проводные линии связи (группы параллельных или скрученных проводов витая пара)2. Высокоскоростные (свыше 56 кбит/с) называют широкополосными. Для передачи информации используются специальные кабели: экранированные (Shielded Twisted Pair - STP)3 и неэкранированные (Unshi-elded Twisted Pair - UTP)4 с витыми парами из медных проводов; коаксиальные (Coaxial Cable - СС)5, оптоволоконные (Fiber Optic Cable - FOC)6, радиоканалы7

Для предприятий туриндустрии телефонная связь является самым распространенным и широко применяемым видом связи. Она используется не только для оперативного административного управления предприятиями, но и для ведения финансово-хозяйственной деятельности. Например, по телефону можно забронировать номер в гостинице, получить информацию об интересующем туриста маршруте или турпакете.

В зависимости от способа использования телефонную связь можно разделить на два вида:

общего пользования (городская, междугородная, международная);

офисную (внутренняя) связь, используемую в пределах одной организации.

Основными компонентами телефонной связи являются телефонная сеть и абонентские терминалы. Телефонная сеть состоит из автоматических телефонных станций (АТС), соединенных между собой каналами связи. Каждая АТС коммутирует, как правило, до 10 тыс. абонентов. Абонентские терминалы подключают к сети по абонентской линии. Как правило, это пара медных проводов. Каждая абонентская линия имеет свой персональный номер.

На рынке средств связи существует множество различных офисных АТС - от самых маленьких, которые устанавливаются в небольших офисах и даже в квартирах, до больших станций, которые используются на крупных предприятиях и в гостиницах. Основными достоинствами офисных АТС является то, что они, во-первых, осуществляют автоматическое подключение внутренних абонентов и, во-вторых, телефонная связь внутри фирмы осуществляется практически бесплатно. Кроме этого они выполняют множество полезных вспомогательных функций, к которым относятся:

организация телеконференций;

постановка абонента на ожидание при занятом канале и периодическое напоминание об этом;

автоматическая переадресация на другой телефон, а в «ночном режиме» на телефон дежурного;

составление списка абонентов для вызова в определенное время;

режим «не беспокоить»;

возможность временного запрета выхода на внешнюю линию для некоторых телефонов;

заказ времени для звонка-будильника;

включение громкоговорящей связи и т. п.

Компьютерной телефонией называется технология, в которой компьютер играет главную роль как в управлении телефонным соединением, так и в осуществлении приема и передачи телефонных звонков.

Использование компьютерной телефонии намного ускоряет процесс управления на предприятии, повышая его эффективность и качество при общем снижении совокупных затрат. Особенно это относится к предприятиям туриндустрии, для которых телефон является одним из необходимых инструментов функционирования. Современные компьютерные технологии позволяют значительно снизить затраты на междугородные, а тем более международные переговоры, без которых не обходится ни одно предприятие турбизнеса. Связь с партнерами осуществляется по компьютерным сетям, в частности по сети Интернет. Такая связь называется IP-телефония.

IP-телефония - это современная компьютерная технология передачи голосовых и факсимильных сообщений с использованием Интернета. Данная технология начинает бурно развиваться на российском рынке связи. Она позволяет осуществлять междугородную и международную голосовую связь, используя обычный телефонный аппарат или компьютер, подключенный к Интернету. Для туристских компаний, имеющих свою корпоративную сеть, IP-телефония позволяет значительно снизить издержки, связанные с телефонными переговорами.

Особыми видами телефонной связи являются: радиотелефонная связь и видеотелефонная связь.

Под радиотелефонной связью понимают беспроводные системы телефонной связи, которые не требуют проведения сложных инженерных работ по прокладке дорогостоящих телекоммуникаций и поддержке их в рабочем состоянии.

На современном этапе развития техники и технологии радиотелефонная связь становится альтернативой использования проводной телефонии и значительно повышает оперативность в принятии управленческих решений и общую эффективность функционирования предприятий туриндустрии.

Беспроводная система телефонной связи по сравнению с обычной проводной обладает следующими достоинствами:

меньшие капитальные затраты на ее создание;

возможность создания независимо от рельефа местности, природных условий и наличия соответствующей инфраструктуры;

меньший срок окупаемости системы;

меньшая трудоемкость работ по организации системы и на порядок более быстрыми темпами ввода в эксплуатацию;

обеспечивание надежной и оперативной связи с мобильными пользователями;

более широкие возможности по управлению системой и по защите информации.

Среди радиотелефонных систем можно выделить такие их разновидности, как: системы сотовой радиотелефонной связи; системы транкинговой радиотелефонной связи; телефоны с радиотрубкой; телефонные радиоудлинители; системы персональной спутниковой радиосвязи.

Появление сотовой связи было связано с необходимостью создания широкой сети подвижной радиотелефонной связи в условиях достаточно жесткого ограничения на доступные полосы частот. Впервые идея сотовой связи была предложена в декабре 1971 г. компанией Bell System в США. Однако ее появлению предшествовал большой временной период, в течение которого осваивались различные частотные диапазоны, совершенствовались различные технологии и техника связи.

В настоящий момент сотовая связь используется более чем в 140 странах мира на всех континентах земного шара. Россия тоже вошла в число стран, использующих сотовую связь. В России сотовая связь начала внедряться с 1990 г., ас 1991 г. началось ее коммерческое использование.

Транкинговая связь - наиболее оперативный вид двухсторонней мобильной связи. Она является наиболее эффективной для координации мобильных групп абонентов.

Транкинговые системы связи, как правило, используются корпоративными организациями или группой пользователей, объединившихся по организационному признаку или просто «по интересам». Передача информации (трафик) осуществляется, как правило, только внутри транкинговой системы, и выход абонентов во внешние телефонные сети хотя и предусмотрен, но используется в исключительных случаях.

Система транкинговой связи (от англ. trunk - ствол) состоит из базовой станции и абонентских радиостанций - транковые радиотелефоны с телескопическими антеннами. Иногда используют несколько станций с ретрансляторами. Базовая станция соединяется с телефонной линией и ретранслятором большого радиуса действия (50 -100 км). Абонентские радиостанции - транковые радиотелефоны могут быть трех видов:

носимые - масса таких станций бывает порядка 300 - 500 г при радиусе действия 20 - 35 км;

возимые - масса около килограмма и радиусом действия 35 - 70 км;

стационарные - масса более килограмма и радиус действия 50-120 км.

Транковые радиотелефоны могут осуществлять связь как через базовую станцию, находясь в зоне ее действия, так и непосредственно напрямую связываться друг с другом, находясь как в зоне действия базовой станции, так и вне зоны. Этим определяются основное достоинство и принципиальное отличие транкинговой системы от сотовой системы связи.

Телефоны с радиотрубкой отличаются от обычных телефонных аппаратов только тем, что связь между трубкой и базой осуществляется не по проводу, а по радиолинии. Для этого и в трубке, и в телефонном аппарате установлены маломощные приемо-передающие радиоустройства. Такое техническое решение значительно повышает комфортность использования телефона как на работе, так и в домашних условиях. Дальность действия зависит как от модели телефона, так и от окружения, в котором им пользуются. Она может быть от нескольких метров до нескольких километров. Некоторые технические решения позволяют осуществлять связь между радиотрубкой и базой, а при отсутствующей радиотрубке принимать входящие звонки через громкоговорящие обратимые динамики, встроенные в базу.

Персональная спутниковая радиосвязь основана на применении системы спутниковой телекоммуникации - комплексов космических ретрансляторов и абонентских радиотерминалов. Данная технология позволяет обеспечить персональную радиосвязь с абонентом, находящимся в любой точке планеты.

Пейджинговые системы связи являются одной из разновидностей персональной радиосвязи. Основным недостатком данной системы является то, что она позволяет осуществлять только одностороннюю связь, что значительно снижает надежность данной связи и отрицательно влияет на ее оперативность. Но поскольку стоимость данной связи является невысокой, то в настоящее время она очень распространена и широко используется для передачи информации.

Пейджинговая система состоит из терминала, на который поступает вся входящая информация и миниатюрного УКВ приемника (пейджера), который находится у абонента. Терминал состоит из приемо-передающего устройства, контроллера, ретранслятора, пульта управления и антенны. Каждый абонент имеет свой персональный телефонный номер.

Видеосвязь является одной из самых прогрессивных и перспективных связей, которая в настоящий момент начинает проникать и на российский рынок связи. Основным достоинством видеосвязи считается возможность видеть своего собеседника на экране. В процессе обсуждения различных вопросов по видеосвязи можно использовать изображение необходимых рисунков и схем, демонстрировать различные изделия. При этом можно видеть реакцию собеседника, его глаза, что при ведении деловых бесед весьма актуально.

Видеосвязь является синонимом термина видеоконференция или мультимедиасвязь. Видеоконференция не просто видеотелефон на персональном компьютере, а компьютерная технология, которая позволяет людям видеть и слышать друг друга, обмениваться данными и совместно их обрабатывать в интерактивном режиме.

Видеоконференции классифицируются по числу связей, поддерживаемых одновременно с каждым ПК. Например, настольные (точка-с-точкой) видеоконференции предназначены для организации связи между двумя, групповые (многоточечные) видеоконференции предполагают общение одной группы пользователей с другой группой, а студийные (точка-со-многими) предназначены для передачи видеоизображений из одной точки во многие (выступление перед аудиторией слушателей). Естественно, при организации различных видов видеосвязи предъявляются и различные требования к линиям связи.

Факс - это устройство факсимильной передачи изображения по телефонной сети. Название факс произошло от слова «факсимиле» (лат../ас simile - сделай подобное), означающее точное воспроизведение графического оригинала (подписи, документа и т.д.) средствами печати. Модем, который может передавать и получать данные, как факс, называется факс-модемом. Передача изображений по телефонным каналам называется факсимильной службой. Для обеспечения факсимильной передачи необходим факсовый аппарат или компьютер, снабженный факс-модемом.

В процессе факсимильной передачи в точке возникновения (источнике информации) осуществляются ее считывание, кодирование и отправка, а на принимающем устройстве - прием, декодирование (расшифровка) и вывод информации.

Считывание информации происходит полинейно. При этом обеспечивается достаточно качественная пересылка машинописного текста или черно-белого изображения невысокой четкости.

Похожая информация.

Вопрос 1. Понятие информации, виды и способы ее передачи.

Информация (от лат. informatio, разъяснение, изложение, осведомленность) - сведения о лицах, предметах, фактах, явлениях, событиях, реального мира не зависимо от их представления.

Информация - это отображение окружающего нас мира с помощью знаков и сигналов или иначе сведения об объектах и явлениях окружающей среды, их параметрах, свойствах и состоянии, которые воспринимают информационные системы (живые организмы, управляющие машины и др.) в процессе жизнедеятельности и работы.

Однако можно лишь утверждать, что понятие ИНФОРМАЦИЯ предполагает наличие материального носителя информации, источника информации, передатчика информации, приемника и канала связи между источником и приемником.

Классификация информации

Информацию можно разделить на виды по различным критериям:

по способу восприятия:

Визуальная - воспринимаемая органами зрения.

Аудиальная - воспринимаемая органами слуха.

Тактильная - воспринимаемая тактильными рецепторами.

Обонятельная - воспринимаемая обонятельными рецепторами.

Вкусовая - воспринимаемая вкусовыми рецепторами.

по форме представления:

Текстовая - передаваемая в виде символов, предназначенных обозначать лексемы языка.

Числовая - в виде цифр и знаков, обозначающих математические действия.

Графическая - в виде изображений, предметов, графиков.

Звуковая - устная или в виде записи и передачи лексем языка аудиальным путём.

по назначению:

Массовая - содержит тривиальные сведения и оперирует набором понятий, понятным большей части социума.

Специальная - содержит специфический набор понятий, при использовании происходит передача сведений, которые могут быть не понятны основной массе социума, но необходимы и понятны в рамках узкой социальной группы, где используется данная информация.

Секретная - передаваемая узкому кругу лиц и по закрытым (защищённым) каналам.

Личная (приватная) - набор сведений о какой-либо личности, определяющий социальное положение и типы социальных взаимодействий внутри популяции.

по значению:

Актуальная - информация, ценная в данный момент времени.

Достоверная - информация, полученная без искажений.

Понятная - информация, выраженная на языке, понятном тому, кому она предназначена.

Полная - информация, достаточная для принятия правильного решения или понимания.

Полезная - полезность информации определяется субъектом, получившим информацию в зависимости от объёма возможностей её использования.

по истинности:

истинная

Формы информации.

Существует множество способов передачи и обработки информации. Человек может передавать информацию, используя тот или иной язык, жесты, мимику, звуки и воспринимать информацию, используя любые органы чувств. Иными словами информация человеком передается, обрабатывается и принимается в форме знаков или сигналами. Сигнал может быть световым, звуковым (радиоволны), электромагнитным, биохимическим и т.д.

Процесс обработки информации предусматривает наличие носителя информации и средства передачи информации и обработки информации.

Информацию можно:

создавать;принимать;комбинировать;хранить;передавать;копировать;обрабатывать;искать;воспринимать;формализовать;делить на части;измерять;использовать;распространять;упрощать;разрушатзапоминать;преобразовывать;собирать;и т.д. Все эти процессы, связанные с определенными операциями над информацией, называются информационными процессами.

Информация может существовать в виде:

• текстов, рисунков, чертежей, фотографий;
• световых или звуковых сигналов;
• радиоволн;
• электрических и нервных импульсов;
• магнитных записей;
• жестов и мимики;
• запахов и вкусовых ощущений;
• хромосом, посредством которых передаются по наследству признаки и свойства организмов, и т. д.

Вопрос 2.Задачи получения, передачи, преобразования и хранения информации.

1. Передача информации

В процессе передачи информации обязательно участвуют источник и приемник информации: первый передает информацию, второй ее получает. Между ними действует канал передачи информации - канал связи.

Канал связи - совокупность технических устройств, обеспечивающих передачу сигнала от источника к получателю.

Кодирующее устройство - устройство, предназначенное для преобразования исходного сообщения источника к виду, удобному для передачи.

Декодирующее устройство - устройство для преобразования кодированного сообщения в исходное.

Компьютер - это самое популярное средство для обработки, хранения и передачи информации.

2. Преобразование информации

Фундаментальное свойство информации -- преобразуемость. Оно означает, что информация может менять способ и форму своего существования. Копируемость есть разновидность преобразования информации, при котором ее количество не меняется. В информатике отдельно рассматривают аналоговую информацию и цифровую. Это важно, поскольку человек благодаря своим органам чувств, привык иметь дело с аналоговой информацией, а вычислительная техника, наоборот, в основном работает с цифровой информацией. Мы не найдем двух одинаковых зеленых листьев на одном дереве и не услышим двух абсолютно одинаковых звуков -- это информация аналоговая. Если же разным цветам дать номера, а разным звукам -- ноты, то аналоговую информацию можно сделать цифровой.

Музыка, когда мы ее слышим, несет аналоговую информацию, но стоит только записать ее нотами, как она становится цифровой. Разница между аналоговой информацией и цифровой, прежде всего, в том, что аналоговая информация непрерывна, а цифровая - дискретна.

3. Использование информации

Информация используется при принятии решений. Достоверность, полнота, объективность полученной информации обеспечат вам возможность принять правильное решение.

4.Хранение информации.

Хранение информации - это способ распространения информации в пространстве и времени.
Способ хранения информации зависит от ее носителя (книга- библиотека, картина- музей, фотография- альбом).
ЭВМ предназначен для компактного хранения информации с возможностью быстрого доступа к ней.

Носитель информации – среда для записи и хранения информации:

1) Любой материальный предмет (бумага, глиняные, восковые и деревянные таблички, береста, папирус, кожа, камень, узелки на веревке, печатные книги, фотопленка, кинопленка)

2) Волны различной природы (световая волна)

3) Акустические носители

4) Электромагнитные носители

5) Гравитационные носители

6) Вещество в различном состоянии

7) Компьютерные носители (магнитные диски, оптические диски, винчестер, флэш-карта)

Примерами упорядоченного хранения информации является записная книжка, оглавление в книге, словари, расписание, каталоги.

ИТАК, передача, обработка и хранение информации происходит в форме :

5.Передача информации.
В процессе передачи информации обязательно участвуют источник и приемник информации: первый передает информацию, второй ее получает. Между ними действует канал передачи информации - канал связи.
Канал связи - совокупность технических устройств, обеспечивающих передачу сигнала от источника к получателю.
Кодирующее устройство - устройство, предназначенное для преобразования исходного сообщения источника к виду, удобному для передачи.
Декодирующее устройство - устройство для преобразования кодированного сообщения в исходное.
Деятельность людей всегда связана с передачей информации.
В процессе передачи информация может теряться и искажаться: искажение звука в телефоне, атмосферные помехи в радио, искажение или затемнение изображения в телевидении, ошибки при передачи в телеграфе. Эти помехи, или, как их называют специалисты, шумы, искажают информацию. К счастью, существует наука, разрабатывающая способы защиты информации -криптология.

Каналы передачи сообщений характеризуются пропускной способностью и помехозащищенностью.
Каналы передачи данных делятся на симплексные (с передачей информации только в одну сторону (телевидение)) и дуплексные (по которым возможно передавать информацию в оба направления (телефон, телеграф)). По каналу могут одновременно передаваться несколько сообщений. Каждое из этих сообщений выделяется (отделяется от других) с помощью специальных фильтров. Например, возможна фильтрация по частоте передаваемых сообщений, как это делается в радиоканалах.
Пропускная способность канала определяется максимальным количеством символов, передаваемых ему в отсутствии помех. Эта характеристика зависит от физических свойств канала.
Для повышения помехозащищенности канала используются специальные методы передачи сообщений, уменьшающие влияние шумов. Например, вводят лишние символы. Эти символы не несут действительного содержания, но используются для контроля правильности сообщения при получении.
С точки зрения теории информации все то, что делает литературный язык красочным, гибким, богатым оттенками, многоплановым, многозначным,- избыточность.

Состав операционной системы

Современные операционные системы имеют сложную структуру, каждый элемент которой выполняет определенные функции по управлению компьютером.

1. Управление файловой системой . Процесс работы компьютера сводится к обмену файлами между устройствами. В операционной системе имеются программные модули , управляющие файловой системой .

2. Командный процессор . Специальная программа, которая запрашивает у пользователя команды и выполняет их.

3. Драйверы устройств. Специальные программы, которые обеспечивают управление работой устройств и согласование информационного обмена с другими устройствами, а также позволяют производить настройку некоторых параметров устройств. Технология «Plug ad Play» (подключай и играй) позволяет автоматизировать подключение к компьютеру новых устройств и обеспечивает их конфигурирование.

4. Графический интерфейс. Используется для упрощения работы пользователя.

5. Сервисные программы или утилиты. Программы, позволяющие обслуживать диски (проверять, сжимать, дефрагментировать и т.д.), выполнять операции с файлами (архивировать и т.д.), работать в компьютерных сетях и т.д.

6. Справочная система. Позволяет оперативно получить информацию как о функционировании операционной системы в целом, так и о работе ее отдельных модулей.

Наиболее общим подходом к структуризации операционной системы является разделение всех ее модулей на две группы:

1. Ядро – это модули, выполняющие основные функции ОС.
2. Вспомогательные модули , выполняющие вспомогательные функции ОС. Одним из определяющих свойств ядра является работа в привилегированном режиме .

Структура компилятора

Процесс компиляции состоит из следующих этапов:

1. Лексический анализ На этом этапе последовательность символов исходного файла преобразуется в последовательность лексем.
2. Синтаксический анализ Последовательность лексем преобразуется в семантическое дерево.
3. Оптимизация Выполняется удаление изличших конструкций и упрощение семантического дерева.
4. Генерация кода. Семантическое дерево преобразуется в целевой язык.

Стадии работы компилятора

Работа компилятора состоит из нескольких стадий, которые могут выполняться последовательно, либо совмещаться по времени. Эти стадии могут быть представлены в виде схемы.

Первая стадия работы компилятора называется лексическим анализом , а программа, её реализующая, - лексическим анализатором (ЛА). На вход лексического анализатора подаётся последовательность символов входного языка. ЛА выделяет в этой последовательности простейшие конструкции языка, которые называют лексическими единицами. Примерами лексических единиц являются идентификаторы, числа, символы операций, служебные слова и т.д. ЛА преобразует исходный текст, заменяя лексические единицы их внутренним представлением - лексемами . Лексема может включать информацию о классе лексической единицы и её значении. Кроме того, для некоторых классов лексических единиц ЛА строит таблицы, например, таблицу идентификаторов, констант, которые используются на последующих стадиях компиляции.

Вторую стадию работы компилятора называют синтаксическим анализом , а соответствующую программу - синтаксическим анализатором (СА). На вход СА подается последовательность лексем, которая преобразуется в промежуточный код , представляющий собой последовательность символов действия или атомов. Каждый атом включает описание операции, которую нужно выполнить, с указанием используемых операндов. При этом последовательность расположения атомов, в отличие от лексем, соответствует порядку выполнения операций, необходимому для получения результата.

На третьей стадии работы компилятора осуществляется построение выходного текста. Программа, реализующая эту стадию, называется генератором выходного текста (Г). Генератор каждому символу действия, поступающему на его вход, ставит в соответствие одну или несколько команд выходного языка. В качестве выходного языка могут быть использованы команды устройства, команды ассемблера, либо операторы какого-либо другого языка.

Рассмотренная схема компилятора является упрощенной, поскольку реальные компиляторы, как правило, включают стадии оптимизации.

Вопрос 12. Требования к языкам программирования и их классификация.

Основные требования, предъявляемые к языкам программирования:

наглядность - использование в языке по возможности уже существующих символов, хорошо известных и понятных как программистам, так и пользователям ЭВМ;

единство - использование одних и тех же символов для обозначения одних и тех же или родственных понятий в разных частях алгоритма. Количество этих символов должно быть по возможности минимальным;

гибкость - возможность относительно удобного, несложного описания распространенных приемов математических вычислений с помощью имеющегося в языке ограниченного набора изобразительных средств;

модульность - возможность описания сложных алгоритмов в виде совокупности простых модулей, которые могут быть составлены отдельно и использованы в различных сложных алгоритмах;

однозначность - недвусмысленность записи любого алгоритма. Отсутствие ее могло бы привести к неправильным ответам при решении задач.

Машинно – ориентированные языки – это языки, наборы операторов и изобразительные средства которых существенно зависят от особенностей ЭВМ (внутреннего языка, структуры памяти и т.д.). Машинно –ориентированные языки позволяют использовать все возможности и особенности Машинно – зависимых языков:

Высокое качество создаваемых программ (компактность и скорость выполнения);

Возможность использования конкретных аппаратных ресурсов;

Предсказуемость объектного кода и заказов памяти;

Для составления эффективных программ необходимо знать систему команд и особенностифункционирования данной ЭВМ;

Трудоемкость процесса составления программ (особенно на машинных языках и ЯСК), плохо защищенного отпоявления ошибок;

Низкая скорость программирования;

Невозможность непосредственного использования программ, составленных на этих языках, на ЭВМдругих типов.

Машинно-ориентированные языки по степени автоматического программирования подразделяются на классы.

- Машинный язык

Отдельный компьютер имеет свой определенный Машинный язык (далее МЯ), ему предписывают выполнение указываемых операций над определяемыми ими операндами, поэтому МЯ является командным.

- Языки Символического Кодирования

Языки Символического Кодирования (далее ЯСК),так же, как и МЯ, являются командными. Однако коды операций и адреса в машинных командах, представляющие собой последовательность двоичных (во внутреннем коде) или восьмеричных (часто используемых при написании программ) цифр, в ЯСК заменены на символы (идентификаторы), форма написания которых помогает программисту легче запоминать смысловое содержание операции. Это обеспечивает существенное уменьшение числа ошибок при составлении программ. Использование символических адресов – первый шаг к созданию ЯСК.

- Автокоды

Есть также языки, включающие в себя все возможности ЯСК, посредством расширенного введения макрокоманд - они называются Автокоды.

Макрокоманды обеспечивают передачу фактических параметров, которые в процессе трансляции вставляются в«остов» программы, превращая её в реальную машинную программу.

Развитые автокоды получили название Ассемблеры. Сервисные программы и пр., как правило, составлены на языках типа Ассемблер.

- Макрос

Язык, являющийся средством для замены последовательности символов описывающих выполнение требуемых действий ЭВМ наиболее сжатую форму - называется Макрос (средство замены).

В основном, Макрос предназначен для того, чтобы сократить запись исходной программы. Компонент программного обеспечения, обеспечивающий функционирование макросов, называется макропроцессором. На макропроцессор поступает макроопределяющий и исходный текст. Реакция макропроцессора на вызов-выдачу выходного текста.

Макрос одинаково может работать, как с программами, так и с данными.

Машинно – независимые языки – это средство описания алгоритмов решения задач и информации, подлежащей обработке. Они удобны в использовании для широкого круга пользователей и не требуют от них знания особенностей организации функционирования ЭВМ и ВС.

Подобные языки получили название высокоуровневых языков программирования. Программы, составляемые на таких языках, представляют собой последовательности операторов, структурированные согласно правилам рассматривания языка(задачи, сегменты, блоки и т.д.). Операторы языка описывают действия, которые должна выполнять система после трансляции программы на МЯ.

-Проблемно – ориентированные языки

С расширением областей применения вычислительной техники возникла необходимость формализовать представление постановки и решение новых классов задач. Необходимо было создать такие языки программирования, которые, используя в данной области обозначения и терминологию, позволили бы описывать требуемые алгоритмы решения для поставленных задач, ими стали проблемно – ориентированные языки. Эти языки, языки ориентированные на решение определенных проблем, должны обеспечить программиста средствами, позволяющими коротко и четко формулировать задачу и получать результаты в требуемой форме.

Фортран, Алгол – языки, созданные для решения математических задач;

-Универсальные языки

Универсальные языки были созданы для широкого круга задач: коммерческих, научных, моделирования и т.д.

-Диалоговые языки

Появление новых технических возможностей поставило задачу перед системными программистами –создать программные средства, обеспечивающие оперативное взаимодействие человека с ЭВМ их назвали диалоговыми языками.

Задачи: управление и описание алгоритмов решения задач..

Одним из примеров диалоговых языков является Бэйсик.

Бэйсик использует обозначения подобные обычным математическим выражениям. Многие операторы являются упрощенными вариантами операторов языка Фортран. Поэтому этот язык позволяет решать достаточно широкий круг задач.

-Непроцедурные языки

Непроцедурные языки составляют группу языков, описывающих организацию данных, обрабатываемых по фиксированным алгоритмам(табличные языки и генераторы отчетов), и языков связи с операционными системами.

Программы, составленные на табличном языке, удобно описывают сложные ситуации, возникающие при системном анализе.

Рекурсивные структуры

1.4.1. Список

Список относится к особой группе структур - это так на­зы­ва­е­мые ре­курсивные структуры.

Приведем рекурсивное определение списка: Списком называется со­­во­купность

связанных элементов, из которых один является осо­бым элементом (первым,"головой"), а все остальные образуют спи­сок. Рекурсивные структуры в программировании замечательны тем, что мно­гие операции по их обработке можно эффективно реализовать с использованием рекурсивных процедур, которые отличаются боль­шой ла­коничностью и наглядностью.

1.4.2. Набор

Другим примером рекурсивной структуры является структура на­бора, которая

определяется следующим образом: Набором называется совокупность связанных

элементов, каждый из которых может быть ли­бо атомом, либо набором. Атом

определяет "неделимый" элемент на­бора, предназначенный для хранения

элементарной порции ин­фор­ма­ции. Реализация наборов основана на

использовании разнородных списков.

1.4.3. Дерево

Еще один пример рекурсивной структуры, широко использующейся в

программировании - структура дерева. Деревом называется сово­купность

связанных элементов - вершин дерева, включающая в себя один особый элемент -

корень, при этом все остальные эле­мен­ты образуют поддеревья. Наиболее

широко используется струк­ту­ра бинарного дерева, все множество вершин

которого делится (по отношению к корню) на два подмножества - два поддерева

(левое и правое).

Примеры рекурсивных алгоритмов

6.1. Рисование дерева

6.2. Ханойские башни

6.3. Синтаксический анализ арифметических выражений

6.4. Быстрые сортировки

6.5. Произвольное количество вложенных циклов

6.6. Задачи на графах

6.7. Фракталы

Присваивание

В одной строке может стоять больше одной операции присваивания =.

Знак = всегда означает: "переменной слева присвоить значение, стоящее справа ". Операция выполняется справа налево. Поэтому первой значение 100 получает переменная d, затем с, b и а.

Знак присвоить может стоять даже внутри математического выражения:

Присваивание имеет более высокий приоритет, чем сложение и вычитание. Поэтому сначала переменной r будет присвоено значение 9-с. А затем переменная value получит значение 5+9-с.

Составное присваивание

При написании программы часто требуется изменить значение переменной. Например, требуется взять текущее значение переменной, прибавить или умножить это значение на какое-то выражение, а затем присвоить это значение той же переменной. Такие операции выполняют операторы составного присваивания.

Преобразование типов

(тип данных) выражение

v=(double)age*f;

Переменная age временно преобразуется к типу с плавающей точкой двойной точности и умножается на переменную f.

Операции отношения

Операции инкремента (++) и декремента (-)

В языке C++ предусмотрены две уникальные операции, которые увеличивают или уменьшают значение переменной на 1.

Префиксный и постфиксные операции различаются приоритетом. Префиксные операции имеют самый большой приоритет и выполняются до любой другой операции. Постфиксные операции имею самый маленький приоритет и выполняются после всех остальных операции.

Операция sizeof

Имеет формат

sizeof данные

sizeof (тип данных)

Операция sizeof возвращает размер в байтах указанного в ней данного или типа данных.

cout " "Размер типа float в байтах=\t" "sizeof (float)

Результат: 4.

Операция "запятая"

Дополнительная операция (,) не работает непосредственно с данными, а приводит к вычислению выражения слева направо. Эта операция позволяет Вам использовать в одной строке несколько выражений, разделенных запятой.

Оператор?:

(Условие) ? (выражение1):(выражение2)

Если условие истинно, то выполняется выражение1, а если ложно, то выражение2.

(а>b) ? (ans =10):(ans=25);

ans=(a>b)?(10):(25);

Если а>b, то переменная ans получается значение 10, иначе - значение 0.25

Поразрядные операции

|,или

^ исключающее или

Логические бинарные операции (&&-конъюнкция(И) и || дизъюнкция (или))

Унарные операции:

& - операция получения адреса операнда

* - операция обращения по адресу, т.е. раскрытия ссылки, иначе операция разыменования (доступа по адресу к значению того объекта, на который указывает операнд (адрес)).

Унарный минус- изменяет знак арифметического операнда.

Унарный плюс (введен для симметрии с унарным минусом)

! – логическое отрицание значения операнда.

Увеличение на единицу (инкремент или автоувеличение):

префиксная операция – увеличение значения операнда на 1 до его использования

постфиксная операция – увеличение значения операнда на 1 после его использования.

Операнд не может быть константой.

sizeof – операция вычисления размера(в байтах) для объекта того типа, который имеет операнд.

Бинарные операции:

Аддитивные (+- сложение арифметических операндов, - вычитание арифметических операндов)

Мультипликативные (* - умножение операндов арифметического типа, / - деление операндов арифметического типа, %- получение остатка от деления целочисленных операндов (деление по модулю))

Операции сдвига (<<- сдвиг влево битового представления значения левого целочисленного операнда на количество разрядов, равное значению правого целочисленного операнда, >>- сдвиг вправо битового представления значения левого целочисленного операнда на количество разрядов, равное значению правого целочисленного операнда)

Операции отношения (сравнения) (> < <= >= != = =-равно)

Логические бинарные операции (&&-конъюнкция(И) и || дизъюнкция (или))

Операции присваивания (=- присвоить значение выражения-операнда из правой части операнду левой части p=10.3 – 2*x, *= присвоить левой части произведение значений обоих операндов P*=2 эквивалентно P = P*2, /= P/=2.2-d эквивалентно P=P/ (2.2-d), %= N%3 эквивалентно N=N % 3;,+= присвоить операнду левой части сумму значений обоих операндов А+= В эквивалентно А=А+В, -= Х -=4.5 – z эквивалентно Х=Х – (4.2 – z),

Запятая в качестве операции (несколько выражений, разделенных запятыми, вычисляются последовательно слева направо. В качестве результата сохраняются тип и результат самого правого значения).

Приоритеты операций задают последовательность вычислений в сложном выражении

Вопрос 26. Потоковый ввод и вывод информации в языке С++

Дело в том, что никакая полезная программа не может быть написана на языке С++ без привлечения библиотек, включаемых в конкретную среду (в компилятор) языка. Самая незаменимая из этих библиотек - библиотека ввода-вывода.

Потоки ввода-вывода

В соответствии с названием заголовочного файла iostream.h (stream - поток; "i" - сокращение от input - ввод; "o" - сокращение от output - вывод) описанные в этом файле средства ввода-вывода обеспечивают программиста механизмами для извлечения данных из потоков и для включения (внесения) данных в потоки. Поток определяется как последовательность байтов (символов) и с точки зрения программы не зависит от тех конкретных устройств (файл на диске, принтер, клавиатура, дисплей, стример и т.п.), с которыми ведется обмен данными. При обмене с потоком часто используется вспомогательный участок основной памяти - буфер потока.

В буфер потока помещаются выводимые программой данные перед тем, как они будут переданы к внешнему устройству. При вводе данных они вначале помещаются в буфер и только затем передаются в область памяти выполняемой программы. Использование буфера как промежуточной ступени при обменах с внешними устройствами повышает скорость передачи данных, так как реальные пересылки осуществляются только тогда, когда буфер уже заполнен (при выводе) или пуст (при вводе).

Работу, связанную с заполнением и очисткой буферов ввода-вывода, операционная система очень часто берет на себя и выполняет без явного участия программиста. Поэтому поток в прикладной программе обычно можно рассматривать просто как последовательность байтов. При этом очень важно, что никакой связи значений этих байтов с кодами какого-либо алфавита не предусматривается. Задача программиста при вводе-выводе с помощью потоков - установить соответствие между участвующими в обмене типизированными объектами и последовательностью байтов потока, в которой отсутствуют всякие сведения о типах представляемой (передаваемой) информации.

Используемые в программах потоки логически делятся на три типа:

Входные, из которых читается информация;

Выходные, в которые вводятся данные;

Двунаправленные, допускающие как чтение, так и запись.

Все потоки библиотеки ввода-вывода последовательные, т.е. в каждый момент для потока определены позиции записи и (или) чтения, и эти позиции после обмена перемещаются по потоку на длину переданной порции данных.

В соответствии с особенностями "устройства", к которому "присоединен" поток, потоки принято делить на

Стандартные,

Консольные,

Строковые и

Файловые.

В заключение перечислим отличительные особенности применения механизма потоков. Потоки обеспечивают:

Буферизацию при обменах с внешними устройствами;

Независимость программы от файловой системы конкретной операционной системы;

Контроль типов передаваемых данных;

Возможность удобного обмена для типов, определенных пользователем.

Под вводом-выводом в программировании понимается процесс обмена информацией между оперативной памятью и внешними устройствами: клавиатурой, дисплеем, магнитными накопителями и т. п. Ввод - это занесение информации с внешних устройств в оперативную память, а вывод - вынос информации из оперативной памяти на внешние устройства. Такие устройства, как дисплей и принтер, предназначены только для вывода; клавиатура - устройство ввода. Магнитные накопители (диски, ленты) используются как для ввода, так и для вывода.

Основным понятием, связанным с информацией на внешних устройствах ЭВМ, является понятие файла. Всякая операция ввода-вывода трактуется как операция обмена с файлами: ввод - это чтение из файла в оперативную память; вывод - запись информации из оперативной памяти в файл. Поэтому вопрос об организации в языке программирования ввода-вывода сводится к вопросу об организации работы с файлами.

Вспомним, что в Паскале мы использовали представления о внутреннем и внешнем файле. Внутренний файл - это переменная файлового типа, являющаяся структурированной величиной. Элементы файловой переменной могут иметь разный тип и, соответственно, разную длину и форму внутреннего представления. Внутренний файл связывается с внешним (физическим) файлом с помощью стандартной процедуры Assign. Один элемент файловой переменной становится отдельной записью во внешнем файле и может быть прочитан или записан с помощью одной команды. Попытка записать в файл или прочитать из него величину, не совпадающую по типу с типом элементов файла, приводит к ошибке.

Аналогом понятия внутреннего файла в языках Си/Си++ является понятие потока. Отличие от файловой переменной Паскаля состоит в том, что потоку в Си не ставится в соответствие тип. Поток - это байтовая последовательность, передаваемая в процессе ввода-вывода.

Поток должен быть связан с каким-либо внешним устройством или файлом на диске. В терминологии Си это звучит так: поток должен быть направлен на какое-то устройство или файл.

Основные отличия файлов в Си состоят в следующем: здесь отсутствует понятие типа файла и, следовательно, фиксированной структуры записи файла. Любой файл рассматривается как байтовая последовательность:

Стрелочкой обозначен указатель файла, определяющий текущий байт файла. EOF является стандартной константой - признаком конца файла.

Стандартные потоки (istream, ostream, iostream ) служат для работы с терминалом. Строковые потоки (istrstream, ostrstream, strstream ) служат для ввода-вывода из строковых буферов, размещенных в памяти. Файловые потоки (ifstream, ofstream, fstream ) служат для работы с файлами.

· ios базовый потоковый класс

· streambuf буферизация потоков

· istream потоки ввода

· ostream потоки вывода

· iostream двунаправленные потоки

· iostream_withassign поток с переопределенной операцией присваивания

· istrstream строковые потоки ввода

· ostrstream строковые потоки вывода

· strstream двунаправленные строковые потоки

· ifstream файловые потоки ввода

· ofstream файловые потоки вывода

· fstream двунаправленные файловые потоки

· Потоки для работы с файлами создаются как объекты следующих классов:

· ofstream - запись в файл;

· ifstream - чтение из файла;

· fstream - чтение/запись.

· Ввод/вывод в C++ осуществляется с помощью потоков библиотеки C++, доступных при подключении заголовочного файла iostream.h (в VC++.NET – объекта-заголовка iostream). Поток представляет собой объект какого-либо потокового класса.

· Потоковые классы сконструированы на основе базового класса ios:

· ios – базовый потоковый класс;

· istream – класс входных потоков;

В современном мире системы связи играют важную роль в развитие нашего мира. Каналы передачи информации буквально опутывают нашу планету, связывая различные информационные сети в единую глобальную сеть Интернет. Дивный мир современных технологий включает в себя передовые открытия науки и техники, не редко связанные также с удивительными возможностями квантового мира. Можно с уверенностью сказать, что на сегодняшний день квантовые технологии прочно вошли в нашу жизнь. Любая мобильная техника в наших карманах оснащена микросхемой памяти, работающая с использованием квантового туннелирования заряда. Подобное техническое решение позволило инженерами компании Toshiba построить 1984 году транзистор с плавающим затвором, ставшим основой для построения современных микросхем памяти. Мы каждый день пользуемся подобными устройствами, не задумываясь, на чем основана их работа. И пока физики ломают голову пытаясь объяснить парадоксы квантовой механики, технологическое развитие берет на вооружение удивительные возможности квантового мира.

В данной статье мы рассмотрим интерференцию света, и разберем способы построения канала связи для мгновенной передачи информации с применением квантовых технологий. Хотя многие полагают, что невозможно передавать информацию быстрее скорости света, при правильном подходе даже такая задача становится решаемой. Думаю, вы сами сможете в этом убедиться.

Введение

Наверняка многие знают о явлении под названием интерференция. Пучок света направляется на непрозрачную ширму с двумя параллельными прорезями, позади которого устанавливается проекционный экран. Особенность прорезей в том, что их ширина приблизительно равна длине волны излучаемого света. На проекционном экране получается целый ряд чередующихся интерференционных полос. Этот опыт, впервые проведенный Томасом Юнгом, демонстрирует интерференцию света, ставший экспериментальным доказательством волновой теории света в начале XIX века.

Логично предположить, что фотоны должны проходить сквозь щели, создавая две параллельные полосы света на заднем экране. Но вместо этого на экране образуется множество полос, в которых чередуются участки света и темноты. Дело в том, что когда свет ведет себя как волна, каждая прорезь является источником вторичных волн. В местах, где вторичные волны достигают экран в одной фазе, их амплитуды складываются, что создает максимум яркости. А там, где волны оказываются в противофазе - их амплитуды компенсируются, что создает минимум яркости. Периодическое изменение яркости при наложении вторичных волн создает на экране интерференционные полосы.

Но почему же свет ведет себя как волна? В начале, ученые предположили, что возможно фотоны сталкиваются между собой и решили выпускать их поодиночке. В течение часа на экране вновь образовалась интерференционная картина. Попытки объяснить данное явление привели к предположению, что фотон разделяется, проходит через обе щели, и сталкиваясь сам собой образует интерференционную картину на экране.

Любопытство ученых не давало покоя. Они хотели знать, через какую щель фотон проходит по настоящему, и решили пронаблюдать. Для раскрытия этой тайны перед каждой щелью поставили детекторы, фиксирующей прохождение фотона. В ходе эксперимента выяснилось, что фотон проходит только через одну щель, либо через первую, либо через вторую. В результате на экране образовались две параллельные полосы света, без единого намека на интерференцию. Наблюдение за фотонами разрушило волновую функцию света, и фотоны начали вести себя как частицы! Пока фотоны находятся в квантовой неопределенности, они распространяются как волны. Но когда за ними наблюдают, фотоны теряют волновую функцию и начинают вести себя как частицы.

Далее опыт повторили еще раз, с включенными детекторами, но без записи данных о траектории движения фотонов. Несмотря на то, что опыт полностью повторяет предыдущий, за исключением возможности получения информации, через некоторое время на экране вновь образовалась интерференционная картина из светлых и темных полос.

Получается, что влияние оказывает не любое наблюдение, а только такое, при котором можно получить информацию о траектории движения фотонов. И это подтверждает следующий эксперимент, когда траектория движения фотонов отслеживается не с помощью детекторов установленных перед каждой щелью, а с помощью дополнительных ловушек, по которым можно восстановить траекторию движения не оказывая взаимодействия к исходным фотонам.

Квантовый ластик

Начнем с самой простой схемы (это именно схематичное изображение эксперимента, а не реальная схема установки).

Отправим лазерный луч на полупрозрачное зеркало (ПП) . Обычно такое зеркало отражает половину падающего на него света, а другая половина проходит насквозь. Но фотоны, будучи в состоянии квантовой неопределенности, попадая на полупрозрачное зеркало, выбирают оба направления одновременно. Затем, каждый луч отражаясь зеркалами (1) и (2) попадает на экран, где наблюдаем интерференционные полосы. Все просто и ясно: фотоны ведут себя как волны.

Теперь попытаемся понять, по какому же именно пути прошли фотоны – по верхнему или по нижнему. Для этого на каждом пути поставим даун–конверторы (ДК) . Даун–конвертор – это прибор, который при попадании в него одного фотона рождает 2 фотона на выходе (каждая с половиной энергии), один из которых попадает на экран (сигнальный фотон ), а второй попадает в детектор (3) или (4) (холостой фотон ). Получив данные с детекторов мы будем знать, по какому пути прошел каждый фотон. В этом случае интерференционная картина исчезает, ведь мы узнали, где именно прошли фотоны, а значит, разрушили квантовую неопределенность.

Далее мы немного усложним эксперимент. Поставим на пути каждого «холостого» фотона отражающие зеркала и направим их на второе полупрозрачное зеркало (слева от источника на схеме). Прохождение второго полупрозрачного зеркала стирает информацию о траектории холостых фотонов и восстанавливает интерференцию (согласно схеме интерферометра Маха Цендера). Не зависимо от того, какой из детекторов сработает, мы не сможем узнать по какому пути прошли фотоны. Этой замысловатой схемой мы стираем информацию о выборе пути и восстанавливаем квантовую неопределенность. В результате на экране будет отображаться интерференционная картина.

Если мы решим выдвинуть зеркала, то «холостые » фотоны вновь попадут на детекторы (3) и (4) , и как мы знаем, на экране интерференционная картина исчезнет. Это означает, что меняя положение зеркал, мы можем менять отображаемую картину на экране. Значит, можно воспользоваться этим для кодирования двоичной информации.

Можно немного упростить эксперимент и получить тот же результат, двигая полупрозрачное зеркало на пути «холостых» фотонов:

Как мы видим, «холостые» фотоны преодолевают больше расстояния, чем их партнеры, которые попадают на экран. Логично предположить, если изображение на экране формируется раньше, то полученная картина не должна соответствовать тому, определяем ли мы траекторию фотонов или стираем эту информацию. Но практические опыты показывают обратное – не зависимо от расстояния, изображение на экране всегда соответствует выполненным действиям с холостыми фотонами. Согласно информации из википедии :

Основной результат эксперимента заключается в том, что не имеет значения, был процесс стирания выполнен до или после того, как фотоны достигли экрана детектора.

Подобный опыт также описывается в книге Брайана Грина «Ткань космоса и пространство» . Это кажется невероятным, меняющим причинно-следственные связи. Попробуем разобраться что к чему.

Немного теории

Если посмотрим специальную теорию относительности Эйнштейна по мере увеличения скорости происходит замедление времени, согласно формуле:

где r – длительность времени, v – относительная скорость движения объекта.

Скорость света является предельной величиной, поэтому для самих частиц света (фотонов) время замедляется до нуля. Правильнее сказать для фотонов не существует времени, для них существует только текущий момент, в котором они пребывают в любой точке своей траектории. Это может казаться странным, ведь мы привыкли полагать, что свет от далеких звезд достигает нас спустя миллионы лет. Но с ИСО частиц света, фотоны достигают наблюдателя в тот же момент времени, как только они излучаются далекими звездами.

Дело в том, что настоящее время для неподвижных объектов и движущихся объектов может не совпадать. Чтобы представить время, необходимо рассмотреть пространство-время в виде непрерывного блока растянутого во времени. Срезы, формирующие блок, являются моментами настоящего времени для наблюдателя. Каждый срез представляет пространство в один момент времени с его точки зрения. Этот момент включает в себя все точки пространства и все события во вселенной, которые представляются для наблюдателя как происходящее одновременно.

В зависимости от скорости движения, срез настоящего времени будет делить пространство-время под разными углами. По направлению движению, срез настоящего времени смещается в будущее. В противоположном направлении, срез настоящего времени смещается в прошлое.

Чем больше скорость движения, тем больше угол среза. При скорости света срез настоящего времени имеет максимальный угол смещения 45°, при котором время останавливается и фотоны пребывают в одном моменте времени в любой точке своей траектории.

Возникает резонный вопрос, каким образом фотон может одновременно находится в разных точках пространства? Попробуем разобраться, что же происходит с пространством на скорости света. Как известно, по мере увеличения скорости наблюдается эффект релятивистского сокращения длины, согласно формуле:

Где l – это длина, а v – относительная скорость движения объекта.

Не трудно заметить, что на скорости света любая длина в пространстве будет сжато до нулевого размера. Значит, по направлению движения фотонов, пространство сжимается в маленькую точку планковских размеров, при котором исчезает само понятие о пространстве-времени. Можно сказать для фотонов не существует пространства, так как вся их траектория в пространстве с ИСО фотонов находится в одной точке.

Итак, теперь мы знаем, что не зависимо от пройденного расстояния сигнальные и холостые фотоны одновременно достигают экрана и детекторов, так как с точки зрения фотонов не существует ни времени ни пространства. Учитывая квантовую сцепленность сигнальных и холостых фотонов, любое воздействие на один фотон будет моментально отражается на состоянии его партнера. Соответственно, картина на экране всегда должна соответствовать тому, определяем ли мы траекторию фотонов, либо стираем эту информацию. Это дает потенциальную возможность моментальной передачи информации. Стоит только учесть, что наблюдатель не движется со скоростью света, и поэтому картину на экране необходимо анализировать после того, как холостые фотоны достигнут детекторов.

Практическая реализация

Оставим теорию теоретикам и вернемся к практической части нашего эксперимента. Чтобы получить картину на экране потребуется включить источник света и направить поток фотонов на экран. Кодирование информации будет происходить на удаленном объекте, движением полупрозрачного зеркала на пути холостых фотонов. Предполагается, что передающее устройство будет кодировать информацию с равными интервалами времени, например, передавать каждый бит данных за сотую долю секунды.

В качестве экрана можно использовать чувствительную цифровую матрицу, чтобы напрямую записывать чередующиеся изменения. Затем записанную информацию необходимо отложить до момента, пока холостые фотоны достигнут своего местоназначения. После этого можно начать поочередно анализировать записанную информацию, чтобы получить передаваемую информацию. Для примера, если кодирующее устройство находится на Марсе, то анализ информации необходимо начинать с опозданием на десять-двадцать минут (ровно на столько, сколько требуется свету, чтобы достичь красную планету). Несмотря на то, что анализ информации производится с отставанием в десятки минут, полученная информация будет соответствовать тому, что передается с Марса в текущий момент времени. Соответственно, вместе с приемным устройством придется устанавливать лазерный дальномер, чтобы точно определить интервал времени, с которого нужно начинать анализировать передаваемую информацию.

Необходимо также учесть, что окружающая среда оказывает негативное влияние на передаваемую информацию. При прохождении фотонов через воздушное пространство происходит процесс декогеренции, увеличивая помеху в передаваемом сигнале. Чтобы максимально исключить влияние окружающей среды можно передавать сигналы в безвоздушном космическом пространстве, используя для этого спутники связи.

Организовав двухстороннюю связь, в перспективе можно построить каналы связи для моментальной передачи информации на любую дальность, до которых смогут добраться наши космические аппараты. Такие каналы связи будут просто необходимы, если потребуется оперативный доступ к сети интернет за пределами нашей планеты.

P.S. Остался один вопрос, которую мы постарались обойти стороной: а что случится, если мы посмотрим на экран до того, как холостые фотоны достигнут детекторов? Теоретически (с точки зрения теории относительности Эйнштейна), мы должны увидеть события будущего. Более того, если отразить холостые фотоны от далеко расположенного зеркала и вернуть их назад, мы могли бы узнать собственное будущее. Но в реальности, наш мир куда более загадочнее, поэтому, трудно дать правильный ответ без проведения практических опытов. Возможно, мы увидим наиболее вероятный вариант будущего. Но как только мы получим эту информацию, будущее может измениться и возникнуть альтернативная ветка развития событий (согласно гипотезе многомировой интерпретации Эверетта). А возможно мы увидим смесь из интерференции и двух полос (если картина будет составлена из всех возможных вариантов будущего).

Информация - это набор единиц и нолей, значит задача состоит в точной передаче определенной последовательности этих единиц и нолей из точки А в точку Б, от приемника к передатчику.

Это происходит либо по проводу, по которому идет электрический сигнал, (или световой сигнал в опто-волоконном кабеле), либо в беспроводном случае, этот же сигнал передается с помощью радиоволн.

Чтобы передать последовательность из единиц и нулей нужно всего лишь договориться какой сигнал будет означать единицу, а какой ноль.

Может существовать множество видов таких модуляций столько же сколько и свойств у радиоволн.

• У волн есть амплитуда. Отлично, можно использовать изменение амплитуды несущего колебания для кодирования наших нолей и единиц - это амплитудная модуляция, в таком случае амплитуда сигнала для передачи нуля может быть (например) в два раза меньше чем для единицы.
• У волн есть частота. Изменение частоты тоже можно использовать - это уже будет частотная модуляция, такая модуляция похожим образом представляет логическую единицу интервалом с большей частотой, чем ноль.
• Кодирование с помощью изменений фазы несущего колебания - фазовая модуляция.

Итак, вы разговариваете по телефону, звук попадает в микрофон, затем на преобразователь и на передатчик, передатчик излучает радиоволны модулированными, т. е. измененными так, что они несут определенный сигнал, в случае с телефоном - звуковой сигнал.

В антенне приемника, которая стоит на ближайшем доме/вышке под воздействием радиоволн возникают электрические колебания той же частоты, что и у радиоволны, приемник принимает сигнал, ну а дальше в дело вступает еще куча преобразователей передатчиков приемников и проводов между ними...

Принцип тот же, что и у радио, это практически одно и тоже. Для передачи информации используются электрмагнитные волны радиочастот (то есть с очень большой длиной волны). У волны выбирается какая-то характеристика (амплитуда или частота). Затем происходит так называемая модуляция. Грубо говоря (очень упрощенно) в случае мобильной связи характеристика исходной волны, несущей сигнал, ставится в соответствие с характеристикой акустической волны, то есть фактически с помощью информации, содержащейся в исходной волне, вашим телефоном создаются звуковые волны, которые способны воспринимать ваши уши.

Пусть изменяемый параметр волны несущего сигнала - частота, для примера. На пальцах: вот тут частота n Гц, тут m Гц, тогда этим частотам в соответсвие ставятся частоты звуковой волны, и уже вибратор в телефоне создает жти самые звуковые волны.

Ответить

Прокомментировать

В электронных устройствах существуют АЦП. И ЦАП. Первое преобразует аналоговый сигнал (звук) в цифру, а второе наоборот. Момент работы с цифрой - модуляция. Есть еще теорема Котельникова, которая говорит о том, что любой сигнал можно представить как сумму массива цифры от специальной функции sinc. В основном она и заточена уже в ПО. Для сглаживания сигнала или подавления мерцающих помех используют преобразование Фурье, и поиск максимального соотношения сигнал/(шум+помеха). Есть еще по критерию максимума и минимума (смысл просто в том, относительно чего считаем). Сглаживание - итеративное соединение значений i-х цифр (значений цифрового сигнала, то-есть обычной функции, например синуса) с определенным шагом h. Меньше h, больше i - лучше сглаживание. Но медленнее работа алгоритма.

Все пишут про телефонные разговоры, половина из всех пишет уже на полупрофессиональном "сленге"... Попросили же - как для абсолютных нулей в этом... Эх... Хоть мой ответ будет в самом низу, и до него никто не дойдет, считаю своим священным долгом рассказать:D

Про телефонию тут уже рассказали, а вот про блютуз и вайфай - нет. А там довольно интересно. Технология и там и там одинаковая: используются радиоволны определенного диапазона (все жестко регламентированно). Устройство А берет информацию, пляшет над ней с бубном, преобразует в 1010001, например, и отправляет радиоволнами, а устройство Б преобразует радиоволны в 1010001, пляшет обратный танец с бубном и получает исходную информацию. А теперь немного подробностей веселым и понятным языком:

Зашла Алиса в кафе Боба (ваш телефон оказался с вами в кафе с вайфаем или у друга в гостях). Она выключила музыку, сняла наушники (вы включили вайфай на телефоне), и сразу же услышала, как Боб с прилавка орет на всю кафешку так, что на улице слышно:

Меня зовут Боб (Wi-Fi сеть "Боб"), я рядом (Уровень сигнала: отличный), после кофе меня до сих пор штырит (Скорость передачи: 24,3 Mbps), я предохраняюсь (Безопасность: WPA2 PSK) и не даю незнакомцам (Защищено паролем).

"Какой-то озабоченый придурок... Ну, всяко лучше, чем никого", - подумала Алиса и поздоровалась (подключаясь к вайфаю, ваш телефон первым делом представляется).

Боб на нее посмотрел, подозрительно прищурился и спросил (введите пароль): "Мы ведь не встречались раньше, чего надо?"

"Для продавца в кафе это как-то слишком грубо...", - отметила про себя Алиса, но не стала хамить в ответ, а просто обиженым тоном сказала, что зашла купить кофе с пончиком.

А, простите, пожалуйста! У меня так мало посетителей-ПОКУПАТЕЛЕЙ в последнее время, в основном только школяры приходят поглазеть. Да и день в целом плохой, вот и сорвался нечаянно... Вы, Бога ради, не принимайте близко к сердцу, присаживайтесь, я сейчас все сделаю. Кстати, вот вам наша скидочная карта!

(После проверки пароля, если все верно, роутер выдает вашему телефону ID (как наклейку на лоб повесить - он вас будет узнавать с первого взгляда), и потом говорит ключ шифрования передаваемой информации)

Мноие представляют себе передачу информации радиоволнами как "Из точки А в точку Б. По прямой". На самом деле роутер посылает сигнал во все стороны. Ваш телефон, находясь "в зоне поражения" ловит его и отвечает тоже во все стороны. Роутер ловит сигнал, и т.д. В связи с этим (нет нескольких прямых подключений, а просто огромное облако перемешанных радиоволн) все устройства, посылающие информацию, каждый раз представляются, называют адресата и только потом говорят информацию.

То есть и Алиса и Боб будут всегда орать во весь голос (даже если рядом друг с другом) что-то вроде "Алиса Бобу [лырашубвлоубцло (зашифрованная информация)]", "Боб Алисе [фталлк]", "Боб Всем [Меня зовут Боб (и далее по тексту)]", "Боб Саре [аоыоароаоа]".

Блютуз и телефония работают так же, просто отличаются протоколы (правила, по которым стороны представляются, договариваются и взаимодействуют в целом).

О основных принципах передачи тут рассказали (ЦАП, АЦП, кодирование, радиоволны, модуляция и прочие прибамбасы радиофизики и радиотехники), но почему возможна передача?
Если в целом понятно, как происходит передача информации по обычному проводу (допустим электрический сигнал через ЮЗБ кабель), то распространение радиоволн процесс во многом зависящий от многих параметров среды и конфигурации самой волны (частота/ длина волны).
К примеру передача информации в оптоволоконнных сетях возможна благодаря явлению полного внутреннего отражения света(свет, как мы знаем, частично волна).

Некоторый волны распространяются (скажем грубо) прямо от источника к приемнику. Это так называемая область прямой видимости. Тут припишем телевидение и упомянутую в вопросе мобильную связь. Ну и всеми любимый вайфай. Используемые в них радиоволны относятся к УКВ диапазону (ультракороткие волны), а следовательно к СВЧ (сверх высокие частоты).
От чего зависит возможность распространения этого диапазона? Опять же от наличия препятствий. Различные препятствия (стены, потолки, мебель, металлические двери и т.д.), расположенные между Wi-Fi и устройствами, могут частично или значительно отражать/поглощать радиосигналы, что приводит к частичной или полной потере сигнала.

В городах с многоэтажной застройкой основным препятствием для радиосигнала являются здания. Наличие капитальных стен (бетон+арматура), листового металла, штукатурки на стенах, стальных каркасов и т.п. влияет на качество радиосигнала и может значительно ухудшать работу Wi-Fi-устройств.

Из-за чего это происходит? Открываем школьный учебник физики и находим явление дифракции, основным условие которого является соизмеримость длины волны с размером препятствий. У того же 4g длина волны составляет 1 см до 10 см(а теперь давайте прикинем высоту и длину стен пятиэтажки). Поэтому вышки мобильной связи стараются располагать выше городских зданий для того, чтобы волны не только огибали препятствия (дифракция), но буквально падали нам на голову.

Но не забываем еще о мощности сигнала! У маломощного сигнала больше вероятность попасть в небытие, чем у мощного.

Коротко для непрофессионалов:
1) Передача сигнала через эфир (без проводов) возможна ввиду наличия такого физического явления, как электромагнитные волны, или, короче, радиоволн. (Собственно без них даже жизнь невозможна - это одна из основ природы). Человечество более 100 лет назад научилось использовать радиоволны для передачи информации.
2) Как происходит в подробностях объяснить очень сложно и долго, хотя некоторые тут попытались. Ну вот я тоже попробую. Цифровые сигналы (нули и единицы) специальным образом кодируются, шифруются и преобразовываются. Из набора цифр удаляется избыточная информация (например, много нулей или единиц подряд нет смысла передавать, можно передать только информацию о том, сколько их), потом они специальным образом перемешиваются и добавляется немного избыточной информации - это для возможности восстановления утерянных данных (ошибки при передаче неизбежны), далее они модулируются. В модуляторе определённому набору единиц и цифр присваивается определённое состояние радиоволны (чаще всего это состояние фазы и амплитуды). Чем меньшую последовательность цифр мы кодируем, тем больше помехозащищенность, но меньшее количество информации можно передать за единицу времени (то есть скорость передачи информации будет меньше). Далее сигнал переносится на нужную частоту и оправляется в эфир. На приёмнике происходит обратное преобразование. В реальности для разных протоколов передачи информации добавляются свои дополнительные заморочки: шифрование, защитное кодирование, нередко модулированный сигнал ещё раз перемодулируется (иерархические модуляции). И всё для того, чтобы повысить скорость и качество передачи информации. Чем больше заморочек, тем больше цена устройств, но, когда какой-то протокол передачи информации становится массовым и стандартным, цена на чипы начинает падать, и устройства дешевеют. Так вот Wi-max так толком и не запустили - никак не могли инженеры различных фирм договориться о стандартизации, а LTE быстренько пошёл в массы.
Отличие передачи цифровых сигналов от аналоговых также в том, что цифровые передаются пакетами. Это позволяет работать на одной частоте приёмнику и передатчику по-очереди, а также распределять сигнал между несколькими пользователями одновременно так, что они этого обычно и не замечают. Некоторые протоколы позволяют работать нескольким разным передатчикам на одной частоте, а методы модуляции "справляются" с большой зашумлённостью и с проблемами многолучевого приёма (это когда на приёмник попадает несколько переотражённых копий одной радиоволны, что особенно характерно для городов).
Аналоговые сигналы (изображение и звук) перед передачей по цифровым каналам связи предварительно оцифровываются, то есть переводятся в последовательность нулей и единиц, над которыми, кстати, тоже "издеваются": удаляют излишнюю информацию, кодируют от ошибок и т.д.
Цифровые методы передачи информации позволяют нам эффективнее и экономичнее использовать ограниченный природный ресурс - радиочастотный спектр (совокупность всех возможных радиоволн), но, знаете (всплакнём), если когда-либо инопланетяне обнаружат наши цифровые сигналы, то вряд ли они их раскодируют и поймут - очень уж всё "закручено". По этой же причине мы скорее всего не разберём их сигналы.