Физиологические возможности человека не позволяют ему передавать большие объемы информации па значительные расстояния без технических средств. Поэтому используются специальные преобразователи сообщений в электрический сигнал и обратно. Например, преобразование звуковых колебаний в электрические осуществляется с помощью микрофона. Обратное преобразование сигнала в звуковые колебания производится электродинамическим громкоговорителем. Преобразование оптического изображения в электрический сигнал осуществляется на основе фотоэффекта. Для решения проблемы передачи информации человечество создало и использует технические средства - телекоммуникации.

Термин «телекоммуникация» состоит из слов теле (от греч. tele - далеко) и коммуникация (от лат. commnication - связь) и означает связь на расстоянии. К телекоммуникациям относятся электросвязь, подвижная, спутниковая и волоконно-оптическая связь, телевидение, Интернет (англ. - Internet ), системы глобального позиционирования, локальные компьютерные сети, электронный банкинг, банкоматы, интернет-магазины, социальные сети, поисковые системы и многое другое. Электросвязь, осуществляемую с помощью радиосигналов, называют радиосвязью.

Фактически телекоммуникации - это передача или прием знаков, сигналов, сообщений, изображений и звуков или информации другого вида с помощью радио, визуальных или других электромагнитных систем.

Человечество живет в постоянно изменяющемся и пополняющемся информационном мире. То, что человек видит, слышит, помнит, знает, - все это различные формы информации. Как образно отметил К. Шеннон, «информация - послание, которое уменьшает неопределенность» (есть и такое похожее определение «информация есть устраненная неопределенность»). Но любое использование информации возможно лишь при условии ее передачи на расстояние.

Термином «информация» (от лат. infounatio - разъяснение, изложение, ознакомление) с древних времен люди обозначали процесс разъяснения, изложения, толкования различных сведений. Позднее так называли и сами сведения, и их передачу пользователю в любом конкретном виде. В общем случае под информацией понимают сведения о каких-либо событиях, фактах или предметах.

Техника связи тесно связана с теорией информации и передачей ее на расстояние. В настоящее время понятия «информация» и «сообщение» в повседневной жизни люди употребляют очень часто. Вместе с тем эти понятия сложны, хотя и близки по смыслу, поэтому дать их точные определения через более простые термины достаточно трудно.

Совокупность знаков (символов , от греч. symbol - знак - англ, character, символами могут быть цифры, буквы и элементы алфавита, отдельные слова и фразы человеческой речи, жесты и рисунки, формы электрических или световых колебаний и т.д.), отображающая (несущая ) информацию , называется сообщением. Сообщение - совокупность символов конечного алфавита, являющаяся формой выражения информации. Иногда сообщение трактуют как информацию, выраженную в определенной форме и подлежащую передаче. В информатике сообщение - это форма представления информации, имеющая признаки начала и конца, предназначенная для передачи через среду связи. Чтобы передать информацию, надо передать содержащее эту информацию сообщение.

Различают оптические (телеграмма, фотография, телевидение) и звуковые (речь, музыка) сообщения. Документальные сообщения фиксируются и хранятся на определенных носителях, раньше на бумаге, а теперь и на электронных носителях.

Сообщение представляют в виде телеграммы, сведений, передаваемых по телефону, радио, телевидению и т.д., совокупности электронных данных, хранящихся на магнитных носителях, флеш-памяти (от англ, flash - вспышка; перепрограммируемая постоянная энергонезависимая память), используемых в компьютерах. Этот вид информации называют электронным. Электронный вид информации привел к Интернету.

Internet (сокращ. от англ. Interconnected networks - Всемирная система объединенных компьютерных сетей) - глобальная мировая информационно-телекоммуникационная сеть информационных и вычислительных ресурсов. Эту технологию организации обмена информацией между различными техническими системами и сетями связи называют WWW-технологией (WWW - World Wide Web - Всемирная паутина). Сеть (рис. 1.1) объединяет миллионы компьютеров и позволяет обмениваться информацией миллиардам людей.

В телевизионных (телевидение - от грсч. tele - далеко и лат. video - вижу: далеко видеть) системах при передаче движущихся изображений сообщение представляет собой изменение во времени яркости элементов изображения.

Начало пониманию информации как всеобщего свойства материи было положено Н. Винером в его монографии «Кибернетика, или управления и связь в животном и машине» (1948). Современная информационная наука находит применение в самых разных областях. Поэтому до сих пор еще нет всеобщего для всех наук классического определения понятия «информация». Применяемое в связи современное понятие «информация» ввели в начале XX в. Р. Хартли и К. Шеннон. Под информацией понимают совокупность сведений о каких-либо событиях, явлениях или предметах, предназначенных для передачи, приема, обработки, преобразования, хранения или непосредственного использования.

Зависимость информации от времени существования ее носителя - важнейшее информационное свойство материи, которое и является памятью. Важно то, что в отличие от материального и энергетического ресурсов информационный не уменьшается при потреблении, а существенно пополняется и накапливается со временем (ученые считают, что объем человеческих знаний удваивается каждые 10 лет, а объем информации - каждые 1-2 года; для сравнения можно отметить, что производительность и быстродействие компьютеров увеличиваются вдвое менее чем через 1,5 года). Более то-

Рис. 1.1.

каждая линия расположена между двумя узлами, соединяя /P-адреса; длина линии показывает временную задержку (пинг) между узлами (источник: www.opte.org/maps) го, с помощью специальных технических и вычислительных средств информационный ресурс сравнительно просто обрабатывается, преобразуется и передается на значительные расстояния. Появилась новая наука о преобразовании информации - информатика.

Часто наряду с информацией, особенно при описании действия цифровых устройств п вычислительных систем, употребляют такое понятие, как данные. Используемые данные являются уже информацией.

Особенностью информации является возможность ее многократного применения. В частности, при извлечении информации из памяти компьютера информация, записанная в памяти, не исчезает, а начинает свое самостоятельное существование и может быть использована различным образом. Как правило, с течением времени память ухудшается в результате роста энтропии (от греч. entropia - круговорот, превращение) системы памяти, и записанная информация может постепенно стираться. Другая принципиальная особенность информации состоит в том, что обычно ее получают в одном месте, а используют в другом, и поэтому требуется ее передать на какое-то расстояние.

Коммуникации могут быть разделены следующим образом.

Зрительная связь - средство, доступное для всех. Зрительные сигналы передаются флагами, огнями, пиротехникой, прямыми сигналами и другими заранее подготовленными визуальными средствами, например такими, как маневры самолета.

Звуковое вещание предполагает передачу звуковых программ, предназначенных для непосредственного приема населением.

Видеотелефонная связь рассчитана на одновременную передачу изображения и речевых сообщений.

Телевидение применяется для передачи голосовой и видеоинформации и требует дорогостоящего оборудования и широкодиапазонных линий связи.

Передача данных, как правило, обеспечивает связь человека с компьютером, а также между компьютерами.

Телеграфия - метод передачи письменных сообщений по проводам. Это относительно медленный метод, приблизительно 10-15 слов/мин, но он используется тогда, когда другие типы радиопередачи подавлены.

Телетайп - быстрый метод (40-100 слов/мин) передачи сообщения но проводным или многоканальным радиолиниям или по радиотелетайпу. Обычно используется в общей сети связи, доступной через центр связи.

Фототелеграф {факс) - относительно медленный метод передачи неподвижных изображений: текстов, таблиц, чертежей, фотографий и т.д. Обычно используется для прямой связи, чтобы ответить определенному требованию.

Связь - электронная техническая база, обеспечивающая передачу и прием информации между удаленными друг от друга людьми или устройствами и системами.

Телекоммуникационные системы и сети - пространственно-распределенные системы массового обслуживания в виде совокупности технических устройств, алгоритмов и программного обеспечения, обеспечивающие получение и обмен информацией в любое время суток и в любой точке земного шара при помощи электрических и электромагнитных колебаний по кабельным, волоконно-оптическим и радиотехническим каналам в различных диапазонах волн. Эти системы позволяют передавать, накапливать и распределять информационные данные, тексты, изображения, аудио- и мультимедийную информацию, стереофонические программы, обеспечивать доставку электронной почты, предоставлять услуги Интернета.

Современные телекоммуникации (в том числе системы связи) используют множество различных технологий, количество которых стремительно увеличивается. Однако наибольшее развитие получили:

• системы связи по электрическим кабелям (КСС);
• волоконно-оптические линии связи (ВОЛС);
• системы связи с искусственными спутниками Земли (ИСЗ);
• узкополосные и широкополосные наземные системы электросвязи;
• оптические системы связи открытого распространения.

В этом перечне системы связи разделяются на группу кабельных (КСС и ВОЛС) и группу беспроводных систем.

На рис. 1.2 показана условная диаграмма областей применения различных телекоммуникационных систем, относящихся к цифровым технологиям. Выделены две большие основные области применения: системы связи с ИСЗ и ВОЛС.

Системы связи по электрическим кабелям получили наибольшее распространение в распределительных сетях (например, в системах кабельного телевидения) и системах дальней связи, однако высокая стоимость исходных материалов (цветных и драгоценных металлов) наряду с относительно небольшой полосой пропускания делают проблематичной конкурентоспособность подобных устройств в будущем. Общими недостатками кабельных структур являются долгое время строительства, связанное с земляными или подводными работами, подверженность воздействию природных катаклизмов, актов вандализма и терроризма и все возрастающая стоимость прокладочных работ.

В волоконно-оптических линиях связи удается реализовать все преимущества света как носителя информации. Такие линии обладают высокой пропускной способностью (под пропускной способностью системы связи

Рис. 1.2.

понимают предельно достижимое количество передаваемой информации (или наибольшую скорость передачи информации - число бит в секунду), которое можно передать через сети; это называют и емкостью С), невосприимчивы к электромагнитным помехам, не подвергаются коррозии в агрессивных средах, имеют малую массу, передача по ним недоступна для подслушивания и перехвата.

К характерным особенностям систем связи через ИСЗ относятся возможности передавать относительно небольшие объемы информации на очень большие расстояния и перекрывать значительные площади.

Наземные беспроводные системы играют значительную роль, успешно конкурируя с ВОЛС и спутниковыми сетями, особенно для связи на небольшие расстояния. К таким системам относятся оптические системы связи открытого распространения, а также узкополосные и широкополосные системы связи.

Оптические системы связи открытого распространения , получающие развитие в последние годы, подразделяются на инфракрасные и лазерные. Эти системы позволяют передавать значительные объемы информации на малые расстояния (сотни и тысячи метров). Небольшая дальность объясняется потерями в атмосфере из-за тумана, дождя, снега, смога, града и различными естественными и искусственными препятствиями. Лучшие системы позволяют передавать цифровые потоки со скоростью более 200 Мбит/с на расстояние до 4-5 км при любых погодных условиях, концентрируя сигнал в чрезвычайно плотный луч и применяя автоматический поиск и юстировку (настройку) системы, которая удерживает луч света в апертуре (площади поверхности) приемной антенны.

К характерной особенности развития современных систем связи можно отнести переход на все более высокочастотные участки радиодиапазона от 5 до 100 ГГц. При этом обеспечивается передача больших объемов информации на расстоянии прямой видимости. Излучение на частотах нижних участков диапазона проходит через атмосферу лучше и, к примеру, в диапазоне 2 ГГц может перекрыть расстояние вплоть до 100 км, а радиосистема с той же мощностью передатчика в диапазоне 38 ГГц обеспечит протяженность не более чем 5-7 км. Одно из названий наземных систем связи, работающих в диапазонах 5-100 ГГц, - микроволновая связь. К ним относятся радиорелейные линии и сети связи прямой видимости, системы распределения информации и некоторые сотовые структуры. Современная аппаратура для радиорелейных линий и сетей связи прямой видимости выпускается на диапазоны 2, 4, 6, 8, 11, 13, 15, 17, 23, 27, 38 ГГц и выше.

Последние десятилетия в сфере сверхширокополосных систем связи наблюдается процесс замещения электронных систем на фотонные. Связано это с иной физической природой фотона. Отсутствие заряда и массы наделяет его уникальными свойствами. Фотонные системы связи не подвержены внешним электромагнитным полям, обладают гораздо большей дальностью передачи и шириной полосы пропускания. Эти и другие преимущества, уже реализованные на базе фотоники в сфере телекоммуникаций, дают право говорить о возникновении нового направления - радиофотоники, появившейся из слияния радиоэлектроники, интегральной и волновой оптики, сверхвысокочастотной (СВЧ) оптоэлектроники и ряда других отраслей.

Технологии телекоммуникаций - это принципы организации современных аналоговых и цифровых систем и сетей связи, включая компьютерные сети и Интернет. Если для построения локальных и корпоративных сетей могут быть использованы только проводные каналы связи, в том числе и высокоскоростные волоконно-оптические линии связи, или беспроводные, например использующие технологии радио Ethernet (от англ, ether - эфир: пакетная технология передачи данных преимущественно локальных компьютерных сетей), то создание глобальных сетей уже невозможно без широкой интеграции как проводных, так и беспроводных каналов, включая спутниковые каналы и сети связи.

Хранение информации - фиксация параметров носителя информации. Для передачи или хранения нужной информации используют различные знаки - символы, позволяющие представить ее в некоторой форме.

Первой серьезной работой по теории передачи информации считают статью американского связиста Ральфа Хартли «Передача информации» (1928). Р. Хартли сделал открытие, состоящее в том, что информация допускает количественную оценку. Он предложил количество информации, передаваемое по каналу связи относительно двух равновероятных исходов и снимающее неопределенность, оценивать путем принятия одного из них за единицу информации, потом получившую название бит. Однако логарифмическая формула Хартли позволяла определять количество информации только для случая, когда появление символов равновероятно и они статистически независимы. Но эти условия выполняются чрезвычайно редко.

Немаловажное значение для теории передачи дискретной информации (по телеграфным линиям) имела работа Гарри Найквиста «Некоторые факторы, воздействующие на скорость телеграфирования» (1924). Но наиболее значимым шагом в становлении теории передачи информации явились уже упоминавшиеся ранее фундаментальные работы Клода Шеннона, развившие идеи Хартли. К. Шеннон впервые стал исследовать статистическую структуру передаваемых сообщений и действующих в канале связи шумов и, кроме того, анализировал не только конечные, но и непрерывные множества передаваемых сообщений. Шеннон рассматривал информацию как сообщение об исходе случайных событий, о реализации случайных сигналов. Поэтому количество информации ставилось им в зависимость от вероятности наступления этих событий: если сообщение несет сведения о часто встречающихся событиях, вероятность появления которых стремится к единице, то такое сообщение малоинформативно. К. Шеннон ввел понятие «энтропия источника сообщений» как метрику измерения объема информации. Теория информации Шеннона позволяла ставить и решать задачи об оптимальном кодировании (и модуляции) передаваемых сигналов с целью повышения пропускной способности (емкости) каналов связи, подсказывала пути борьбы с помехами на линиях связи и т.д. Введение Шенноном способа измерения количества информации привело к формированию самостоятельного научного направления в электросвязи - теории информации.

Параллельно на основе работ В. А. Котельникова развивалось другое научное направление - теория потенциальной помехоустойчивости. В. А. Котельниковым в 1946 и 1956 гг. были опубликованы работы по оптимальным методам приема информации и потенциальной помехоустойчивости. Теория потенциальной помехоустойчивости определяет предельные возможности приема сигналов при наличии шумов. Использование результатов работ В. А. Котельникова дало возможность судить о том, насколько конкретная система передачи информации близка к идеальной по своей структуре и способности выделять сигнал из смеси его с помехами и шумами. Главная задача теории помехоустойчивости - отыскание таких способов передачи и приема информации, при которых обеспечивается наивысшая достоверность принятого сообщения.

Сигнал (от лат. signum - знак) - физический процесс, несущий информацию о состоянии какого-либо объекта наблюдения. Сигнал - материальный носитель информации, обладающий переменными параметрами. Но существу значения параметров несущего сигнала отражают передаваемое сообщение. Сигнал переносит информацию в пространстве и во времени, и это представляет собой материально-энергетическую форму информации.

По своей природе сигналы бывают электрическими, электромагнитными, оптическими, акустическими и др. В системах связи в основном используют электрические и оптические сигналы. Физической величиной, характеризующей электрический сигнал, является напряжение, несколько реже - сила тока (иногда мощность). Для сигнала возможен и ряд других определяющих физических величин, например зависимость давления воздуха в точке от времени можно характеризовать как звуковой сигнал, зависимость яркости от положения точки на плоскости можно рассматривать как черно-белое изображение.

В системах оптической обработки информации сигналом может являться зависимость интенсивности света от пространственных координат изображения. При временном подходе аналитическим описанием конкретного сигнала может быть некоторая функция времени u(t). Определив каким- либо образом эту функцию, можно определить и сигнал. Однако на практике полное описание сигнала не всегда требуется. Часто достаточно более общего описания в виде нескольких параметров сигнала, характеризующих его основные свойства. В книге далее везде подразумевается (если иное не оговорено специально), что электрический сигнал u(t) представляет собой зависимость напряжения от времени.

Сигналы, отражающие информацию, могут воздействовать на преобразователи и усилители сигналов. Преобразователи сигналов делятся на два класса. На преобразователи одного класса воздействует физический процесс одной природы (например, звуковой сигнал), а на выходе получается сигнал другой природы (в частности, электрический сигнал на выходе микрофона, телекамеры и пр.). В преобразователях (и усилителях) другого класса осуществляется преобразование (и усиление) электрических сигналов без изменений их физической природы.

Передаваемые (часто используется характеристика «полезные») сигналы формируют путем изменения тех или иных параметров физического носителя в соответствии с передаваемым сообщением. Этот процесс изменения параметров носителя сообщений в радиотехнике и связи называют модуляцией.

Следует ввести параметры передаваемого сигнала, которые являются основными с точки зрения его передачи. Такими параметрами являются длительность сигнала Т с, его ширина спектра F c и динамический диапазон D c .

Практически каждый электрический сигнал, рассматриваемый как временной процесс, имеет начало и конец. Поэтому длительность сигнала Г с является естественным его параметром, определяющим интервал времени, в пределах которого данный сигнал существует.

Для оценки условий прохождения сигнала по каналу связи необходимо знать важнейшую характеристику - ширину спектра. Ширина спектра передаваемого сигнала F c дает представление о скорости изменения этого сигнала внутри интервала его существования. Спектр передаваемого сигнала в принципе может быть неограниченным. Однако для любого сигнала можно указать диапазон частот, в пределах которого сосредоточена его основная (до 90%) энергия.

Практически все электрические сигналы, отображающие реальные сообщения, содержат бесконечный спектр частот. Для неискаженной передачи таких сигналов потребовался бы канал с бесконечной полосой пропускания. В то же время потеря на приеме хотя бы одной составляющей спектра приводит к искажению сигнала. Поэтому ставится задача передавать сигнал в ограниченной полосе пропускания канала таким образом, чтобы искажения сигнала удовлетворяли требованиям и качеству информации. Таким образом, исходя из технико-экономических соображений требований передачи, можно сказать, что полоса частот - ограниченный участок частот. Ширина полосы частот AF определяется разностью между верхней F n и нижней F tI частотами в спектре сообщения.

В теории связи реальную ширину спектра передаваемого сигнала часто сознательно сужают (при этом сужают ширину спектра исходя из допустимых искажений сигнала). Это связано с тем, что радиоаппаратура и линии связи имеют ограниченную полосу пропускаемых частот.

При радиотелефонной связи элементы речи (звуки, слоги, слова и т.д.) произносятся фактически слитно и не имеют четких границ. Сигналы телефонирования представляют собой последовательности речевых импульсов, отделенных друг от друга паузами. Импульсы соответствуют звукам речи, произносимым слитно, и весьма разнообразны по форме и амплитуде (амплитуда сигнала представляет собой модуль наибольшего его отклонения от нуля).

Длительности отдельных речевых импульсов также отличаются друг от друга, но обычно они близки к 100-150 мс. Паузы между импульсами изменяются в значительно большем диапазоне: от нескольких миллисекунд (межслоговые паузы) до нескольких минут и даже десятков минут - паузы при выслушивании ответа собеседника. Частотный спектр речевого сигнала очень широк (рис. 1.3), однако экспериментально установлено, что для передачи речи с достаточно высоким качеством (узнаваемостью голоса абонента, воспроизведением тембра, удовлетворительной натуральностью и разборчивостью слогов (90%) и фраз (99%)) можно ограничиться полосой частот 300-3400 Гц. Кстати, для унификации многоканальных систем связи за основной, или стандартный, канал принимают канал тональной частоты (канал ТЧ), обеспечивающий передачу сообщений с эффективно передаваемой полосой частот, соответствующей основному спектру телефонного сигнала.

Рис. 1.3.

Источниками звука при передаче программ вещания являются музыкальные инструменты или голос человека. Спектр звукового сигнала занимает полосу частот 20-20 000 Гц. Частота импульсов основного тона лежит в пределах от 50-80 (бас) до 200-250 Гц (женский и детский голоса).

В системах радиовещания для высококачественной передачи музыки требуется полоса частот 30-20 000 Гц. Это связано с тем, что звуковых колебаний с более высокими частотами человек практически не слышит. Причем передача такого широкого спектра частот без взаимных помех большого числа радиостанций в диапазонах километровых, гектометровых и декаметровых волн технически весьма затруднительна. Поэтому при радиовещании на этих волнах ограничиваются передачей спектральных составляющих в полосе частот 50-4500 Гц. На метровых и дециметровых волнах (в частности, звуковое сопровождение телевизионного изображения) передача осуществляется в более широком спектре (30-10 000 Гц), в результате чего достигается более высокое качество передачи музыки. Точно так же необходимая ширина спектра телевизионного сигнала определяется требуемой четкостью передаваемого изображения. Для достаточно высокого качества полоса частот AF должна составлять 50-10 000 Гц, для безукоризненного воспроизводства программ вещания (каналы высшего класса) - 30-15 000 Гц.

В телевидении для качественного воспроизведения изображения необходимо разложить его на большое число элементов и передать информацию о яркости каждого элемента. Кроме того, для слитного восприятия глазом движущегося изображения частота смены кадров на экране должна быть достаточно высокой.

Телеграфные сигналы и передача данных. Сообщения и сигналы телеграфии и передачи данных относятся к дискретным. Устройства преобразования телеграфных сообщений и данных представляют каждый знак сообщения (букву, цифру) в виде определенной комбинации импульсов и пауз одинаковой длительности. Импульс соответствует наличию тока на выходе устройства преобразования, пауза - отсутствию тока.

Телеграфный сигнал представляется колебанием с дискретной модуляцией. Сигналы телеграфии и передачи данных обычно имеют вид последовательностей прямоугольных импульсов. Чем меньше длительность импульсов, отображающих сообщения, тем больше их будет передано в единицу времени.

Ширина спектра телеграфного сигнала зависит от скорости его передачи (и от длительности самих импульсных посылок Т = т и, с) и обычно принимается равной F- 1,5а, где v - скорость телеграфирования , или скорость модуляции (часто - скорость передачи импульсных посылок, или техническая скорость) в бодах {baud). Один бод (введен в телеграфию Ж. Бодо) - скорость, при которой за 1 с передается одна посылка. Итак, при длительности импульса т и = 1 с скорость передачи v = 1 бод. В телеграфии используют импульсы длительностью т н = 0,02 с, что соответствует стандартной скорости телеграфирования 50 бод, т.е. v =1/т н. Тогда при телетайпной передаче сообщений и скорости передачи v = 50 бод ширина спектра телеграфного сигнала F~ 75 Гц. Если длительность посылки т и выражена в секундах, то техническая скорость (скорость модуляции) есть величина, обратная длительности посылки, - v = 1 /Т= 1/т и [бод]. Ограничение скорости модуляции (скорости телеграфирования) обусловлено техническими характеристиками реальной системы передачи информации.

По скорости передачи телеграфного сигнала системы передачи делят следующим образом:

• низкоскоростные (НС) - до 200 бод;
• среднескоростные (СС) - 600-1200 бод;
• высокоскоростные (ВС) - 2400-96 000 бод.

Частота следования двоичных (binary ) посылок (т.е. «1» и «0») называется тактовой частотой F r Численно F r соответствует скорости передачи информации в бодах.

При передаче двоичных сигналов достаточно зафиксировать либо наличие или отсутствие импульса (при однополярном сигнале), либо знак импульса (при двуполярном сигнале). Импульсы в приемнике можно уверенно зафиксировать, если для их передачи используется ширина полосы, численно равная скорости передачи в бодах. Для стандартной скорости телеграфирования 50 бод ширина спектра телеграфного сигнала составит 50 Гц. При скорости 2400 бод ширина спектра сигнала равна 2400 Гц.

При передаче сообщения комбинацией символов «1» и «0», т.е. двоичным кодом, элементарную посылку (двоичный символ, двоичную цифру «1» или «0») называют битом (от англ, binary digit - «bit» - двоичная единица). Итак, бит - один двоичный разряд - символ, принимающий лишь одно из двух значений: «1» или «0» (следует иметь в виду, что слово «бит» в теории информации имеет два различных значения: одно используется в качестве синонима двоичного символа, а второе обозначает единицу количества информации, необходимого для различения двух равновероятных сообщений (например «орел» - «решка» и т.д.)). Так, представление символов в виде комбинации 101 есть 3-битовое число. При этом количество передаваемой за секунду информации (символьная скорость) измеряется в битах в секунду (бит/с = bps).

Для избежания неясности (см. далее) заметим, что при синхронной передаче цифровых данных обозначение «бит/с» аналогично обозначению «бод», т.е. скорость 1 бит/с = 1 бод, поэтому при совпадении технической скорости системы с требуемой символьной скоростью передачи информации скорость можно определять как в битах в секунду, так и в бодах.

Первое опубликованное представление (1670) двоичной системы счисления (система счисления - правило записи чисел с помощью заданного набора цифр) принадлежит испанскому священнику Хуану Карамюэлю Лобко- вицу. Всеобщее же внимание к этой системе привлекла статья Г. Лейбница (1703), в которой пояснялись двоичные операции сложения, вычитания, умножения и деления. В двоичной системе (основание R = 2) целое число представляют как сумму степеней числа 2 с соответствующими коэффициентами 0 или 1. Работа большинства компьютеров основана именно на этой системе чисел. С помощью двоичной системы кодирования можно зафиксировать любые данные. Это легко понять, если вспомнить принцип кодирования и передачи информации с помощью азбуки (кода) Морзе.

Восемь бит называется байтом (от англ, byte - часть). При использовании двоичного представления кодовая комбинация может выражать целое число, равное уровню непрерывного сигнала в момент его дискретного отсчета. Байт служит в качестве единицы представления информации: букв, слогов и специальных символов (занимающих обычно все 8 бит) или десятичных цифр (по две цифры в 1 байте). С помощью 1 байта можно получить 256 разных двоичных кодовых комбинаций и отобразить с их помощью 256 различных символов. Кодирование заключается в том, что каждому символу ставится в соответствие уникальный десятичный код от О до 255 или соответствующий ему двоичный код от 00000000 до 11111111.

Обычно спектр модулированного сигнала шире спектра сигнала, отражающего передаваемое сообщение, и зависит от вида модуляции. Поэтому в теории сигналов и связи используют такой параметр, как база сигнала :

В теории информации вводят более общую характеристику - объем сигнала :

Чем выше частота сигналов, тем большего объема и с более высокой скоростью можно передавать сообщения. Объем сигнала дает представление о возможностях данного множества сигналов как переносчиков сообщений. Однако чем больше объем сигнала, тем больше информации можно «заложить» в него и тем труднее передать такой сигнал с требуемым качеством.

Динамический диапазон D c - отношение наибольшей мгновенной мощности сигнала (мгновенная мощность сигнала равна квадрату его напряжения, T.e.p(t)= u)) к наименьшей мгновенной мощности. Обычно его удобнее выражать в децибелах. При сравнении мощностей Р 2 и Р,

Примечание. В последнее время специалисты по системам связи находят весьма удобным измерять уровень мощности непрерывных сигналов по отношению к некоторому заданному значению абсолютной мощности. В этом случае говорят об уровне абсолютной мощности в ваттах, используя в то же время преимущества логарифмического масштаба. Обычно используется опорный уровень в 1 мВт. Например, если Р { представляет собой опорный уровень мощности в 1 мВт, то абсолютная мощность

Единица измерения дБм в последней формуле читается как «децибел относительно одного милливатта». Значит, если для непрерывного сигнала известно, что его мощность равна 3 дБм, то абсолютная мощность этого сигнала в два раза превышает 1 мВт, или равна 2 мВт. Аналогично сигнал уровня-10 дБм имеет абсолютную мощность 0,1 мВт.

При сравнении напряжений (иногда токов) U 2 и f/,

Динамический диапазон речи теледиктора составляет 25-35 дБ, художественного чтения - до 50 дБ, музыкальных и хоровых ансамблей - до 55 дБ; симфонического оркестра - 65-90 дБ. Во избежание перегрузок передающего канала в вещании динамический диапазон часто сокращают до 35-45 дБ.

При проектировании и создании систем передачи информации обычно оказывается, что спектр передаваемого сигнала сосредоточен не на тех частотах, которые эффективно пропускает имеющийся канал связи. Часто необходимо в одном канале передавать несколько независимых сигналов одновременно.

Для передачи информации на большие расстояния используют электромагнитные волны. При этом передачу можно осуществлять по медным проводам, оптоволоконному кабелю или непосредственно, но схеме передатчик-приемник. В последнем случае используются антенны. Для того чтобы антенна эффективно излучала электромагнитную энергию, ее размеры должны быть сравнимы с длиной передаваемой волны. Однако электрические сигналы, отражающие передаваемые сообщения, как правило, маломощны и низкочастотны. А из курса физики известно, что электрические сигналы с низкими частотами не могут эффективно излучаться в свободное пространство. Передавать их непосредственно можно только по проводным или кабельным линиям (телефонная, телеграфная связь и т.д.).

Передачу электромагнитного колебания на какое-либо расстояние выполняют с помощью антенн, размер которых зависит от длины волны X. Для мобильных телефонов размер антенны обычно равен (реально существенно меньше) Х/А, а длина волны X = с/f, где с = 3 10 8 м/с - скорость света в свободном пространстве; / - циклическая частота, Гц (герц - частота, при которой происходит одно колебание в секунду). Для частоты, определяемой в килогерцах, мегагерцах, гигагерцах, соответственно получают следующие соотношения: / [кГц] = 300/А. [км]; / [МГц] = 300/А, [м]; / [ГГц] = -ЗОЛ [см].

Рассмотрим почти гипотетическую передачу низкочастотного сигнала (например, со средней частотой /= 1500 Гц), поступающего в антенну. Какая антенна будет нужна для мобильного телефона при его размерах / = А./4? Получаем, что для сигнала с заданной частотой 1500 Гц длина антенны / = = Х/А = c/(Af) = 3-10 8 /(4 -1500) м = 50 000 м = 50 км. Итак, для передачи сигнала с частотой 1500 Гц без несущей частоты требуется антенна размером 50 км. При этом если низкочастотный сигнал передается с помощью несущей частоты, например 1500 МГц, размер антенны составит порядка 5 см.

Человек воспринимает акустические колебания в диапазоне 20-12 000 Гц, и для передачи звука требуется именно этот диапазон частот. Динамический диапазон частот (отношение максимальной частоты к минимальной) в этом случае равен 600, а для высококачественного воспроизведения звука он в два раза шире. При решении проблемы передачи низкочастотного сигнала используют преобразование частот и различные методы модуляции, что позволяет сделать компактную антенну. Перечисленные причины приводят к необходимости такой трансформации исходного сигнала, чтобы требования, предъявляемые к занимаемой им полосе частот, были выполнены, а сам сигнал можно было с достаточной верностью восстановить в приемнике. Чтобы уменьшить воздействие помех, следует представить сигнал в помехоустойчивой форме, подвергнув его дополнительным преобразованиям. Такими преобразованиями являются модуляция и кодирование.

Суть процесса модуляции (от англ, modulation, лат. modulatio - размеренность) сигнала заключается в следующем. Для передачи информации формируют электрические сигналы (переносчики сообщений), которыми обычно являются хорошо излучающиеся и распространяющиеся (с достаточно низким коэффициентом затухания) в свободном пространстве мощные высокочастотные гармонические электромагнитные колебания - несущие колебания {частоты), или просто несущие {earner). Очень важно помнить, что несущие колебания не содержат информации, а являются только ее переносчиками. Передаваемая по каналам связи информация путем модуляции «закладывается» в один или ряд параметров несущего колебания. Они изменяются по законам передаваемого сообщения. Исходный сигнал называют модулирующим, а результирующее колебание с изменяющимися во времени параметрами - модулированным сигналом {modulated signal). Обратный процесс - выделение модулирующего сигнала из модулированного колебания - называется демодуляцией или детектированием {detection) радиосигнала.

При кодировании сообщения происходит процесс преобразования его элементов в соответствующие числа {кодовые символы). Каждому элементу сообщения присваивается определенная совокупность символов, которая называется кодовой комбинацией. Совокупность кодовых комбинаций, отображающих дискретные сообщения, образует код. Правило кодирования может быть выражено кодовой таблицей, в которой приводятся алфавит кодируемых сообщений и соответствующие им кодовые комбинации. Множество возможных кодовых символов называется кодовым алфавитом, а их количество т - основанием кода.

При основании кода т правила кодирования К элементов сообщения сводятся к правилам записи К различных чисел в т-ичной системе счисления. Число разрядов п, образующих кодовую комбинацию, называют разрядностью кода или длиной кодовой комбинации. В зависимости от системы счисления, используемой при кодировании, различают двоичные и п-ичные (недвоичные) коды.

Распространение информации происходит в процессе ее передачи.

При передаче информации всегда есть два объекта – источник и приемник информации. Эти роли могут меняться, например, во время диалога каждый из участников выступает то в роли источника, то в роли приемника информации.

Информация проходит от источника к приемнику через канал связи, в котором она должна быть связана с каким-то материальным носителем. Для передачи информации свойства этого носителя должны изменяться со временем. Так лампочка, которая все время горит, передает информацию только о том, что какой-то процесс идет. Если же включать и выключать лампочку, можно передавать самую разную информацию, например, с помощью азбуки Морзе.

При разговоре людей носитель информации – это звуковые волны в воздухе. В компьютерах информация передается с помощью электрических сигналов или радиоволн (в беспроводных устройствах). Информация может передаваться с помощью света, лазерного луча, системы телефонной или почтовой связи, компьютерной сети и др.

Информация поступает по каналу связи в виде сигналов, которые приемник может обнаружить с помощью своих органов чувств (или датчиков) и «понять» (раскодировать).

Сигнал – это изменение свойств носителя, которое используется для передачи информации.

Примеры сигналов – это изменение частоты и громкости звука, вспышки света, изменение напряжения на контактах и т.п.

Человек может принимать сигналы только с помощью своих органов чувств. Чтобы передавать информацию, например, с помощью радиоволн, нужны вспомогательные устройства: радиопередатчик, преобразующий звук в радиоволны, и радиоприемник, выполняющий обратное преобразование. Они позволяют расширить возможности человека.

С помощью одного сигнала невозможно передать много информации. Поэтому чаще всего используется не одиночный сигнал, а последовательность сигналов, то есть сообщение. Важно понимать, что сообщение – это только «оболочка» для передачи информации, а информация – это содержание сообщения. Приемник должен сам «извлечь» информацию из полученной последовательности сигналов. Можно принять сообщение, но не принять информацию, например, услышав речь на незнакомом языке или перехватив шифровку.

Одна и та же информация может быть передана с помощью разных сообщений, например, через устную речь, с помощью записки или с помощью флажного семафора, который используется на флоте. В то же время одно и то же сообщение может нести разную информацию для разных приемников. Так фраза «В Сантьяго идет дождь», переданная в 1973 году на военных радиочастотах, для сторонников генерала А. Пиночета послужила сигналом к началу государственного переворота в Чили.

Таким образом, информация представляется и передается в форме последовательности сигналов, символов. От источника к приёмнику сообщение передается через некоторую материальную среду. Если в процессе передачи ис­пользуются технические средства связи, то их называют каналами передачи информации (информационными каналами). К ним относятся телефон, радио, ТВ. Органы чувств человека исполняют роль биологических информационных каналов.

Процесс передачи информации по техническим каналам связи проходит по следующей схеме (по Шеннону):

Передача информации возможна с помощью любого языка кодирования информации, понятного как источнику, так и приёмнику.

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

Декодирующее устройство – устройство для преобразования кодированного сообщения в исходное.

Пример. При телефонном разговоре: источник сообщения – говорящий человек; кодирующее устройство – микрофон – преобразует звуки слов (акустические волны) в электрические импульсы; канал связи – телефонная сеть (провод); декодирующее устройство – та часть трубки, которую мы подносим к уху, здесь электрические сигналы снова преобразуются в слышимые нами звуки; приёмник информации – слушающий человек.

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, передаваемой по одним и тем же ка­налам. Для защиты от шума применяются разные способы, например, применение разного рода фильтров, отделяющих полезный сигнал от шума. Существует наука, разрабатывающая способы защиты информации – криптология, широко применяющаяся в теории связи.

Клодом Шенноном была разработана специальная 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. Однако нельзя делать избыточность слишком большой. Это при­ведёт к задержкам и подорожанию связи. Иными словами, чтобы содержание сообщения, искаженного помехами, можно было восстановить, оно должно быть избыточным, то есть, в нем должны быть «лишние» элементы, без которых смысл все равно восстанавливается. Например, в сообщении «Влг впдт в Кспск мр» многие угадают фразу «Волга впадает в Каспийское море», из которой убрали все гласные. Этот пример говорит о том, что естественные языки содержат много «лишнего», их избыточность оценивается в 60-80%.

При обсуждении темы об измерении скорости передачи инфор­мации можно привлечь прием аналогии. Аналог – процесс пере­качки воды по водопроводным трубам. Здесь каналом передачи воды являются трубы. Интенсивность (скорость) этого процесса характеризуется расходом воды, т.е. количеством литров, перекачиваемых за единицу времени. В процессе передачи информации каналами являются техничес­кие линии связи. По аналогии с водопроводом можно говорить об информационном потоке, передаваемом по каналам. Скорость пе­редачи информации – это информационный объем сообщения, передаваемого в единицу времени. Поэтому единицы измерения скорости информационного потока: бит/с, байт/с и др.

Еще одно понятие – пропускная способность информационных каналов – тоже может быть объяснено с помощью «водопроводной» ана­логии. Увеличить расход воды через трубы можно путем увеличения давления. Но этот путь не бесконечен. При слишком большом дав­лении трубу может разорвать. Поэтому предельный расход воды, который можно назвать пропускной способностью водопровода. Аналогичный пре­дел скорости передачи данных имеют и технические линии инфор­мационной связи. Причины этому также носят физический характер.

Передача информации – это целенаправленный процесс, в результате которого информация передается от одного объекта к другому. Передача информации необходима для ее распространения. Основными устройствами для быстрой передачи информации на большие расстояния в настоящее время являются телеграф, радио, телефон, телевизионный передатчик, телекоммуникационные сети на ба­зе вычислительных систем. Такие средства связи принято называть каналами передачи информации. Следует отметить, что в процессе передачи информации, она может иска­жаться или теряться. Это происходит в тех случаях, когда информационные каналы плохого качества или на линии связи присутствуют шумы (помехи). Передача информации - это всегда двусторонний процесс, в котором есть источник и есть приемник информации.

Передача характеризуется:

1)Пропускная способность системы передачи информации -максимальное теоритически возможное количество информации, которое может быть передано за единицу времени

2)Достоверность - передача информации без искажения 3)Надежность - полное и правильное выполнение системой всех своих функций 4)Скорость передачи информации

5)Скорость передачи сигнала по каналу связи

8.Хранение информации – это ее запись во вспомогательные запоминающие устройства на различных носителях для последующего использования.

Этап хранения информации может быть представлен на следующих уровнях:

внешнем;концептуальном,внутреннем;

физическом. Внешний уровень отражает содержательность информации и представляет способы (виды) представления данных пользователю в ходе реализации их хранения.

Концептуальный уровень определяет порядок организации информационных массивов и способы хранения информации (файлы, массивы, распределенное хранение, сосредоточенное и др.).

Внутренний уровень представляет организацию хранения информационных массивов в системе ее обработки и определяется разработчиком.

Физический уровень хранения означает реализацию хранения информации на конкретных физических носителях.

Способы организации хранения информации связаны с ее поиском – операцией, предполагающей извлечение хранимой информации.

Хранение и поиск информации являются не только операциями над ней, но и предполагают использование методов осуществления этих операций. Информация запоминается так, чтобы ее можно было отыскать для дальнейшего использования. Возможность поиска закладывается во время организации процесса запоминания. Для этого используют методы маркирования запоминаемой информации, обеспечивающие поиск и последующий доступ к ней. Эти методы применяются для работы с файлами, графическими базами данных и т.д.

;
хранение информации;
передача информации;
обработка информации;
поиск информации;
информационные процессы в живой природе.

Основные информационные процессы

А теперь зададимся вопросом: что делает человек с полученной информацией? Во-первых, он ее стремится сохранить: запомнить или записать. Во-вторых, он передает ее другим людям. В-третьих, человек сам создает новые знания, новую информацию, выполняя обработку данной ему информации. Какой бы информационной деятельностью люди не занимались, вся она сводится к осуществлению трех процессов: хранению, передаче и обработке информации (рис. 1.3).

Хранение информации

Содержание урока конспект урока опорный каркас презентация урока акселеративные методы интерактивные технологии Практика задачи и упражнения самопроверка практикумы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания дискуссионные вопросы риторические вопросы от учеников Иллюстрации аудио-, видеоклипы и мультимедиа фотографии, картинки графики, таблицы, схемы юмор, анекдоты, приколы, комиксы притчи, поговорки, кроссворды, цитаты Дополнения рефераты статьи фишки для любознательных шпаргалки учебники основные и дополнительные словарь терминов прочие Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике обновление фрагмента в учебнике элементы новаторства на уроке замена устаревших знаний новыми Только для учителей идеальные уроки календарный план на год методические рекомендации программы обсуждения Интегрированные уроки

Если у вас есть исправления или предложения к данному уроку,

Обработка, хранение и передача информации

Информационные процессы

Существуют три вида информационных процессов: хранение, передача, обработка.

Хранение информации:

· Носители информации.

· Виды памяти.

· Хранилища информации.

· Основные свойства хранилищ информации.

С хранением информации связаны следующие понятия: носи­тель информации (память), внутренняя память, внешняя память, хранилище информации.

Носитель информации – это физическая среда, непосредственно хранящая информацию. Память человека можно назвать опера­тивной памятью. Заученные знания воспроизводятся чело­веком мгновенно. Собственную память мы еще можем назвать внутренней памятью, поскольку ее носитель – мозг – находится внутри нас.

Все прочие виды носителей информации можно назвать вне­шними (по отношению к человеку): дерево, папирус, бумага и т.д. Хранилище информации - это определенным образом организованная информация на внешних носителях, предназначенная для длительного хранения и постоянного использования (например, архивы документов, библиотеки, картотеки) . Основной информационной единицей хранилища является определенный физический документ: анкета, книга и др. Под организацией хранилища понимается наличие определенной структуры, т.е. упорядоченность, классификация хранимых документов для удобства работы с ними.

Основные свойства хранилища информации: объем хранимой информации, надежность хранения, время доступа (т.е. время по­иска нужных сведений), наличие защиты информации.

Информацию, хранимую на устройствах компьютерной памя­ти, принято называть данными . Организованные хранилища данных на устройствах внешней памяти компьютера принято называть базами и банками данных.

Обработка информации:

· Общая схема процесса обработки информации.

· Постановка задачи обработки.

· Исполнитель обработки.

· Алгоритм обработки.

· Типовые задачи обработки информации.

Схема обработки информации:

Исходная информация – исполнитель обработки – итоговая информация.

В процессе обработки информации решается некоторая информационная задача, которая предварительно может быть поставлена в традиционной форме: дан некоторый набор исходных данных, требуется получить некоторые результаты. Сам процесс перехода от исходных данных к результату и есть процесс обработки. Объект или субъект, осуществляющий обработку, называют исполнителем обработки.

Для успешного выполнения обработки информации исполнителю (человеку или устройству) должен быть известен алгоритм обработки, т.е. последова­тельность действий, которую нужно выполнить, чтобы достичь нужного результата.

Различают два типа обработки информации:

1. обработка, связанная с получением новой информации, нового содержания знаний (решение математических задач, анализ ситуации и др.)

2. обработка, связанная с изменением фор­мы, но не изменяющая содержания (например, перевод текста с одного языка на другой).

Важным видом обработки информации является кодирование – преобра­зование информации в символьную форму, удобную для ее хра­нения, передачи, обработки. Кодирование активно используется в технических средствах работы с информацией (телеграф, ра­дио, компьютеры). Другой вид обработки информации –структурирование данных - внесение определенного по­рядка в хранилище информации, классификация, каталогизация данных .

Ещё один вид обработки информации – поиск в некотором хранили­ще информации нужных данных, удовлетворяющих определенным условиям поиска (запросу). Алгоритм поиска зависит от способа организации информации.

Передача информации:

· Источник и приемник информации.

· Информационные каналы.

· Роль органов чувств в процессе восприятия информации че­ловеком.

· Структура технических систем связи.

· Что такое кодирование и декодирование.

· Понятие шума; приемы защиты от шума.

· Скорость передачи информации и пропускная способность канала.

Схема передачи информации:

Источник информации – информационный канал – приемник информации.

Информация представляется и передается в форме последовательности сигналов, символов. От источника к приёмнику сообщение передается через некоторую материальную среду. Если в процессе передачи ис­пользуются технические средства связи, то их называют каналами передачи информации (информационными каналами). К ним относятся телефон, радио, ТВ. Органы чувств человека исполняют роль биологических информационных каналов.

Процесс передачи информации по техническим каналам связи проходит по следующей схеме (по Шеннону):

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, передаваемой по одним и тем же ка­налам. Для защиты от шума применяются разные способы, например, применение разного рода фильтров, отделяющих полезный сигнал от шума.

Клодом Шенноном была разработана специальная 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. Однако нельзя делать избыточность слишком большой. Это при­ведёт к задержкам и подорожанию связи.

При обсуждении темы об измерении скорости передачи инфор­мации можно привлечь прием аналогии. Аналог – процесс пере­качки воды по водопроводным трубам. Здесь каналом передачи воды являются трубы. Интенсивность (скорость) этого процесса характеризуется расходом воды, т.е. количеством литров, перекачиваемых за единицу времени. В процессе передачи информации каналами являются техничес­кие линии связи. По аналогии с водопроводом можно говорить об информационном потоке, передаваемом по каналам. Скорость пе­редачи информации – это информационный объем сообщения, передаваемого в единицу времени. Поэтому единицы измерения скорости информационного потока: бит/с, байт/с и др.

Еще одно понятие – пропускная способность информационных каналов – тоже может быть объяснено с помощью «водопроводной» ана­логии. Увеличить расход воды через трубы можно путем увеличения давления. Но этот путь не бесконечен. При слишком большом дав­лении трубу может разорвать. Поэтому предельный расход воды, который можно назвать пропускной способностью водопровода. Аналогичный пре­дел скорости передачи данных имеют и технические линии инфор­мационной связи. Причины этому также носят физический характер.