Что представляет собой процесс передачи информации. Передача информации

Развитие человечества не было бы возможно без обмена информацией. С давних времен люди из поколения в поколение передавали свои знания, извещали об опасности или передавали важную и срочную информацию, обменивались сведениями.

В любом процессе передачи или обмене информацией существует ее источник и получатель , а сама информация передается по каналу связи с помощью сигналов : механических, тепловых, электрических и др. В обычной жизни для человека любой звук, свет являются сигналами, несущими смысловую нагрузку. Например, сирена - это звуковой сигнал тревоги; звонок телефона - сигнал, чтобы взять трубку; красный свет светофора - сигнал, запрещающий переход дороги.

В качестве источника информации может выступать живое существо или техническое устройство. От него информация попадает на кодирующее устройство, которое предназначено для преобразования исходного сообщения в форму, удобную для передачи: микрофон телефона, лист бумаги и т. д. По каналу связи информация попадает в декодирующее устройство получателя, которое преобразует кодированное сообщение в форму, понятную получателю.

В процессе передачи информация может утрачиваться, искажаться. Это происходит из-за различных помех, как на канале связи, так и при кодировании и декодировании информации: искажение звука в телефоне, помехи при телевизионной передаче, ошибки телеграфа, неполнота переданной информации, неверно выраженная мысль, ошибка в расчетах.

При передаче информации важную роль играет форма представления информации. Она может быть понятна источнику информации, но недоступна для понимания получателя.

Прием-передача информации могут происходить с разной скоростью. Количество информации, передаваемое за единицу времени, есть скорость передачи информации или скорость информационного потока.

Эта скорость выражается в таких единицах, как бит в секунду (бит/с), байт в секунду (байт/с), килобайт в секунду (Кбайт/с) и т.д.

Максимальная скорость передачи информации по каналу связи называется пропускной способностью канала .

Следует упомянуть еще одну единицу измерения скорости передачи информации – бод. Бод (англ. baud) в связи и электронике - единица скорости передачи сигнала, количество изменений информационного параметра несущего периодического сигнала в секунду.

Названа по имени Эмиля Бодо, изобретателя кода Бодо - кодировки символов для телетайпов.

Билет № 6

1. Понятие алгоритма. Исполнитель алгоритма. Система команд исполнителя (на примере учебного исполнителя). Свойства алгоритма. Способы записи алгоритмов; блок-схемы.

Появление алгоритмов связывают с зарождением математики. Более 1000 лет назад (в 825 году) ученый из города Хорезма Абдулла (или Абу Джафар) Мухаммед бен Муса аль-Хорезми создал книгу по математике, в которой описал способы выполнения арифметических действий над многозначными числами. Само слово алгоритм возникло в Европе после перевода на латынь книги этого математика.

Алгоритм – описание последовательности действий (план), строгое исполнение которых приводит к решению поставленной задачи за конечное число шагов.

Мы постоянно сталкиваемся с этим понятием в различных сферах деятельности человека (кулинарные книги, инструкции по использованию различных приборов, правила решения математических задач...). Обычно мы выполняем привычные действия не задумываясь, механически.

Объект, который будет выполнять алгоритм, обычно называют исполнителем .

За каждой командой из системы команд исполнителя закреплено конкретное элементарное действие .

Исполнитель - объект, который выполняет алгоритм.

Назначение исполнителя точно выполнить предписания алгоритма, подчас не задумываясь о результате и целях, т.е. формально. Идеальными исполнителями являются машины, роботы, компьютеры...

Компьютер – автоматический исполнитель алгоритмов.

Алгоритм, записанный на «понятном» компьютеру языке программирования, называется программой .

Каждый исполнитель характеризуется средой («местом обитания») и системой команд .

Основными характеристиками исполнителя являются: среда, система команд, элементарные действия, отказы.

Среда (или обстановка) - это "место обитания", множество объектов, которые окружают исполнителя.

Каждый исполнитель может выполнять команды только из некоторого строго заданного списка - системы команд исполнителя. Совокупность всех команд, которые исполнитель может выполнить, называется системой команд исполнителя (СКИ). Для каждой команды должны быть заданы условия применимости (в каких состояниях среды может быть выполнена команда) и описаны результаты выполнения команды.

Свойства алгоритмов:

Дискретность (от лат. discretus - разделённый, прерывистый, раздельность) (алгоритм должен состоять из конкретных действий, следующих в определенном порядке);

Детерминированность (от. лат. determinate – определенность, точность) (любое действие должно быть строго и недвусмысленно определено в каждом случае);

Конечность (каждое действие и алгоритм в целом должны иметь возможность завершения);

Массовость (один и тот же алгоритм можно использовать с разными исходными данными);

Результативность (отсутствие ошибок, алгоритм должен приводить к правильному результату для всех допустимых входных значениях).

Иногда детерминированность разделяют на понятность(исполнитель алгоритма должен понимать, как выполнять каждое действие) и точность, а конечность и массовость объединяет в одно свойство.

На практике наиболее распространены следующие формы представления алгоритмов :

В устной форме.

В письменной форме на естественном языке.

На языке программирования.

Для более наглядного представления алгоритма широко используется графическая форма – блок-схема , которая составляется из стандартных графических объектов.

В блок-схеме каждому типу действий (вводу исходных данных, вычислению значений выражений, проверке условий, управлению повторением действий, окончанию обработки и т.п.) соответствует геометрическая фигура.

Стандартные графические объекты блок-схемы:

Учебными исполнителями называют различные образы на экране компьютера, которыми можно управлять, отдавая команды. Используются они для обучения составлению управляющих алгоритмов.

Есть много различных учебных исполнителей, придуманных для занятий по информатике: Черепашка, Робот, Чертежник, Кенгуренок, и др. Одни исполнители создают рисунки на экране, другие складывают слова из кубиков с буквами, третьи перетаскивают предметы из одного места в другое. Все эти исполнители управляются программным путем. Любому из них свойственна определенная среда деятельности, система команд управления, режимы работы. С помощью каждого из таких исполнителей можно учиться строить алгоритмы управления.

Многие из учебных исполнителей занимаются рисованием на экране компьютера. Из названных выше, это Черепашка, Кенгуренок, Чертежник. Эту группу можно назвать графическими исполнителями. Пусть наш гипотетический (т.е. придуманный) исполнитель тоже будет из этой компании. Назовем его ГРИС, что значит Графический Исполнитель.

Что умеет делать ГРИС? Он может перемещаться по полю и своим хвостом рисовать на этом поле (предположим, что у него есть хвост, к которому привязан кусочек мела).

Среда графического исполнителя это лист (страница экрана) для рисования. ГРИС может перемещаться в горизонтальном и вертикальном направлениях с постоянным шагом. Исполнитель может двигаться только по линиям сетки листа и не может выходить за границы. Состояние исполнителя на поле определяется, во-первых, его местоположением (в какой точке поля он находится) и направлением (куда он смотрит).
Пусть система команд ГРИСа: шаг, поворот, прыжок. Шаг – перемещение ГРИС на один шаг вперед с рисованием линии; поворот – поворот на 90 0 против часовой стрелки; прыжок – перемещение на один шаг вперед без рисования линии. Эти команды будем называть простыми командами.

Составим алгоритм по которому ГРИС нарисует на поле букву «Т». Исходное состояние – чистый лист. Исполнитель находится в точке, где будет находится левый конец горизонтального отрезка буквы «Т», направление вправо. Можно использовать только указанные команды из СКИ: шаг, поворот, прыжок.

Такой алгоритм называется линейным, т.к. команды выполняются последовательно одна за другой и каждая только один раз.

С помощью команд шаг, поворот, прыжок в пределах рабочего поля можно построить любой рисунок, состоящий из вертикальных и горизонтальных отрезков.

Алгоритм Буква «Т»
начало
шаг
шаг
шаг
шаг
шаг
шаг
поворот
поворот
прыжок
прыжок
прыжок
поворот
шаг
шаг
шаг
шаг
шаг
конец

Обработка информации в вычислительных системах невозможна без передачи сообщений между отдельными элементами (оперативной памятью и процессором, процессором и внешними устройствами). Примеры процессов передачи данных приведены в следующей таблице.

В перечисленных выше процессах передачи можно усмотреть определенное сходство. Общая схема передачи информации , , показана на рис.7.1 .

В канале сигнал подвергается различным воздействиям, которые мешают процессу передачи. Воздействия могут быть непреднамеренными (вызванными естественными причинами) или специально организованными (созданными) с какой-то целью некоторым противником. Непреднамеренными воздействиями на процесс передачи (помехами) могут являться уличный шум, электрические разряды (в т. ч. молнии), магнитные возмущения (магнитные бури), туманы, взвеси (для оптических линий связи) и т.п.

Рис. 7.1.

Для изучения механизма воздействия помех на процесс передачи данных и способов защиты от них необходима некоторая модель. Процесс возникновения ошибок описывает модель под названием двоичный симметричный канал (ДСК) , , схема которой показана на рис.7.2 .

При передаче сообщения по ДСК в каждом бите сообщения с вероятностью может произойти ошибка, независимо от наличия ошибок в других битах. Ошибка заключается в замене знака 0 на 1 или 1 на 0.

Некоторые типы ошибок:

Чаще других встречается замена знака. Этот тип ошибок исследован наиболее полно.

Способы повышения надежности передачи сообщений

Если при кодировании сообщений используются оптимальные коды, то при появлении всего лишь одной ошибки все сообщение или его значительная часть может быть искажена. Рассмотрим пример. Пусть кодирование элементарных сообщений источника осуществляется с использованием кодовой таблицы

Тогда закодированное сообщение имеет вид 011011100110. Если в первом знаке произойдет ошибка, то будет принято сообщение 111011100110, которое декодируется в слово . Полное искажение сообщения из-за одной ошибки происходит вследствие того, что одно кодовое слово переходит в другое кодовое слово в результате замены одного или нескольких знаков. Пример показывает, что оптимальное кодирование плохо защищает сообщения от воздействия ошибок.

На практике необходим компромисс между экономностью кода и защитой от ошибок.

Сначала удаляется "бесполезная" избыточность (в основном статистическая), а затем добавляется "полезная" избыточность , которая помогает обнаруживать и исправлять ошибки.

Рассмотрим некоторые методы повышения надежности передачи данных. Широко известными методами борьбы с помехами являются следующие :

1. передача в контексте;
2. дублирование сообщений;
3. передача с переспросом.

Рассмотрим подробней каждый из этих способов.

1. Передача в контексте. С этим хорошо известным и общепринятым способом сталкивался каждый, кто, пытаясь передать по телефону с плохой слышимостью чью-либо фамилию, называл вместо букв, ее составляющих, какие-нибудь имена, первые буквы которых составляют данную фамилию. В данном случае правильному восстановлению искаженного сообщения помогает знание его смыслового содержания.
2. Дублирование сообщений . Этот способ тоже широко применяется в житейской практике, когда для того, чтобы быть правильно понятым, нужное сообщение повторяют несколько раз.
3. Передача с переспросом . В случае, когда получатель имеет связь с источником сообщений , для надежной расшифровки сообщений пользуются переспросом, т. е. просят повторить все переданное сообщение или часть его.

Общим во всех этих способах повышения надежности является введение избыточности, то есть увеличение тем или иным способом объема передаваемого сообщения для возможности его правильной расшифровки при наличии искажений.

Следует отметить, что введение избыточности уменьшает скорость передачи информации, так как только часть передаваемого сообщения представляет интерес для получателя, а избыточная его доля введена для предохранения от шума и не несет в себе полезной информации.

Естественно выбирать такие формы введения избыточности, которые позволяют при минимальном увеличении объема сообщения обеспечивать максимальную помехоустойчивость.

Принципы обнаружения и исправления ошибок с использованием кодов

Способы введения избыточности, позволяющие обнаруживать и исправлять ошибки, можно разделить на два класса, один из которых соответствует блоковым кодам, а другой - сверточным кодам . Обе схемы кодирования применяются на практике. При блоковом кодировании последовательность, составленная из полученных в результате коди-рования источника кодовых слов, разбивается на блоки одинаковой длины. Каждый блок перед отправкой в канал обрабатывается независимо от других. Выход устройства, выполняющего сверточное кодирование , напротив, зависит не только от обрабатываемых в данный момент знаков, но и от предыдущих знаков. Остановимся более подробно на блоковом кодировании.

Как было показано ранее, ошибка в одном лишь разряде может испортить все сообщение. Чтобы избежать таких тяжелых последствий, сообщения, закодированные каким-либо экономным кодом, перед направлением в канал делятся на блоки одинаковой длины и каждый блок передается отдельно. При этом методы, позволяющие обнаруживать и исправлять ошибки, применяются к каждому блоку. Такой прием напоминает разделение большого судна на несколько изолированных друг от друга отсеков, что позволяет при пробоине в одном отсеке сохранить судно и груз в других отсеках.

Рассмотрим схему передачи данных, показанную на рис.7.3 .

С кодирующего устройства в канал поступают закодированные блоки (кодовые слова) одинаковой длины . В канале в результате действия различных помех в некоторых битах передаваемого сообщения могут происходить ошибки. Процедуру кодирования при передаче и

декодирования при приеме с использованием одной и той же кодовой таблицы иллюстрируем рис.7.4 . Предполагается, что появление ошибок описывается моделью дискретного симметричного канала

В геометрической интерпретации эти блоки можно рассматривать как точки n-мерного пространства , где . Точки этого пространства представляют собой последовательности чисел 0 и 1 длины . Пространства для можно представить в виде угловых точек единичного интервала (), вершин квадрата со стороной, равной 1 (), и вершин куба с ребрами длины 1 (). Эти пространства условно изображены на рис.7.5 .

Код, используемый для обнаружения и исправления ошибок, представляет собой некоторое

Случай на собеседовании при приеме на работу.
Директор: Сколько будет дважды два?
Кандидат (на должность главбуха): А сколько нужно?..

Послесловие или в заключение(и)

Был такой политический анекдот. Идет человек по Красной площади с плакатом: «Свободу Леониду Ильичу Брежневу!». Его, естественно, забирают, куда следует, выясняют мотивы. Он искренне отвечает, что требует освободить Брежнева.

– Как так, он же на свободе, кто Вам сказал обратное?
– Отвечает: “Включаю радио, а там говорят: «…В заключении Леонид Ильич Брежнев сказал…».

Так и здесь, начинаю с заключения. Вместо предисловия. Почему, в чем причина?

Написал эту статью давно. Оставил, чтобы прочитать позже, внести коррективы. А может быть, и переписать. Настало время. Открываю – не то! Помню, что писал еще про это и про то, а в тексте нет. Все пропало?!

Перерываю весь комп. Есть другие версии статьи, но там еще хуже. Еще более ранние версии.

Ищу в архивах на внешних носителях. И там есть, но опять более старые варианты. Где же она?

Вдруг случайно обнаруживаю текст на флешке, которая не предназначена для длительного хранения информации. Так, для переноса данных, если лениво посылать по почте или через сеть.

Но почему на ней последняя версия, и больше нет нигде? Ведь надо быть полным … понятно кем, чтобы удалить последний текст с компа, оставив его только на флешке временного хранения.

Путем длительного вспоминания выясняю. Да, сделал текст на компе. Переписал на флешку, чтобы окончательные доработки сделать на другом компьютере с более удобной клавиатурой. В этот момент пришла новая мысль. Открыл файл прямо на флешке. Отредактировал. Сообразил, что на флешке теперь последняя версия, но обратно на комп ее не скинул. Решил перенести на другой компьютер. Понес. В это время позвонили, потом отвлекли, потом… И забыл.

Вот и все. А ведь сам пишу про важность информации и информационного обеспечения , о сохранности информации и т.п. Поэтому, чтобы и самому была бы польза, решил статью начать с конца.

Один знаменитый хирург, который первым сделал операцию по пересадке сердца человека, сказал:

«Берегите сердце другого человека, его могут пересадить Вам!»

По аналогии (конечно, не так сильно, как в оригинале) скажем:

Берегите Вашу информацию. Она еще может всем нам пригодиться!

Теперь предисловие

Ученые (кажется, английские) подсчитали, сколько времени в течение жизни человек тратит на различные действия. На первых местах стоит сон, работа, стояние в автомобильных пробках и т.п. И, как ни странно, в первых же рядах стоит потеря времени на поиск вещей и информации, на поиск вообще. То есть, люди огромное время тратят на поиск.

Задумываемся ли мы над тем, сколько времени мы посвящаем поиску? Вроде бы привыкли класть вещи на свои места. А спохватишься, ан ее (этой вещи) на месте-то и нет. А где она? Начинаем искать.

Современные пульты управления телевизорами и прочей оргтехникой оснащаются средствами их поиска. Видимо, не от хорошей жизни это сделано, если эту функцию приходится автоматизировать.

Кто ищет, тот всегда найдет! Бороться, искать, найти и не сдаваться! Существует множество подобных лозунгов. Конечно, они обращены скорее к поиску смысла жизни, но и на уровне бытового поиска предметов или информации эти лозунги весьма актуальны.

А уже упомянутый поиск смысла жизни, который не оставляет в покое все поколения современных людей, тоже кое о чем говорит.

Искать – это в определенной степени и есть смысл жизни, если хотите.

Для поиска нужна информация, и информацию тоже надо искать. Поиск вещи – это еще и поиск информации о ней самой, о ее местоположении. Поиск смысла жизни – это непрерывный поиск, получение и обработка информации об окружающем мире, его устройстве, справедливости и наоборот. Везде нужна информация, точная, достоверная, проверенная, из надежных источников, своевременная.

Как следствие, мы постоянно находимся в процессе обмена информацией с окружающим миром, с окружающими людьми. С некоторого момента развития цивилизации персональные компьютеры и сети, глобальный Интернет и другие ресурсы стали для нас незаменимыми помощниками в получении требуемой информации.

В дополнение к термину «информация» появился еще один – «информационное обеспечение». Информационное – это понятно, это не материальные объекты, а информация о них и также об абстрактных явлениях, не имеющих материального воплощения.

А обеспечение? Слово какое-то казенное! Обеспечить – оставить без печи? Или наоборот доставить все, что необходимо? Что необходимо? Информация необходима? Обеспечение информацией – это и есть информационное обеспечение? Пожалуй, да, только шире, чем предоставление информации.

Предоставление информации – это последний шаг информационного обеспечения.

А до этого информацию нужно собрать, структурировать, разложить по полочкам, создать систему доступа к ней, разрешить этот доступ. И только в конце информацию можно предоставлять.

Как говорили классики, в тарелочке с голубой каемочкой, правда, это было сказано про деньги!

Обеспечение информацией – это как материальное обеспечение армии. Сначала нужно произвести оружие и боеприпасы, одежду, еду. Затем это нужно разместить на складах, при этом ничего не потерять. После – переместить к местам боевых действий. А потом уж обеспечить, в нужном количестве, в нужном месте и в нужное время.

Не потерять – это почти ключевое слово, полностью пригодное для информационного обеспечения.

Собрать информацию, разместить, доставить как можно ближе к месту ее потенциального потребления, и предоставить вовремя в полном объеме, ничего не потеряв в пути.

Все это мы как-то умудрялись делать и в до- компьютерные времена. Еще лучше научились делать с помощью компьютеров. И все-таки, как это устроено? Как устроено современное информационное обеспечение?

Обмен информацией – это что?

Информация – это что? Нематериальный аналог материального? Абстракция или конкретика? Здесь все зависит от конечного потребления информации.

Если она нужна для принятия решения здесь и сейчас, то информация вполне материальна, поскольку преобразуется в действие. Конечно, не сама по себе она материальна, но ее следствием становятся изменения в материальном мире.

Если она нужна в будущем, то сама по себе информация остается абстракцией.

Без применения информации на практике, она есть суть знание, опыт или просто ничто.

Например, если у Вас есть книги на китайском языке, а сам язык Вам не знаком, то, что из себя представляет эта информация? Простите, а о чем эта книга вообще? Какие-то значки, иероглифы…

Но ведь в приведенном примере с китайской книгой процесс обмена информацией прошел успешно! Книга как-то попала к Вам в руки. Ее (информацию) Вам передали. А толку- то?!

В том-то все и дело, что для обмена информацией недостаточно ее передачи. Тонущий корабль посылает сигналы SOS (современные корабли это делают как-то иначе, но предположим, что это делается по старинке), но никто его не слышит. Все спят, отдыхают, заняты другими делами, не до чужих проблем. И те, кому положено слушать эфир, тоже не делают этого. Значит, процесс обмена информацией идет, но в итоге информация не передается.

А если все стоят на своих местах, все кому положено слушают эфир, а вместо SOS посылается непонятный сигнал. Ну, забыл радист, как посылать SOS! Можно предположить? Слышал историю, когда человек тонул, но русский язык знал плохо, поэтому кричал «Па-а-а-следний раз купаюсь!». Поначалу никто не реагировал, только потом все заметили, что дело не так уж весело, и бросились спасать. Спасли!

Примеров непрохождения информации множество. Даже выражение есть «разговор слепого с глухим». А раз есть устойчивое выражение, значит и явление это весьма устойчивое, и часто повторяется.

Что же нужно, чтобы пошел процесс обмена информацией?

Знаем ли мы это? Как это ни странно, это мы знаем точно!

Спасибо математикам, которые первыми начали осваивать информатику. В силу своего математического склада ума они всему давали определения, устанавливали закономерности и доказали с полной достоверностью, что…

Процесс обмена информацией (настоящего обмена, когда информация и передается, и принимается, и обрабатывается, и применяется) основан на соблюдении нескольких условий. Это…

1) Наличие источника информации.

Нет источника – нет информации. Некоторые очень хотят узнать секреты инопланетян, страшно интересно, как они живут. Только нет этих самых инопланетян, поэтому нет и информации. Хоть умри… от любопытства, например.

2) Наличие приемника информации.

Нет приемника – нет информации. Глас вопиющего в пустыне – тоже устойчивое выражение. Кричи, кричи, не докричишься! Некому слушать, смотреть, воспринимать. Правда, с приемниками информации все-таки полегче. Сидит ученый, думает, … придумал! Говорит, я теперь знаю. Но никто не слушает, не хотят знать. Тогда можно взять бумагу и все записать. Потомки прочитают, и признают гением… посмертно. Бумага стала приемником информации. Хотя нет, не приемником, а каналом передачи информации…

3) Нужен канал передачи информации.

В предыдущем примере – это бумага, посредством которой новые знания дошли до потомков. Для команды тонущего корабля бумага не является спасением. Можно, конечно, написать записку и бросить в запечатанной бутылке в море. Но когда и кто ее прочтет? Поэтому тут нужны более быстродействующие каналы информации, например, радио.

Два человека разговаривают. Один говорит, другой слышит, все хорошо. А если предположить, что они находятся на Луне? Говори, не говори в свой скафандр, никто ничего не услышит. Нужны или жесты (как у подводников), или радиосвязь. Нужен другой канал передачи информации, иначе источник есть, приемник есть, а обмена информации нет.

4) Все? Вроде бы. Но на самом деле совсем не все. А как быть, если говорят два человека на разных языках? Источник есть, приемник есть, канал передачи есть, а результат – нулевой! Толмач нужен, переводчик, транслятор (множество слов про одно и то же говорит о том, что данное понятие очень важно для нас, иначе не было бы такого богатства слов и синонимов). А что он, толмач-лингвист-синхронист, делает? Одни слова и фразы превращает в другие и, о чудо, все становится понятно.

Последнюю 4-ую составляющую информационного обмена математики-информатики назвали мудреным словом «тезаурус» ,

с ударением на букву «а». Они записали в своих определениях (на точность формулировки не претендую):

«Процесс обмена информацией пойдет при наличии источника и приемника информации, канала передачи информации, а также при условии полного или частичного совпадения тезаурусов источника и приемника информации».

P.S. Статья закончилась, но на блоге можно почитать ее продолжение.

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.

Передача информации происходит от источника к получателю (приемнику) информации. Источником информации может быть все, что угодно: любой объект или явление живой или неживой природы. Процесс передачи информации протекает в некоторой материальной среде, разделяющей источника и получателя информации, которая называется каналом передачи информации. Информация передается через канал в форме некоторой последовательности сигналов, символов, знаков, которые называются сообщением . Получатель информации - это объект, принимающий сообщение, в результате чего происходят определенные изменения его состояния. Все сказанное выше схематически изображено на рисунке.

Передача информации

Человек получает информацию от всего, что его окружает, посредством органов чувств: слуха, зрения, обоняния, осязания, вкуса. Наибольший объем информации человек получает через слух и зрение. На слух воспринимаются звуковые сообщения - акустические сигналы в сплошной среде (чаще всего - в воздухе). Зрение воспринимает световые сигналы, переносящие изображение объектов.

Не всякое сообщение информативно для человека. Например, сообщение на непонятном языке хотя и передается человеку, но не содержит для него информации и не может вызвать адекватных изменений его состояния.

Информационный канал может иметь либо естественную природу (атмосферный воздух, через который переносятся звуковые волны, солнечный свет, отраженный от наблюдаемых объектов), либо быть искусственно созданным. В последнем случае речь идет о технических средствах связи.

Технические системы передачи информации

Первым техническим средством передачи информации на расстояние стал телеграф, изобретенный в 1837 году американцем Сэмюэлем Морзе. В 1876 году американец А.Белл изобретает телефон. На основании открытия немецким физиком Генрихом Герцем электромагнитных волн (1886 г.), А.С. Поповым в России в 1895 году и почти одновременно с ним в 1896 году Г.Маркони в Италии, было изобретено радио. Телевидение и Интернет появились в ХХ веке.

Все перечисленные технические способы информационной связи основаны на передаче на расстояние физического (электрического или электромагнитного) сигнала и подчиняются некоторым общим законам. Исследованием этих законов занимается теория связи , возникшая в 1920-х годах. Математический аппарат теории связи - математическую теорию связи , разработал американский ученый Клод Шеннон.

Клод Элвуд Шеннон (1916–2001), США

Клодом Шенноном была предложена модель процесса передачи информации по техническим каналам связи, представленная схемой.

Техническая система передачи информации

Под кодированием здесь понимается любое преобразование информации, идущей от источника, в форму, пригодную для ее передачи по каналу связи. Декодирование - обратное преобразование сигнальной последовательности .

Работу такой схемы можно пояснить на знакомом всем процессе разговора по телефону. Источником информации является говорящий человек. Кодирующим устройством - микрофон телефонной трубки, с помощью которого звуковые волны (речь) преобразуются в электрические сигналы. Каналом связи является телефонная сеть (провода, коммутаторы телефонных узлов, через которые проходит сигнал). Декодирующим устройством является телефонная трубка (наушник) слушающего человека - приемника информации. Здесь пришедший электрический сигнал превращается в звук.

Современные компьютерные системы передачи информации - компьютерные сети, работают по тому же принципу. Есть процесс кодирования, преобразующий двоичный компьютерный код в физический сигнал того типа, который передается по каналу связи. Декодирование заключается в обратном преобразовании передаваемого сигнала в компьютерный код. Например, при использовании телефонных линий в компьютерных сетях функции кодирования-декодирования выполняет прибор, который называется модемом.

Пропускная способность канала и скорость передачи информации

Разработчикам технических систем передачи информации приходится решать две взаимосвязанные задачи: как обеспечить наибольшую скорость передачи информации и как уменьшить потери информации при передаче. Клод Шеннон был первым ученым, взявшимся за решение этих задач и создавшим новую для того времени науку - теорию информации .

К.Шеннон определил способ измерения количества информации, передаваемой по каналам связи. Им было введено понятие пропускной способности канала , как максимально возможной скорости передачи информации. Эта скорость измеряется в битах в секунду (а также килобитах в секунду, мегабитах в секунду).

Пропускная способность канала связи зависит от его технической реализации. Например, в компьютерных сетях используются следующие средства связи:

Телефонные линии,

Электрическая кабельная связь,

Оптоволоконная кабельная связь,

Радиосвязь.

Пропускная способность телефонных линий - десятки, сотни Кбит/с; пропускная способность оптоволоконных линий и линий радиосвязи измеряется десятками и сотнями Мбит/с.

Шум, защита от шума

Термином “шум” называют разного рода помехи, искажающие передаваемый сигнал и приводящие к потере информации. Такие помехи прежде всего возникают по техническим причинам: плохое качество линий связи, незащищенность друг от друга различных потоков информации, передаваемых по одним и тем же каналам. Иногда, беседуя по телефону, мы слышим шум, треск, мешающие понять собеседника, или на наш разговор накладывается разговор совсем других людей.

Наличие шума приводит к потере передаваемой информации. В таких случаях необходима защита от шума.

В первую очередь применяются технические способы защиты каналов связи от воздействия шумов. Например, использование экранированного кабеля вместо “голого” провода; применение разного рода фильтров, отделяющих полезный сигнал от шума, и пр.

Клодом Шенноном была разработана теория кодирования , дающая методы борьбы с шумом. Одна из важных идей этой теории состоит в том, что передаваемый по линии связи код должен быть избыточным . За счет этого потеря какой-то части информации при передаче может быть компенсирована. Например, если при разговоре по телефону вас плохо слышно, то, повторяя каждое слово дважды, вы имеете больше шансов на то, что собеседник поймет вас правильно.

Однако нельзя делать избыточность слишком большой. Это приведет к задержкам и удорожанию связи. Теория кодирования позволяет получить такой код, который будет оптимальным. При этом избыточность передаваемой информации будет минимально возможной, а достоверность принятой информации - максимальной.

В современных системах цифровой связи для борьбы с потерей информации при передаче часто применяется следующий прием. Все сообщение разбивается на порции - пакеты . Для каждого пакета вычисляется контрольная сумма (сумма двоичных цифр), которая передается вместе с данным пакетом. В месте приема заново вычисляется контрольная сумма принятого пакета и, если она не совпадает с первоначальной суммой, передача данного пакета повторяется. Так будет происходить до тех пор, пока исходная и конечная контрольные суммы не совпадут.

Рассматривая передачу информации в пропедевтическом и базовом курсах информатики, прежде всего следует обсудить эту тему с позиции человека как получателя информации. Способность к получению информации из окружающего мира - важнейшее условие существования человека. Органы чувств человека - это информационные каналы человеческого организма, осуществляющее связь человека с внешней средой. По этому признаку информацию делят на зрительную, звуковую, обонятельную, тактильную, вкусовую. Обоснование того факта, что вкус, обоняние и осязание несут человеку информацию, заключается в следующем: мы помним запахи знакомых объектов, вкус знакомой пищи, на ощупь узнаем знакомые предметы. А содержимое нашей памяти - это сохраненная информация.

Следует рассказать ученикам, что в мире животных информационная роль органов чувств отличается от человеческой. Важную информационную функцию для животных выполняет обоняние. Обостренное обоняние служебных собак используется правоохранительными органами для поиска преступников, обнаружения наркотиков и пр. Зрительное и звуковое восприятие животных отличается от человеческого. Например, известно, что летучие мыши слышат ультразвук, а кошки видят в темноте (с точки зрения человека).

В рамках данной темы ученики должны уметь приводить конкретные примеры процесса передачи информации, определять для этих примеров источник, приемник информации, используемые каналы передачи информации.

При изучении информатики в старших классах следует познакомить учеников с основными положениями технической теории связи: понятия кодирование, декодирование, скорость передачи информации, пропускная способность канала, шум, защита от шума. Эти вопросы могут быть рассмотрены в рамках темы “Технические средства компьютерных сетей”.