Передача информации физический процесс, посредством которого осуществляется перемещение информации в пространстве
 Скачать 1.33 Mb.
|
|
Передача информации - физический процесс, посредством которого осуществляется перемещение информации в пространстве. Данный процесс характеризуется наличием таких компонентов, как источник информации, приёмник информации, носитель информации и среда передачи. Передача информации в основном заключается в передаче данных, перенос которых осуществляется в виде сигналов средствами электросвязи. Передача данных может быть аналоговой или цифровой (то есть поток двоичных сигналов), а также модулирован посредством аналоговой модуляции, либо посредством цифрового кодирования. В данной лекции мы рассмотрим линии связи и каналы передачи информации. Основное внимание уделим передаче информации по дискретным и непрерывным каналам связи, в том числе – зашумлённым. 1. ЛИНИЯ СВЯЗИ В теории информации изучают свойства процессов, которые имеют место при передаче информации на расстояние при помощи сигналов. При этом большое значение имеют понятия качества и скорости передачи информации. Качество передачи информации тем выше, чем меньше искажения информации на приёмной стороне. С увеличением скорости передачи информации требуется принимать специальные меры, препятствующие потерям информации и снижению качества передачи информации. Круг проблем составляющих основное содержание раздела теории информации, связанного с техногенной системой связи можно охарактеризовать как исследование методов кодирования для экономического представления сообщений различных источников сообщений и для надежной передачи сообщений по каналам связи с шумом. Прикладной раздел теории информации базируется на статистическом описании источников сообщений и каналов связи. Здесь большое значение имеет измерение количества информации между сообщениями определяемого исключительно вероятностными свойствами сообщений и не от каких других их свойств независящих. На основе теории информации можно ответить на вопросы о предельных возможностях (т.е. о максимально достижимых характеристиках) различных технических систем связи, определить в какой мере проектируемая система уступает теоретически возможной. В информационном взаимодействии с окружающей средой человек ограничен возможностями собственных органов чувств. Однако спектр процессов, на основе которых производится передача информации, может быть расширен за счет использования средств связи. Информация передается в виде сообщений от некоторого источника информации к её приёмнику посредством канала связи между ними. Источник посылает передаваемое сообщение, которое кодируется в передаваемый сигнал. Этот сигнал посылается по каналу связи. В результате в приёмнике появляется принимаемый сигнал, который декодируется и становится принимаемым сообщением. Передача информации по каналам связи часто сопровождается воздействием помех, вызывающих искажение и потерю информации. В технике сообщения передают с помощью сигналов, которые являются носителями информации. Основным видом сигналов являются электрические сигналы. В последнее время всё большее распространение получают оптические сигналы, например, в волоконно-оптических линиях передачи информации. Сообще́ние - наименьший элемент языка, имеющий идею или смысл, пригодный для общения. В информатике - форма представления информации, имеющая признаки начала и конца, предназначенная для передачи через среду связи. Также форма предоставления информации, совокупность знаков или первичных сигналов, содержащих информацию. Обычно сообщение передается в виде предложения или условного знака. Конкретная форма сообщения называется представлением. Одно и то же сообщение может быть представлено различными способами. Переход от представления к значению сообщения называется интерпретацией. Жизненный цикл сообщения выглядит следующим образом: • Отправитель кодирует идею или мысль в сообщение, • передаёт сообщение через среду общения получателю. • Получатель получает сообщение и декодирует смысл. Типы сообщений: запрос/вопрос, ответ, команда, повествование, уведомление, предложение. Средства связи – совокупность устройств, обеспечивающих преобразование первичного сообщения от источника информации в сигналы заданной физической природы, их передачу, прием и представление в форме удобной потребителю. Сигна́л - изменение физической величины, передающее информацию, кодированную определённым способом. В просторечии может употребляться как синоним слова сообщение. Термин наиболее широко применяется в областях науки и техники, связанных с обработкой и передачей информации, в кибернетике, электронике, радиотехнике, технике связи и др. Сигна́л в информационной системе, в программировании - набор переданных и принятых данных, передающий информацию, кодированную определённым способом. Антонимами к слову сигнал, в зависимости от контекста, являются термины шум и помеха. http://profbeckman.narod.ru/InformLekc.htm Средств связи существует множество: почта, телефон, радио, телевидение, компьютерные сети и пр. Пример: матрос совершает особые взмахи флажками. Лишь увидев его, мы получаем информацию. Но зная расшифровку жестов, мы можем получить реальную информацию от матроса. Рис. 1. Последовательность жестов, означающая: «внимание». Человечество изобрело много способов передачи информации посредством электричества. Телеграф это одно из самых первых способов передачи информации посредством электричества. Для того, чтобы передавать информацию через телеграф была придумана специальная азбука – азбука Морзе. Высокий потенциал в течении короткого времени назвали точкой, высокий потенциал в течении длительного времени назвали тире. Определенная последовательность точек и тире обозначает одну букву. Например, последовательность точка, точка, точка, пауза, тире, тире, тире, пауза, точка, точка, точка передает информацию о бедствии – SOS. Можно выделить общие элементы средств связи, представленные на Рис. 1. Канал связи – это материальная среда, а также физический или иной процесс, посредством которого осуществляется передача сообщения, т.е. распространение сигналов в пространстве с течением времени. Каналы связи в зависимости от характера сигналов, передаваемых по ним подразделяются на дискретные и аналоговые. Примером дискретного канала является компьютерная сеть; аналогового – телефонная линия и радиоканал. Ниже приведены примеры некоторых каналов связи. Табл. 1. Примеры каналов связи Канал связи Среда Носитель сообщения Процесс, используемый для передачи сообщения Почта, курьеры Среда обитания человека Бумага Механическое перемещение носителя Телефон, компьютерные сети Проводник Электрический ток Перемещение электрических зарядов Радио, телевидение Электромагнитное поле Электромагнитные волны Распространение электромагнитных волн Зрение Электромагнитное поле Световые волны Распространение световых волн Слух Воздух Звуковые волны Распространение звуковых волн Обоняние, вкус Воздух, пища Химические вещества Химические реакции Осязание Поверхность кожи Объект, воздействующий на органы осязания Теплопередача, давление Любой реальный канал связи подвержен внешним воздействиям, а также в нем могут происходить внутренние процессы, в результате которых искажаются передаваемые сигналы и, следовательно, связанная с ними информация. Такие воздействия называются шумами (помехами). Источники помех могут быть внешними, например, так называемые "наводки" от мощных потребителей электричества или атмосферных явлений, приводящие к появлению нарушений в радиосвязи; одновременное действие нескольких близко расположенных однотипных источников (одновременный разговор нескольких человек). К помехам могут приводить и внутренние особенности данного канала, например, физические неоднородности носителя; паразитные явления в шинах; процессы затухания сигнала в линии связи из-за большой удаленности. Если http://profbeckman.narod.ru/InformLekc.htm уровень помех оказывается соизмерим с интенсивностью несущего сигнала, то передача информации по данному каналу оказывается вообще невозможной. Однако и при относительно низких уровнях шумов они могут вызывать искажения передаваемых сигналов и, следовательно, частичную потерю связанной с ними информации. Существуют и применяются методы защиты от помех, например, экранирование электрических линий связей; улучшение избирательности приемного устройства и т.д. Другим способом защиты от помех является использование специальных методов кодирования информации, о чем речь пойдет ниже. Шум - беспорядочные колебания различной физической природы, отличающиеся сложностью временной и спектральной структуры. Электромагнитная помеха - нежелательное физическое явление или воздействие электрических, магнитных или электромагнитных полей, электрических токов или напряжений внешнего или внутреннего источника, которое нарушает нормальную работу технических средств, или вызывает ухудшение технических характеристик и параметров этих средств. Для целей радиоэлектронной борьбы применяют преднамеренное электромагнитное воздействие, направленное на объект, которое является для него нежелательным, т. е. помехой. По происхождению помехи разделяются на естественные и искусственные. После прохождения вторичного сообщения по каналу связи оно попадает в приёмное устройство, где одновременно преобразуется в форму, необходимую для дальнейшей интерпретации. Если перед передачей применялось кодирование, после приёма вторичное сообщение направляется в декодер (ДК) и лишь затем – к получателю (потребителю) информации. При этом декодер может быть совмещен с преобразователем (например, телеграфный аппарат или компьютер) или с приемником информации (радист, принимающий сигналы азбуки Морзе и интерпретирующий их). Понятие линия связи охватывает все элементы представленной на Рис.1 схемы от источника до приемника информации. Линия связи – совокупность средств связи и канала связи, посредством которых осуществляется передача информации от источника к приемнику. Характеристиками любой линии связи являются скорость, с которой возможна передача сообщения в ней, а также степень искажения сообщения в процессе передачи. Из этих параметров вычленим те, что относятся непосредственно к каналу связи, т.е. характеризуют среду и процесс передачи. При этом мы затронем только вопросы передачи по дискретному каналу связи. 2. ИСТОЧНИКИ СООБЩЕНИЙ Источник информации - объект или субъект, порождающий информацию и представляющий её в виде сообщения, т.е. последовательности сигналов. Источник сообщений − это то, что вырабатывает сообщения. Это устная речь, письмо, газеты, книги, сообщения по радио, телевидению, результаты измерений, представленные в виде последовательности цифр и т. д. Сообщение может поступать в форме последовательности каких −либо кодовых знаков. Нас интересует источник с математической точки зрения, так чтобы можно было отличать источники друг от друга с каких-то обобщенных позиций. С математической точки зрения, под источником информации понимают множество возможных сообщений с заданной на этом множестве вероятностной мерой. Различают дискретные источники и непрерывные. Различие между ними в том, что элементы в дискретном случае образуют счётное множество, а в непрерывном − несчётное множество (континуум). Дискретный источник определен, если перечислены все его возможные сообщения и указаны их вероятности. http://profbeckman.narod.ru/InformLekc.htm x 1 , x 2 , x 3 , ... , x m p(x 1 ), p(x 2 ), p(x 3 ), ... , p(x m ), , ( ) ∑ = = m i i x p 1 1 Тогда энтропия источника, или количество информации, приходящееся в среднем на одно сообщение, будет составлять: ∑ = − = m i i x p x p X H 1 ) ( log ) ( ) ( (1) Это простейшая модель источника сообщений. Реальные источники характеризуются тем, что между элементарными сообщениями существуют статистические связи. Источник (3.1) является моделью первого, самого грубого приближения. Модель второго приближения учитывает статистику взаимосвязей между соседними буквами p(x j /x i ). Модель третьего приближения учитывает связи между тремя соседними буквами p(x k /x i x j ) и т.д. ∑∑ − = i i j j j i x x p x x p H ) / ( log ) , ( 2 ∑∑∑ − = i j k j i k k j i x x x p x x x p H ) / ( log ) , , ( 3 Известно, что H(X 2 /X 1 )≤H(X), H(X 3 /X 1 X 2 )≤H(X 2 /X 1 ) и т. д., поэтому энтропии разных степеней приближения составляют монотонно убывающий ряд: H 0 ≥ H 1 ≥ H 2 ≥ H 3 ≥ ...H n − 1 ≥ H n , где H 0 − модель источника без учета статистических характеристик H 0 =logn. По мере возрастания номера убывание замедляется, и вся цепочка стремится к некоторому пределу ∞ → = n n R H H lim Например, если возьмем 32 буквы русского алфавита, то значение энтропии будет убывать в зависимости от номера модели H 0 =log 32=5 бит =4,42 бит ( ) ∑ = − = 1 1 ) ( log i i i x p x p H Так как между буквами алфавита существуют взаимосвязи, например в русском языке довольно часто встречаются сочетания: тся, ает, щий и т.д., но нет сочетаний аь, иы и т.д., то модели более высоких номеров будут иметь все меньшее значение энтропии и в пределе стремиться к минимально возможному значению. Энтропия характеризует среднее количество информации, приходящееся на один символ сообщения. Если источник выдает n символов в секунду, то скорость выдачи информации будет составлять R и =nH. 3. КАНАЛЫ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ Передача информации - физический процесс, посредством которого осуществляется перемещение информации в пространстве. Данный процесс характеризуется наличием следующих компонентов: источник информации; приёмник информации; носитель информации; среда передачи. В процессе передачи информации обязательно участвуют источник и приёмник 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 http://profbeckman.narod.ru/InformLekc.htm называют специалисты, шумы, искажают информацию. К счастью, существует наука, разрабатывающая способы защиты информации - криптология. Рис. 2. Схема информационного канала Схема передачи информации с использованием средств информационной техники представлена на рисунке: Здесь: ИС – источник сообщения. Он регистрирует (фиксирует) информацию на каком-либо носителе, в результате чего образуется сигнал. Может выполнять в целом первую фазу обращения информации, а также криптографическое кодирование. В роли ИС могут выступать сканеры, факсимильные аппараты, клавиатуры, компьютеры и т.д. КИ – кодер источника. Выполняет эффективное кодирование информации в сигнале в случае необходимости. Данный элемент может отсутствовать в схеме. КК – кодер канала. На него возложены функции помехозащищённого кодирования, если передаваемый сигнал подвержен помехам. У – уплотнитель сигнала. Способствует передаче нескольких сигналов по одной линии связи ЛС. Может отсутствовать в схеме. М – модулятор сигнала. Изменяет информационные характеристики сигналов-носителей, накладывая на него дискретный сигнал. ЛС – линия связи – физическая среда (например, воздух, электрическое или магнитное поле) и технические средства в ней, который используются для передачи сигнала на расстояние. ДМ – демодулятор. Выполняет выделение дискретного сигнала из сигнала-носителя. Имеет место в схеме только при наличии модулятора М. В – устройство выделения уплотненного сигнала. Имеет место в схеме только при наличии уплотнителя У. ДК – декодер канала. Выявляет и/или исправляет ошибки, допущенные при передаче сигнала по линии связи ЛС. Присутствует в схеме только при наличии кодера канала КК. ДИ – декодер источника. Декодирует эффективные коды. Присутствует в схеме только при наличии кодера источника КИ. ПС – получатель сообщения. В его роли может выступать компьютер, принтер, дисплей и т.д. |