Передача сигналу від джерела до приймача. Схема передачі з стільникового зв'язку. Способи подання чисел

Що таке інформація

З початку 1950-х років робляться спроби використати поняття інформації (що не має досі єдиного визначення) для пояснення та опису найрізноманітніших явищ і процесів. У деяких підручниках дається таке визначення інформації:

Інформація- це сукупність відомостей, що підлягають зберіганню, передачі, обробці та використанню у людській діяльності.

Таке визначення перестав бути цілком марним, т.к. воно допомагає хоча б неясно уявити, про що йдеться. Але з погляду логіки воно безглуздо. Визначається поняття ( інформація) тут підміняється іншим поняттям ( сукупність відомостей), Яке саме потребує визначення.

За всіх відмінностях у трактуванні поняття інформації, безперечно, те, що проявляється інформація завжди у матеріально-енергетичній формі у вигляді сигналів.

Інформацію, подану у формалізованому вигляді, що дозволяє здійснювати її обробку за допомогою технічних засобів, називають даними .

В основі вирішення багатьох завдань лежить обробка інформації. Для полегшення обробки інформації створюються інформаційні системи (ІВ). Автоматизованими називають ІВ, у яких застосовують технічні засоби, зокрема ЕОМ. Більшість існуючих ІВ є автоматизованими, тому для стислості просто називатимемо їх ІВ. У широкому розумінні під визначення ІВ підпадає будь-яка система обробки інформації. за області застосування ІС можна розділити на системи, що використовуються у виробництві, освіті, охороні здоров'я, науці, військовій справі, соціальній сфері, торгівлі та інших галузях. за цільової функції ІС можна умовно поділити на такі основні категорії: керуючі, інформаційно-довідкові, підтримка прийняття рішень. Зауважимо, що іноді використовується більше вузьке трактування поняття ІВ як сукупності апаратно-програмних засобів, задіяних для вирішення деякої прикладної задачі. В організації, наприклад, можуть існувати інформаційні системи, на які покладено такі завдання: облік кадрів та матеріально-технічних засобів, розрахунок з постачальниками та замовниками, бухгалтерський облік тощо. Ефективність функціонування інформаційної системи (ІВ) багато в чому залежить від її архітектури . В даний час перспективною є архітектура клієнт-сервер. У поширеному варіанті вона передбачає наявність комп'ютерної мережі та розподіленої бази даних, що включає корпоративну базу даних (КБД) та персональні бази даних (ПБД). КБД розміщується на комп'ютері-сервері, ПБД розміщуються на комп'ютерах співробітників підрозділів, які є клієнтами корпоративної БД. Сервером певного ресурсу у комп'ютерній мережі називається комп'ютер (програма), керуючий цим ресурсом. Клієнтом - комп'ютер (програма), який використовує цей ресурс. Як ресурс комп'ютерної мережі можуть бути, наприклад, бази даних, файлові системи, служби друку, поштові служби. Тип сервера визначається видом ресурсу, яким він управляє. Наприклад, якщо керованим ресурсом є база даних, то відповідний сервер називається сервером бази даних . Достоїнством організації інформаційної системи з архітектури клієнт-сервер є вдале поєднання централізованого зберігання, обслуговування та колективного доступу до загальної корпоративної інформації з індивідуальною роботою користувачів над персональною інформацією. Архітектура клієнт-сервер припускає різні варіанти реалізації.

Інформація надходить у систему у формі повідомлень. Під повідомленням розуміють сукупність знаків чи первинних сигналів, містять інформацію.

Джерело повідомленьу загальному випадку утворює сукупність джерела інформації (ІІ) (досліджуваного або спостережуваного об'єкта) та первинного перетворювача (ПП) (датчика, людини-оператора і т.д.), що сприймає інформацію про процес, що протікає в ньому.

Мал. 1. Структурна схема одноканальної системи передачі.

Розрізняють дискретні та безперервні повідомлення.

Дискретні повідомлення формуються внаслідок послідовної видачі джерелом повідомлень окремих елементів - знаків .

Безліч різних знаків називають алфавітом джерела повідомлення , а число знаків - обсягом алфавіту .

Безперервні повідомлення не поділені на елементи. Вони описуються безперервними функціями часу, що набувають безперервної безлічі значень (мова, телевізійне зображення).

Для передачі повідомлення каналом зв'язку йому ставлять у відповідність певний сигнал. Під сигналом розуміють фізичний процес, що відображає (несе) повідомлення.

Перетворення повідомлення на сигнал, зручний для передачі по даному каналу зв'язку, називають кодуванням у широкому значенні слова .

Операцію відновлення повідомлення за прийнятим сигналом називають декодуванням .

Як правило, вдаються до операції подання вихідних знаків в іншому алфавіті з меншою кількістю знаків, які називаються символами . При позначенні цієї операції використовується той самий термін “ кодування ”, що розглядається у вузькому значенні. Пристрій, що виконує таку операцію, називають кодуючим або кодером . Так як алфавіт символів менший за алфавіт символів, то кожному знаку відповідає деяка послідовність символів, яку називають кодовою комбінацією .

Число символів у кодовій комбінації називають її значущістю число ненульових символів - вагою .

Для операції зіставлення символів зі знаками вихідного алфавіту використовують термін “ декодування”. Технічна реалізація цієї операції здійснюється декодуючим пристроєм або декодером .

Передавальний пристрійздійснює перетворення безперервних повідомлень або знаків сигнали, зручні для проходження по лінії зв'язку. При цьому один або кілька параметрів вибраного сигналу змінюють відповідно до інформації, що передається. Такий процес називають модуляцією . Він здійснюється модулятором . Зворотне перетворення сигналів на символи здійснюється демодулятором

Під лінією зв'язку розуміють середовище (повітря, метал, магнітну стрічку і т.д.), що забезпечує надходження сигналів від передавального пристрою до приймального пристрою.

Сигнали на виході лінії зв'язку можуть відрізнятися від сигналів на її вході (переданих) внаслідок згасання, спотворення та впливу перешкод.

Перешкодаминазивають будь-які обурення, що заважають, як зовнішні, так і внутрішні, що викликають відхилення прийнятих сигналів від переданих сигналів.

Зі суміші сигналу з перешкодою приймальний пристрій виділяє сигнал і за допомогою декодера відновлює повідомлення, яке може відрізнятися від посланого. Міру відповідності прийнятого повідомлення надісланому повідомленню називають вірністю передачі .

Прийняте повідомлення з виходу системи зв'язку надходить абоненту-одержувачу, якому була адресована вихідна інформація.

Сукупність коштів, призначених для передачі повідомлень, називають каналом зв'язку .

Способи подання чисел

Двійкові(binary) числа – кожна цифра означає значення одного біта (0 або 1), старший біт завжди пишеться ліворуч, після числа ставиться буква «b». Для зручності сприйняття зошити можуть бути розділені пробілами. Наприклад, 1010 0101b.
Шістнадцяткові (hexadecimal) числа – кожен зошит представляється одним символом 0...9, А, В, ..., F. Позначатись таке уявлення може по-різному, тут використовується лише символ «h» після останньої шістнадцяткової цифри. Наприклад, A5h. У текстах програм це число може позначатися як 0хА5, і як 0A5h, залежно від синтаксису мови програмування. Незначний нуль (0) додається ліворуч від старшої шістнадцяткової цифри, що зображується літерою, щоб розрізняти числа та символічні імена.
Десяткові (decimal) числа – кожен байт (слово, подвійне слово) представляється звичайним числом, а ознака десяткового уявлення (літеру «d») зазвичай опускають. Байт із попередніх прикладів має десяткове значення 165. На відміну від двійкової та шістнадцяткової форми запису, по десятковій важко в умі визначити значення кожного біта, що іноді доводиться робити.
Восьмеричні (octal) числа – кожна трійка біт (поділ починається з молодшого) записується як цифри 0–7, наприкінці ставиться ознака «про». Те саме число буде записано як 245о. Вісімкова система незручна тим, що байт неможливо розділити порівну.

Для переведення десяткового числа в двійкову систему його необхідно послідовно ділити на 2 до тих пір, поки не залишиться залишок, менший або рівний 1. Число в двійковій системі записується як послідовність останнього результату поділу та залишків від поділу у зворотному порядку.

приклад.Число перевести в двійкову систему числення.

Для переведення десяткового числа у вісімкову систему його необхідно послідовно ділити на 8 до тих пір, поки не залишиться залишок, менший або рівний 7. Число у вісімковій системі записується як послідовність цифр останнього результату поділу та залишків від поділу у зворотному порядку.

приклад.

Для переведення десяткового числа в шістнадцяткову систему його необхідно послідовно ділити на 16 до тих пір, поки не залишиться залишок, менший або рівний 15. Число в шістнадцятковій системі записується як послідовність цифр останнього результату поділу та залишків від поділу у зворотному порядку.

приклад.Число перевести в шістнадцяткову систему числення.

7. Щоб перевести число із двійкової системи у вісімкову, його потрібно розбити на тріади (трійки цифр), починаючи з молодшого розряду, у разі потреби доповнивши старшу тріаду нулями, і кожну тріаду замінити відповідною вісімковою цифрою (табл. 3).

приклад.Число перевести у вісімкову систему числення.

8. Щоб перевести число з двійкової системи до шістнадцяткової, його потрібно розбити на зошити (четвірки цифр), починаючи з молодшого розряду, у разі потреби доповнивши старший зошит нулями, і кожен зошит замінити відповідною вісімковою цифрою (табл. 3).

приклад.Число перевести в шістнадцяткову систему числення.

Теорема Котельникова

В області цифрової обробки сигналів, Теорема Котельникова (в англомовній літературі - теорема Найквіста - Шеннона, або теорема відліків) пов'язує аналогові та дискретні сигнали і свідчить, що якщо аналоговий сигнал має кінцевий (обмежений по ширині) спектр, то він може бути відновлений однозначно і без втрат за своїми відліками, взятими з частотою, більшою або рівною подвоєної верхньої частоти:

Таке трактування розглядає ідеальний випадок, коли сигнал почався нескінченно давно і ніколи не закінчиться, а також не має тимчасової характеристики точок розриву. Якщо сигнал має розриви будь-якого роду функції залежності його від часу, то його спектральна потужність ніде не звертається в нуль. Саме це має на увазі поняття «спектр, обмежений зверху кінцевою частотою».

Зрозуміло, що реальні сигнали (наприклад, звук на цифровому носії) не мають таких властивостей, оскільки вони кінцеві за часом і зазвичай мають розриви в тимчасовій характеристиці. Відповідно, ширина їхнього спектру нескінченна. У такому разі повне відновлення сигналу неможливе, і з теореми Котельникова випливають два наслідки:

1. Будь-який аналоговий сигнал може бути відновлений з будь-якою точністю за своїми дискретними відрахунками, взятими з частотою , де - Максимальна частота, якій обмежений спектр реального сигналу;

2. Якщо максимальна частота сигналу перевищує половину частоти дискретизації, то способу відновити сигнал з дискретного в аналоговий без спотворень немає.

Говорячи ширше, теорема Котельникова стверджує, що безперервний сигнал можна у вигляді інтерполяційного ряду:

де – функція sinc. Інтервал дискретизації

задовольняє обмеженням

Миттєві значення цього ряду є дискретні відліки сигналу.

Хоча в західній літературі теорема часто називається теоремою Найквіста з посиланням на роботу 1928 «Certain topics in telegraph transmission theory», в цій роботі йдеться лише про необхідну смугу лінії зв'язку для передачі імпульсного сигналу (частота слідування повинна бути менше подвоєної смуги). Таким чином, у контексті теореми відліків справедливо говорити лише про частоту Найквіста. Приблизно в цей час Карл Купфмюллер отримав той самий результат. Про можливість повної реконструкції вихідного сигналу по дискретним відлікам у цих роботах не йдеться. Теорема була запропонована і доведена В. А. Котельниковим в 1933 в роботі «Про пропускну спроможність ефіру і дроту в електрозв'язку», в якій, зокрема, була сформульована одна з теорем таким чином: «Любу функцію, що складається з частот від 0 до , можна безперервно передавати з будь-якою точністю за допомогою чисел, що йдуть один за одним через секунд». Незалежно від нього цю теорему в 1949 (через 16 років) довів Клод Шеннон, тому в західній літературі цю теорему часто називають теоремою Шеннона.

Частота дискретизації (або частота семплювання) - частота, з якою відбувається оцифрування, зберігання, обробка або конвертація сигналу з аналога цифру. Частота дискретизації, згідно з Теоремою Котельникова, обмежує максимальну частоту оцифрованого сигналу до половини своєї величини.

Чим вище частота дискретизації, тим якіснішою буде оцифровка. Як випливає з теореми Котельникова щоб однозначно відновити вихідний сигнал, частота дискретизації має перевищувати найбільшу необхідну частоту сигналу вдвічі.

На даний момент у звуковій техніці середнього рівня глибина дискретизації знаходиться в межах 10-12 біт. Але на слух помітити різницю між 10 і 12 бітами неможливо у зв'язку з тим, що людське вухо не здатне розрізнити такі малі відхилення. Ще однією причиною непотрібності є Коефіцієнт нелінійних спотворень УМЗЧ та інших компонентів звукого тракту, що явно перевищує величину кроку квантування. Великий дозвіл часто носить лише маркетинговий зміст і фактично на слух не помітно.

Оцифрування(англ. digitization) - опис об'єкта, зображення або аудіо- відеосигналу (в аналоговому вигляді) у вигляді набору дискретних цифрових вимірів (вибірок) цього сигналу/об'єкта, за допомогою тієї чи іншої апаратури, тобто переведення його в цифровий вигляд, придатний для запису на електронні носії.

Для оцифрування об'єкт піддається дискретизації (в одному або декількох вимірах, наприклад, в одному вимірі для звуку, у двох для растрового зображення) і аналогово-цифрового перетворення кінцевих рівнів.

Отриманий в результаті оцифрування масив даних («цифрове уявлення» оригінального об'єкта) може використовуватися комп'ютером для подальшої обробки, передачі цифровими каналами, збереження на цифровий носій. Перед передачею або збереженням цифрове подання, як правило, піддається фільтрації та кодуванню для зменшення обсягу.

Іноді термін «оцифрування» використовується в переносному сенсі, як заміна для відповідного терміна [ уточнити] , при перекладі інформації з аналогового виду на цифровий. Наприклад:

· Оцифрування звуку.

· Оцифрування відео.

· Оцифрування зображення.

· Оцифрування книг - як сканування, так і (надалі) розпізнавання.

· Оцифрування паперових карт місцевості - означає сканування і, як правило, наступну векторизацію (растрово-векторне перетворення, тобто переведення у формат векторного опису).

Дискретизація

При оцифровці сигналу прив'язаного до часу дискретизацію зазвичай характеризують частотою дискретизації- Частотою зняття вимірів

При скануванні зображення з фізичних об'єктів дискретизація характеризується кількістю результуючих пікселів на одиницю довжини (наприклад, кількістю точок на дюйм - англ. dot per inch, DPI) по кожному із вимірів.

У цифровій фотографії дискретизація характеризується кількістю пікселів кадру.

Квантування сигналів

Дискретні сигнали створюються з урахуванням безперервних сигналів. Процес перетворення безперервного сигналу на дискретний називається «квантування сигналу». Вихідний безперервний сигнал називається "квантований сигнал", сигнал, що отримується в результаті квантування, називається "квантований сигнал". Існують різні способи квантування безперервного сигналу.

Квантування за часом. Квантований сигнал містить окремі значення (дискрети) квантованого сигналу, що виділяються у фіксовані моменти часу. Процес квантування за часом показано на рис. 21 де x(t) – квантований сигнал, x(t) – квантований сигнал.

Значення сигналу виділяються через рівні проміжки часу T де T – період (інтервал) квантування. Отже, квантований сигнал складатиметься з послідовності дискрет квантованого сигналу, виділених у моменти часу, кратні періоду квантування. Квантований сигнал при квантуванні за часом описується гратчастою функцією часу квантованого сигналу

де m - цілісний аргумент часу, m = 1,2,3 ...

Квантування за рівнем. У моменти досягнення квантованим сигналом деяких фіксованих рівнів, квантованому сигналу присвоюється значення досягнутого рівня, і це значення квантованого сигналу зберігається до досягнення квантованим сигналам наступного рівня (рис.22).

На рис. 22 для квантованого сигналу x(t) визначено рівні квантування з інтервалом (кроком) a. Значення квантованого сигналу x(t) змінюються на момент досягнення квантованим сигналом чергового рівня. В результаті квантований сигнал є ступінчастою функцією часу.

Типовим пристроєм, який здійснює квантування за рівнем, є електромагнітне реле (рис. 23), що містить електромагніт K і електричні контакти S, що перемикаються електромагнітом. Входом для реле є напруга U на обмотці електромагніта, а виходом – стан контактів S. електромагніт стан контактів (замкнені або розімкнені) буде змінюватися тільки при переході величини напруги через рівень спрацьовування U ср реле (рівень спрацьовування – значення струму, при якому електромагніт спрацьовує і перемикає контакти реле).

Таким чином, для реле квантований сигнал може приймати лише два рівні: контакти S розімкнуті, або контакти S замкнуті. Стан контактів зручно описувати як логічну величину, яка приймає значення «1» при замкнутих контактах, і значення «0» при розімкнутих контактах.

Характеристика перетворення вхідної напруги U стан контактів S для реле показана на рис.23. Це ступінчаста характеристика, зміна рівня якої відбувається при вхідному напрузі U = U порівн. Характеристика такого виду отримала назву «релейна характеристика». Релейна характеристика одна із випадків нелінійної характеристики.

Квантування за часом та за рівнем. У цьому випадку обидва попередні способи комбінуються, тому спосіб квантування називають комбінованим. При комбінованому квантуванні квантованому сигналу наперед задані моменти часу присвоюється значення найближчого фіксованого рівня, якого досяг квантований сигнал. Це значення зберігається до наступного квантування.

Графіки квантованого та квантованого сигналів показані на рис. 24. На графіку квантованого сигналу x(t) точками показані значення досягнутих рівнів, найближчих до значень квантованого сигналу в момент квантування. Зміни квантованого сигналу відбуваються в моменти квантування, кратні періоду квантування T за часом. Таким чином, квантований сигнал характеризуватиметься періодом квантування та значенням найближчого фіксованого рівня.

Типовим прикладом пристрою, в якому має місце комбіноване квантування, є аналого-цифровий перетворювач (АЦП) та цифровий прилад, побудований з використанням аналого-цифрового перетворювача. Вихідна інформація таких пристроїв оновлюється з періодом, що визначається тривалістю перетворення вхідного сигналу в цифровий код (квантування за часом), а вихідна інформація подається з кінцевою точністю, яка визначається роздільною здатністю квантування або розрядністю коду для подання квантованого сигналу.

Частота дискретизації(або частота семплювання, англ. sample rate) - частота взяття відліків безперервного в часі сигналу при його дискретизації (зокрема аналого-цифровим перетворювачем). Вимірюється у герцах.

Термін застосовується і при зворотному, цифро-аналоговому перетворенні, особливо якщо частота дискретизації прямого та зворотного перетворення обрана різною (Цей прийом, званий також «Масштабуванням часу», зустрічається, наприклад, при аналізі наднизькочастотних звуків, що видаються морськими тваринами).

Чим вище частота дискретизації, тим ширший спектр сигналу може бути представлений у дискретному сигналі. Як випливає з теореми Котельникова, щоб однозначно відновити вихідний сигнал, частота дискретизації має більш ніж удвічі перевищувати найбільшу частоту в спектрі сигналу.

Деякі з частот дискретизації звуку, що використовуються:

· 8000 Гц - телефон, достатньо для промови, кодек Nellymoser;

· 12 000 Гц (на практиці зустрічається рідко);

· 22 050 Гц – радіо;

· 44 100 Гц – використовується в Audio CD;

· 48 000 Гц – DVD, DAT;

· 96 000 Гц – DVD-Audio (MLP 5.1);

· 192 000 Гц – DVD-Audio (MLP 2.0);

· 2822400 Гц - SACD, процес однобітної дельта-сигма модуляції, відомий як DSD - Direct Stream Digital, спільно розроблений компаніями Sony і Philips;

· 5644800 Гц - DSD з подвоєною частотою дискретизації, однобітний Direct Stream Digital з частотою дискретизації вдвічі більше, ніж у SACD. Використовується для деяких професійних пристроїв запису DSD.

Доведення

Візьмемо деяке. формула для, , виглядає наступним чином:

AEP показує, що для досить великих n, Послідовність згенерована з джерела недостовірна в типовому випадку - , що сходиться. Що стосується досить великих: n, (див. AEP)

Визначення типових наборів має на увазі, що ті послідовності, які лежать у типовому наборі, задовольняють:

Зауважте, що:

· Імовірність того, що послідовність була отримана з

Більше ніж

· починаючи з ймовірності повної сукупності є найбільшим.

· . FДля доказу використовуйте верхню межу ймовірності для кожного терму в типовому випадку, і нижню межу для загального випадку .

Починаючи з бітів достатньо, щоб відрізнити будь-який рядок

Алгоритм шифрування: шифратор перевіряє, чи є помилковою вхідна послідовність, якщо так, то повертає індекс вхідної частоти в послідовності, якщо ні, то повертає випадкове цифровий номер. чисельне значення. Якщо вхідна можливість неправильна в послідовності (з частотою приблизно ), то шифратор не видає помилку. Тобто ймовірність помилки становить вище

Доказ оборотностіДоказ оборотності базується на тому, що потрібно показати, що для будь-якої послідовності розміром менше ніж (в сенсі експоненти) буде покривати частоту послідовності, обмежену 1.

Доказ теореми про джерело шифрування для кодів символів[ред. редагувати вихідний текст]

Нехай довжина слова для кожного можливого (). Визначимо, де Звибирається таким чином, що: .

де другий рядок є нерівністю Гіббса, а п'ятий рядок є нерівністю Крафта .

для другої нерівності ми можемо встановити

таким чином мінімальне S задовольняє

Тема: Результати Шеннона та проблеми кодування.

Стиснення даних.

Закодовані повідомлення передаються каналами зв'язку, зберігаються в пристроях, що запам'ятовують, обробляються процесором. Обсяги даних, що циркулюють в АСУ, великі, і тому в багатьох випадках важливо забезпечити таке кодування даних, яке характеризується мінімальною довжиною повідомлень, що виходять. Ця проблема стиснення даних. Рішення її забезпечує збільшення швидкості передачі і зменшення необхідної пам'яті пристроїв. Зрештою, це веде до підвищення ефективності системи обробки даних.

Існує два підходи (або два етапи) стиснення даних:

Стиснення, засноване на аналізі конкретної структури та змістового даних;

Стиснення, засноване на аналізі статистичних властивостей повідомлень, що кодуються. На відміну від першого другий підхід носить універсальний характері і може використовуватися в усіх ситуаціях, де є підстави вважати, що повідомлення підпорядковуються ймовірним законам. Далі ми розглянемо обидва ці підходи.

4.1. Стиснення на основі змістового даних

Ці методи мають евристичний, унікальний характер, проте основну ідею можна пояснити так. Нехай безліч містить елементів. Тоді для кодування елементів множини рівномірним кодом знадобиться двійкових знаків. При цьому будуть використані усі двійкові кодові комбінації. Якщо не всі комбінації використовуються, код буде надлишковим. Таким чином, для скорочення надмірності слід спробувати окреслити безліч можливих значень елементів даних і з огляду на це зробити кодування. У реальних умовах це не завжди просто, деякі види даних мають дуже велику потужність безлічі можливих значень. Подивимося, як роблять в конкретних випадках.

Перехід від природних позначень до компактніших.Значення багатьох конкретних даних кодуються у вигляді, зручному для читання людиною. При цьому вони зазвичай містять більше символів, ніж це необхідно. Наприклад, дата записується як «26 січня 1982 р.» або у найкоротшій формі: «26.01.82». при цьому багато кодових комбінацій, наприклад «33.18.53» або «95.00.11», ніколи не використовуються. Для стиску таких даних день можна закодувати п'ятьма розрядами, місяць – чотирма, рік – сім'ю, тобто. вся дата займе трохи більше двох байтів. Інший спосіб запису дати, запропонований ще в середні віки, полягає в тому, щоб записувати загальну кількість днів, що пройшли до теперішнього часу з деякої точки відліку. При цьому часто обмежуються чотирма останніми цифрами цієї вистави. Наприклад, 24 травня 1967 записується у вигляді 0000 і відлік днів від цієї дати вимагає, очевидно, два байти в упакованому десятковому форматі.

КОДИРУВАННЯ ІНФОРМАЦІЇ.

АСТРАКТНИЙ АЛФАВІТ

Інформація надсилається у вигляді повідомлень. Дискретна інформація записується за допомогою деякого кінцевого набору знаків, які називатимемо літерами, не вкладаючи в це слово звичного обмеженого значення (типу «російські літери» або «латинські літери»). Літера в даному розширеному розумінні - будь-який із знаків, які певною угодою встановлені для спілкування. Наприклад, при звичній передачі повідомлень російською мовами такими знаками будуть російські літери - великі і малі, розділові знаки, пробіл; якщо в тексті є числа – то й цифри. Взагалі, буквою називатимемо елемент деякої кінцевої множини (набору) відмінних один від одного знаків. Багато знаків, у якому визначено їх порядок, назвемо алфавітом (загальновідомий порядок знаків у російському алфавіті: А, Б,..., Я).

Розглянемо деякі приклади алфавітів.

1, Алфавіт великих російських букв:

А Б В Г Д ІЄ Ж З І Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ь Ы Ь Е Ю Я

2. Алфавіт Морзе:

3. Алфавіт клавіатурних символів ПЕОМ IBM (русифікована клавіатура):

4. Алфавіт знаків правильної шестигранної гральної кістки:

5. Алфавіт арабських цифр:

6. Алфавіт шістнадцятирічних цифр:

0123456789ABCDEF

Цей приклад, зокрема, показує, що символи одного алфавіту можуть утворюватися з інших алфавітів.

7. Алфавіт двійкових цифр:

Алфавіт 7 одна із прикладів, про, «двійкових» алфавітів, тобто. алфавітів, що складаються з двох символів. Іншими прикладами є двійкові алфавіти 8 та 9:

8. Двійковий алфавіт «крапка, «тире»:. _

9. Двійковий алфавіт "плюс", "мінус": + -

10. Алфавіт великих латинських літер:

ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ

11. Алфавіт римської системи числення:

I V Х L З D М

12. Алфавіт мови блок-схем зображення алгоритмів:

13. Алфавіт мови програмування Паскаль (див. розділ 3).
^

Кодування та декодування

У каналі зв'язку повідомлення, складене із символів (літер) одного алфавіту, може перетворюватися на повідомлення із символів (літер) іншого алфавіту. Правило, що описує однозначну відповідність літер алфавітів за такого перетворення, називають кодом. Саму процедуру перетворення повідомлення називають перекодуванням. Подібне перетворення повідомлення може здійснюватися в момент надходження повідомлення від джерела каналу зв'язку (кодування) і в момент прийому повідомлення одержувачем (декодування). Пристрої, що забезпечують кодування та декодування, називатимемо відповідно кодувальником та декодувальником. На рис. 1.5 наведено схему, що ілюструє процес передачі повідомлення у разі перекодування, а також впливу перешкод (див. наступний пункт).

Мал. 1.5. Процес передачі повідомлення від джерела до приймача

Розглянемо деякі приклади кодів.

1. Абетка Морзе в російському варіанті (алфавіту, складеному з алфавіту російських великих букв і алфавіту арабських цифр ставиться у відповідність алфавіту Морзе):

2. Код Трисіме (знакам латинського алфавіту ставляться у відповідність комбінації із трьох знаків: 1,2,3):

Код Трисиме є прикладом, так званого, рівномірного коду (такого, у якому всі кодові комбінації містять однакову кількість знаків - у разі три). Приклад нерівномірного коду - абетка Морзе.

3. Кодування чисел знаками різних систем числення див. §3.

ПОНЯТТЯ ПРО ТЕОРЕМИ ШЕННОНА

Раніше зазначалося, що при передачі повідомлень каналами зв'язку можуть виникати перешкоди, здатні призвести до спотворення знаків, що приймаються. Так, наприклад, якщо ви спробуєте у вітряну погоду передати мовленнє повідомлення людині, яка знаходиться від вас на значній відстані, воно може бути сильно спотворене такою перешкодою, як вітер. Взагалі, передача повідомлень за наявності перешкод є серйозним теоретичним і практичним завданням. Її значимість зростає у зв'язку з повсюдним використанням комп'ютерних телекомунікацій, у яких перешкоди неминучі. Працюючи з кодованої інформацією, спотвореної перешкодами, можна назвати такі основні проблеми: встановлення самого факту те, що сталося спотворення інформації; з'ясування того, в якому місці переданого тексту це сталося; виправлення помилки, хоча б із певним ступенем достовірності.

Схематично процес передачі показаний малюнку. При цьому передбачається, що є джерело та одержувач інформації. Повідомлення від джерела до одержувача передається через канал зв'язку (інформаційного каналу).

Мал. 3. - Процес передачі інформації

У такому процесі інформація подається та передається у формі деякої послідовності сигналів, символів, знаків. Наприклад, за безпосередньої розмові для людей відбувається передача звукових сигналів - промови, під час читання тексту людина сприймає букви – графічні символи. Передається послідовність називається повідомленням. Від джерела до приймача повідомлення передається через деяке матеріальне середовище (звук - акустичні хвилі у атмосфері, зображення – світлові електромагнітні хвилі). Якщо в процесі передачі використовуються технічні засоби зв'язку, їх називають каналами передачі інформації(Інформаційними каналами). До них належать телефон, радіо, телебачення.

Можна говорити, що органи чуття людини виконують роль біологічних інформаційних каналів. З їхньою допомогою інформаційний вплив на людину доноситься до пам'яті.

Клодом Шенноном, Запропоновано схема процесу передачі інформації по технічних каналах зв'язку, представлена ​​на малюнку.

Мал. 4. - Процес передачі інформації по Шеннону

Роботу такої схеми можна пояснити на розмові по телефону. Джерелом інформації є людина, що говорить. Кодуючим пристроєм – мікрофон трубки, за допомогою якого звукові хвилі (мова) перетворюються на електричні сигнали. Каналом зв'язку є телефонна мережа (проводи, комутатори телефонних вузлів, через які проходить сигнал)). Декодуючим пристроєм є телефонна трубка (навушник) людини, що слухає – приймач інформації. Тут електричний сигнал, що прийшов, перетворюється на звук.

Зв'язок, при якій передача виробляється у формі безперервного електричного сигналу, називається аналоговим зв'язком.

Під кодуваннямрозуміється будь-яке перетворення інформації, що йде від джерела, у форму, придатну для її передачі каналом зв'язку.

В даний час широко використовується цифровий зв'язок, коли інформація, що передається, кодується в двійкову форму (0 і 1 - двійкові цифри), а потім декодується в текст, зображення, звук. Цифровий зв'язок є дискретним.

Терміном "шум" називають різного роду перешкоди, що спотворюють сигнал, що передається і приводять до втрати інформації. Такі перешкоди, перш за все, виникають з технічних причин: погана якість ліній зв'язку, незахищеність один від одного різних потоків інформації, що передається одним і тим самим каналам. У таких випадках необхідний захист від шуму.

Насамперед застосовуються технічні засоби захисту каналів зв'язку від впливу шумів. Наприклад, використання екранного кабелю замість "голого" дроту; застосування різного роду фільтрів, що відокремлюють корисний сигнал від шуму та ін.

Клодом Шенноном було розроблено спеціальну теорію кодування, що дає методи боротьби з шумом. Одна з важливих ідей цієї теорії полягає в тому, що код, що передається по лінії зв'язку, повинен бути надлишковим. За рахунок цього втрата якоїсь частини інформації під час передачі може бути компенсована.

Однак, не можна робити надмірність надто великою. Це призведе до затримок та подорожчання зв'язку. Теорія кодування К. Шеннона таки дозволяє отримати такий код, який буде оптимальним. При цьому надмірність інформації, що передається, буде мінімально-можливою, а достовірність прийнятої інформації - максимальною.

У сучасних системах цифрового зв'язку часто застосовується наступний прийом боротьби з втратою інформації під час передачі. Усі повідомлення розбивається на порції – блоки. Для кожного блоку обчислюється контрольна сума (сума двійкових цифр), яка передається разом із цим блоком. У місці прийому знову обчислюється контрольна сума прийнятого блоку, і якщо вона не збігається з початковою, то передача цього блоку повторюється. Так відбуватиметься доти, доки вихідна та кінцева контрольні суми не співпадуть.

Швидкість передачі– це інформаційний обсяг повідомлення, яке передається в одиницю часу. Одиниці виміру швидкості інформаційного потоку: біт/с, байт/с та ін.

Технічні лінії інформаційного зв'язку (телефонні лінії, радіозв'язок, оптико-волоконний кабель) мають межу швидкості передачі даних. пропускною спроможністю інформаційного каналу. Обмеження на швидкість передачі мають фізичний характер.

Використовуючи ресурси Інтернет, знайти відповіді на запитання:

Завдання 1

1. Що являє собою процес передачі?

Передача інформації- фізичний процес, за допомогою якого здійснюється переміщення інформації в просторі. Записали інформацію на диск та перенесли до іншої кімнати.Цей процес характеризується наявністю наступних компонентів:

За типом середовища поширення канали зв'язку поділяються на:

Телекомунікації(грец. tele - вдалину, далеко і лат. communicatio - спілкування) - це передача та прийом будь-якої інформації (звуку, зображення, даних, тексту) на відстань по різних електромагнітних системах (кабельним та оптоволоконним каналам, радіоканалам та іншим провідним і бездротовим каналам зв'язку).

Телекомунікаційна мережа- це система технічних засобів, з якої здійснюються телекомунікації.

До телекомунікаційних мереж належать:
1. Комп'ютерні мережі (для передачі)
2. Телефонні мережі (передача голосової інформації)
3. Радіомережі (передача голосової інформації – широкомовні послуги)
4. Телевізійні мережі (передача голосу та зображення - широкомовні послуги)

Комп'ютерні телекомунікації - телекомунікації, кінцевими пристроями є комп'ютери.

Передача інформації з комп'ютера на комп'ютер називається синхронним зв'язком, а через проміжну ЕОМ, що дозволяє накопичувати повідомлення та передавати їх на персональні комп'ютери в міру запиту користувачем, асинхронною.

Комп'ютерні телекомунікації починають впроваджуватися у освіту. У вищій школі їх використовують для координації наукових досліджень, оперативного обміну інформацією між учасниками проектів, навчання на відстані, проведення консультацій. У системі шкільного освіти - підвищення ефективності самостійної діяльності учнів, що з різноманітними видами творчих робіт, включаючи і навчальну діяльність, з урахуванням широкого використання дослідницьких методів, вільного доступу до баз даних, обміну інформацією з партнерами як у країні, і там.

Швидкість передачі залежить значною мірою від її створення (продуктивності джерела), способів кодування і декодирования. Найбільша можлива у цьому каналі швидкість передачі називається його пропускної спроможністю. Пропускна здатність каналу, за визначенням, є швидкість передачі інформації при використанні найкращих (оптимальних) для даного каналу джерела, кодера і декодера, тому вона характеризує тільки канал.

На сьогоднішній день інформація так швидко поширюється, що не вистачає часу її осмислити. Більшість людей рідко замислюються про те, як і за допомогою яких коштів вона передається, а тим більше не уявляє собі схему передачі інформації.

Основні поняття

Передачею інформації прийнято вважати фізичний процес переміщення даних (знаків та символів) у просторі. З погляду передачі - це сплановане заздалегідь, технічно оснащений захід по переміщенню інформаційних одиниць за встановлений час від так званого джерела до приймача за допомогою інформаційного каналу, або каналу передачі даних.

Канал передачі - сукупність коштів чи середовище поширення даних. Іншими словами, це та частина схеми передачі інформації, яка забезпечує рух інформації від джерела до одержувача, а за певних умов і назад.

Класифікацій каналів передачі багато. Якщо виділити основні їх, можна перерахувати такі: радіоканали, оптичні, акустичні чи бездротові, проводові.

Технічні канали передачі

Безпосередньо до технічних каналів передачі даних відносяться радіоканали, оптоволоконні канали та кабельні. Кабель може бути коаксіальний або на основі кручених пар. Перші є електричний кабель з мідним проводом всередині, а другі - кручені пари мідних проводів, ізольовані попарно, що знаходяться в діелектричній оболонці. Ці кабелі досить гнучкі та зручні у використанні. Оптоволокно складається з оптоволоконних ниток, що передають світлові сигнали відбитком.

Основними характеристиками є пропускна здатність та завадостійкість. Під пропускною спроможністю прийнято розуміти той обсяг інформації, який можна передати каналом за певний час. А завадостійкістю називають параметр стійкості каналу до дії зовнішніх перешкод (шумів).

Загальне уявлення про передачу даних

Якщо не конкретизувати область застосування, загальна схема передачі інформації виглядає нескладно, включає три компоненти: «джерело», «приймач» і «канал передачі».

Схема Шеннона

Клод Шеннон, американський математик та інженер, стояв біля джерел теорії інформації. Їм було запропоновано схему передачі інформації з технічних каналів зв'язку.

Зрозуміти цю схему нескладно. Особливо якщо уявити її елементи у вигляді знайомих предметів та явищ. Наприклад, джерело інформації - людина, яка розмовляє телефоном. Телефонна трубка буде кодуючим пристроєм, який перетворює мову або звукові хвилі на електричні сигнали. Каналом передачі в цьому випадку є вузли зв'язку, загалом, вся телефонна мережа, яка веде від одного телефонного апарату до іншого. Пристроєм, що декодує, виступає трубка абонента. Вона перетворює електричний сигнал назад у звук, тобто у мова.

У цій схемі процесу передачі дані представлені у вигляді безперервного електричного сигналу. Такий зв'язок називається аналоговим.

Поняття кодування

Кодуванням прийнято вважати перетворення інформації, що посилається джерелом, у форму, придатну для передачі по каналу зв'язку. Найзрозуміліший приклад кодування – це абетка Морзе. У ній інформація перетворюється на послідовність точок і тире, тобто коротких та довгих сигналів. Сторона, що приймає, повинна декодувати цю послідовність.

У сучасних технологіях використовується цифровий зв'язок. У ній інформація перетворюються (кодується) на двійкові дані, тобто 0 і 1. Існує навіть бінарний алфавіт. Такий зв'язок називається дискретним.

Перешкоди в інформаційних каналах

У схемі передачі також присутній шум. Поняття "шум" в даному випадку означає перешкоди, через які відбувається спотворення сигналу і, як наслідок, його втрата. Причини перешкод можуть бути різні. Наприклад, інформаційні канали можуть бути погано захищені один від одного. Для запобігання перешкодам застосовують різні технічні способи захисту, фільтри, екранування тощо.

К. Шенноном було розроблено та запропоновано до використання теорію кодування для боротьби з шумом. Ідея полягає в тому, що раз під впливом шуму відбувається втрата інформації, отже, дані, що передаються, повинні бути надмірні, але в той же час не настільки, щоб знизити швидкість передачі.

У цифрових каналах зв'язку інформація поділяється на частини - пакети, кожному з яких обчислюється контрольна сума. Ця сума передається разом із кожним пакетом. Приймач інформації знову обчислює цю суму і приймає пакет, тільки якщо вона збігається з початковою. В іншому випадку пакет знову відправляється. І так доти, доки відправлена ​​та отримана контрольні суми не співпадуть.

Специфіка різних галузей застосування систем передачі потребує різного підходи до реалізації таких систем. Система передачі телефонними каналами зв'язку, наприклад, зовсім не схожа на систему космічного зв'язку або тропосферної ні за технічним виконанням, ні за параметрами. Однак у принципах побудови та призначення окремих пристроїв різних систем багато спільного. У випадку схема системи передачі інформації показано на рис. 2 .

Можна передавати різні за фізичною природою повідомлення: цифрові дані, отримані від ЕОМ, мова, тексти телеграм, команди управління, результати вимірювань різних фізичних величин. Природно, що всі ці повідомлення попередньо повинні бути перетворені на електричні коливання, що зберігають всі властивості вихідних повідомлень, а потім уніфіковані, тобто представлені у формі, зручній

для подальшої передачі. Під джерелом інформації на рис. 2 розуміється пристрій, в якому виконані всі названі раніше операції.

Для більш економного використання лінії зв'язку, а також для зменшення впливу різних перешкод і спотворень інформація, що передається від джерела, може бути в подальшому перетворена за допомогою кодуючого пристрою.

Мал. 2. Структурна схема передачі.

Це перетворення, як правило, складається з низки операцій, що включають облік статистики інформації, що надходить для усунення надмірності (статистичне кодування), а також введення додаткових елементів для зменшення впливу перешкод і спотворень (перешкодостійке кодування).

В результаті ряду перетворень на виході пристрою, що кодує, утворюється послідовність елементів, яка за допомогою передавача перетворюється у форму, зручну для передачі по лінії зв'язку. Лінія зв'язку - це середовище, через яке відбувається передача сигналів від передавача до приймача. Облік впливу середовища необхідний. Теоретично передачі часто зустрічається поняття «канал зв'язку» - це сукупність коштів, які забезпечують передачу сигналів.

На вхід приймача, крім сигналів, що пройшли середовище, потрапляють різні перешкоди. Приймач виділяє із суміші сигналу і перешкод послідовність, яка повинна відповідати послідовності на виході пристрою, що кодує. Однак через дію перешкод, впливу середовища, похибок різних перетворень повну відповідність отримати неможливо. Тому така послідовність вводиться в пристрій, що декодує, яке виконує операції з її перетворення в послідовність, відповідну переданої. Повнота цієї відповідності залежить від ряду факторів: коригувальних можливостей кодованої послідовності, рівня сигналу та перешкод, а також їхньої статистики, властивостей декодуючого пристрою. Сформована внаслідок декодування послідовність надходить до одержувача інформації. Природно, що з проектуванні систем передачі завжди прагнуть забезпечити такі умови роботи, щоб відмінність інформації, одержуваної джерела, від інформації, переданої одержувачу, було невелика і перевищувала деякої допустимої величини. У разі основним показником якості передачі є достовірність передачі - ступінь відповідності прийнятого повідомлення переданому .