| 8 класи | Планування уроків на навчальний рік | Робота в локальній мережі комп'ютерного класу в режимі обміну файлами
Урок 2
Робота в локальній мережі комп'ютерного класу в режимі обміну файлами
Передача інформації з технічних каналів зв'язку
Передача інформації з технічних каналів зв'язку
Схема Шеннона
Американський вчений, один із засновників теорії інформації, Клод Шеннон запропонував схему процесу передачі інформації з технічних каналів зв'язку (рис. 1.3).
Мал. 1.3. Схема технічної системи передачі
Роботу такої схеми можна пояснити на знайомому процесі розмови по телефону. Джерело інформації- Говорить людина. Кодуючий пристрій- мікрофон телефонної трубки, за допомогою якого звукові хвилі (мова) перетворюються на електричні сигнали. Канал зв'язку - телефонна мережа(Проводи, комутатори телефонних вузлів, через які проходить сигнал). Декодуючий пристрій- телефонна трубка (навушник) слухача людини - приймача інформації. Тут електричний сигнал, що прийшов, перетворюється на звук.
Тут передача інформації проводиться у вигляді безперервного електричного сигналу. Це аналоговий зв'язок.
Кодування та декодування інформації
Під кодуванням розуміється будь-яке перетворення інформації, що йде від джерела, у форму, придатну для її передачі каналом зв'язку.
На зорі ери радіозв'язку застосовувався код абетки Морзе. Текст перетворювався на послідовність точок і тире (коротких і довгих сигналів) і передавався в ефір. Людина, яка приймала на слух таку передачу, повинна була зуміти декодувати код назад у текст. Ще раніше абетка Морзе використовувалася у телеграфному зв'язку. Передача інформації за допомогою абетки Морзе – приклад дискретного 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, очевидно, теж дискретний.
Шум та захист від шуму. Теорія кодування Шеннона
Інформація каналами зв'язку передається у вигляді сигналів різної фізичної природи: електричних, електромагнітних, світлових, акустичних. Інформаційний зміст сигналу полягає у значенні або зміні значення його фізичної величини (сили струму, яскравості світла тощо). Терміном «шум»називають різного роду перешкоди, що спотворюють сигнал, що передається і приводять до втрати інформації. Такі перешкоди передусім виникають з технічних причин: погана якість ліній зв'язку, незахищеність один від одного різних потоків інформації, що передаються одним і тим самим каналам. Часто, розмовляючи телефоном, ми чуємо шум, тріск, що заважають зрозуміти співрозмовника, або на нашу розмову накладається розмова інших людей. У таких випадках необхідний захист від шуму.
Насамперед застосовуються технічні способизахисту каналів зв'язкувід дії шумів. Такі способи бувають різними, іноді простими, іноді дуже складними. Наприклад, використання екранованого кабелю замість голого проводу; застосування різного роду фільтрів, що відокремлюють корисний сигнал від шуму, та ін.
К. Шеннон розробив спеціальну теорію кодування, що дає методи боротьби із 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. Наприклад, якщо при розмові телефоном вас погано чути, то, повторюючи кожне слово двічі, ви маєте більше шансів на те, що співрозмовник зрозуміє вас правильно.
Однак не можна робити надмірністьзанадто великий. Це призведе до затримок та подорожчання зв'язку. Теорія кодування 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 - пакети. Для кожного пакета обчислюється контрольна сума (сума двійкових цифр), яка передається разом із цим пакетом. У місці прийому знову обчислюється контрольна сума прийнятого пакета, і якщо вона не збігається з початковою, то передача цього пакета повторюється. Так відбувається доти, поки вихідна та кінцева контрольні суми не збігатимуться.
Коротко про головне
Будь-яка технічна система передачі інформації складається з джерела, приймача, пристроїв кодування та декодування та каналу зв'язку.
Під кодуваннямрозуміється перетворення інформації, що йде від джерела, у форму, придатну для її передачі каналом зв'язку. Декодування- це зворотне перетворення.
Шум- це перешкоди, що призводять до втрати інформації.
У теорії кодування розроблено методиподання інформації з метою зменшення її втрат під впливом шуму.
Запитання та завдання
1. Назвіть основні елементи схеми передачі, запропонованої К. Шенноном.
2. Що таке кодування та декодування при передачі інформації?
3. Що таке гамір? Якими є його наслідки при передачі інформації?
4. Які існують способи боротьби із шумом?
ЕК ЦОР: Частина 2, висновок, додаток до глави 1, § 1.1. ЦОР №1.
Схема передачі. Канал передачі. Швидкість передачі.
Існують три види інформаційних процесів: зберігання, передача, обробка.
Зберігання інформації:
· Носії інформації.
· Види пам'яті.
· Сховища інформації.
· Основні властивості сховищ інформації.
Зі збереженням інформації пов'язані наступні поняття: носій інформації (пам'ять), внутрішня пам'ять, зовнішня пам'ять, сховище інформації.
Носій інформації – це фізичне середовище, що безпосередньо зберігає інформацію. Пам'ять людини можна назвати оперативною пам'яттю. Завчені знання відтворюються людиною миттєво. Власну пам'ять ми ще можемо назвати внутрішньою пам'яттюоскільки її носій – мозок – знаходиться всередині нас.
Всі інші види носіїв інформації можна назвати зовнішніми (стосовно людини): дерево, папірус, папір і т.д. Сховище інформації - це належним чином організована інформація на зовнішніх носіях, призначена для тривалого зберігання та постійного використання (наприклад, архіви документів, бібліотеки, картотеки). Основний інформаційної одиницею сховища є певний фізичний документ: анкета, книга та інших. Під організацією сховища розуміється наявність певної структури, тобто. упорядкованість, класифікація документів, що зберігаються для зручності роботи з ними. Основні властивості сховища інформації: обсяг інформації, що зберігається, надійність зберігання, час доступу (тобто час пошуку потрібних відомостей), наявність захисту інформації.
Інформацію, що зберігається на пристроях комп'ютерної пам'яті, називається даними. Організовані сховища даних на пристроях зовнішньої пам'ятікомп'ютера прийнято називати базами та банками даних.
Обробка інформації:
· Загальна схема процесу обробки інформації.
· Постановка задачі обробки.
· Виконавець обробки.
· Алгоритм обробки.
· Типові завдання обробки інформації.
Схема обробки інформації:
Вихідна інформація – виконавець обробки – підсумкова інформація.
У процесі обробки інформації вирішується деяка інформаційна задача, яка попередньо може бути поставлена у традиційній формі: дано деякий набір вихідних даних, потрібно отримати деякі результати. Сам процес переходу від вихідних даних до результату є процес обробки. Об'єкт чи суб'єкт, який здійснює обробку, називають виконавцем обробки.
Для успішного виконання обробки інформації виконавцю (людині або пристрою) може бути відомий алгоритм обробки, тобто. послідовність дій, яку слід виконати, щоб досягти потрібного результату.
Розрізняють два типи обробки інформації. Перший тип обробки: обробка, пов'язана з отриманням нової інформації, нового змісту знань (вирішення математичних завдань, аналіз ситуації та ін.). Другий тип обробки: обробка, пов'язана зі зміною форми, але не змінює змісту (наприклад, переклад тексту з однієї мови іншою).
Важливим видом обробки інформації є кодування - перетворення інформації на символьну форму, зручну для її зберігання, передачі, обробки. Кодування активно використовується у технічних засобах роботи з інформацією (телеграф, радіо, комп'ютери). Інший вид обробки інформації – структурування даних (внесення певного порядку до сховища інформації, класифікація, каталогізація даних).
Ще один вид обробки інформації - пошук у деякому сховищі інформації необхідних даних, що задовольняють певним умовам пошуку (запиту). Алгоритм пошуку залежить від методу організації інформації.
Передача інформації:
· Джерело та приймач інформації.
· Інформаційні канали.
· Роль органів чуття у процесі сприйняття інформації людиною.
· Структура технічних систем зв'язку.
· Що таке кодування та декодування.
· Поняття шуму; прийоми захисту від шуму
· Швидкість передачі інформації та пропускна здатність каналу.
Схема передачі:
Джерело інформації – інформаційний канал – приймач інформації.
Інформація подається та передається у формі послідовності сигналів, символів. Від джерела до приймача повідомлення передається через деяке матеріальне середовище. Якщо процесі передачі використовуються технічні засоби зв'язку, їх називають каналами передачі (інформаційними каналами). До них належать телефон, радіо, ТБ. Органи чуття людини виконують роль біологічних інформаційних каналів.
Процес передачі інформації з технічних каналів зв'язку відбувається за наступною схемою (за Шенноном):
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. Для захисту від шуму застосовуються різні способинаприклад, застосування різного роду фільтрів, що відокремлюють корисний сигнал від шуму.
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.
Під час обговорення теми про вимірювання швидкості передачі можна залучити прийом аналогії. Аналог – процес перекачування води водопровідними трубами. Тут каналом передачі є труби. Інтенсивність (швидкість) цього характеризується витратою води, тобто. кількістю літрів, що перекачуються за одиницю часу. У процесі передачі каналами є технічні лінії зв'язку. За аналогією з водопроводом можна говорити про інформаційний потік, що передається каналами. Швидкість передачі – це інформаційний обсяг повідомлення, що передається в одиницю часу. Тому одиниці виміру швидкості інформаційного потоку: біт/с, байт/с та ін.
Ще одне поняття – пропускна спроможність інформаційних каналів – також можна пояснити з допомогою «водопровідної» аналогії. Збільшити витрати води через труби можна шляхом збільшення тиску. Але цей шлях не нескінченний. При надмірному тиску трубу може розірвати. Тому гранична витрата води, яку можна назвати пропускною здатністю водопроводу. Аналогічну межу швидкості передачі мають і технічні лінії інформаційного зв'язку. Причини цього також мають фізичний характер.
1. Класифікація та характеристики каналу зв'язку
Канал зв'язку
– це сукупність засобів, призначених передачі сигналів (повідомлень).
Для аналізу інформаційних процесів у каналі зв'язку можна використовувати узагальнену схему, наведену на рис. 1.
| ІІ |
| ЛЗ |
| П |
| ПІ |
| П |
 |
На рис. 1 прийняті такі позначення: X, Y, Z, W- Сигнали, повідомлення ; f- Перешкода; ЛЗ- лінія звязку; ІІ, ПІ- Джерело та приймач інформації; П- Перетворювачі (кодування, модуляція, декодування, демодуляція).
Існують різні типи каналів, які можна класифікувати за різними ознаками:
1. За типом ліній зв'язку:
провідні; кабельні; оптико-волоконні;
лінії електропередач; радіоканали і т.д.
2. За характером сигналів:
безперервні; дискретні; дискретно-безперервні (сигнали на вході системи дискретні, а на виході безперервні, і навпаки).
3. За перешкодами:
канали без перешкод; з перешкодами.
Канали зв'язку характеризуються:
1. Ємність каналу
визначається як добуток часу використання каналу T до,ширини спектру частот, що пропускаються каналом F дота динамічного діапазону D до. , який характеризує здатність каналу передавати різні рівні сигналів
V до = T до F до D до.(1)
Умови погодження сигналу з каналом:
V c £ V k ;
T c £ T k ;
F c £ F k ;
V c £ V k ;
D c £ D k .
2.Швидкість передачі
- Середня кількість інформації, що передається в одиницю часу.
3.
4. Надмірність –
забезпечує достовірність переданої інформації ( R= 0?1).
Одним із завдань теорії інформації є визначення залежності швидкості передачі інформації та пропускної спроможності каналу зв'язку від параметрів каналу та характеристик сигналів та перешкод.
Канал зв'язку образно порівнювати з дорогами. Вузькі дороги – мала пропускна спроможність, але дешево. Широкі дороги – хороша пропускна спроможність, але дорого. Пропускна здатність визначається «найвужчим» місцем.
Швидкість передачі значною мірою залежить від передавальної середовища в каналах зв'язку, як яких використовуються різні типи ліній зв'язку.
Провідні:
1. Провідні– кручена пара (що частково пригнічує електромагнітне випромінювання інших джерел). Швидкість передачі 1 Мбіт/с. Використовується в телефонних мережах та передачі даних.
2. Коаксіальний кабель.Швидкість передачі 10-100 Мбіт/с - використовується в локальних мережах, кабельне телебаченняі т.д.
3. Оптико-волоконна.Швидкість передачі 1 Гбіт/с.
У середовищах 1-3 згасання в дБ лінійно залежить від відстані, тобто. потужність падає за експонентом. Тому через певну відстань потрібно ставити регенератори (підсилювачі).
Радіолінії:
1. Радіоканал.Швидкість передачі 100-400 Кбіт/с. Використовує радіочастоти до 1000 МГц. До 30 МГц за рахунок відбиття від іоносфери можливе поширення електромагнітних хвиль за межі прямої видимості. Але цей діапазон дуже зашумлений (наприклад, аматорським радіозв'язком). Від 30 до 1000 МГц – іоносфера прозора і потрібна пряма видимість. Антени встановлюються на висоті (іноді встановлюються регенератори). Використовуються в радіо та телебаченні.
2. Мікрохвильові лінії.Швидкість передачі до 1 Гбіт/с. Використовують радіочастоти понад 1000 МГц. При цьому необхідна пряма видимість та гостроспрямовані параболічні антени. Відстань між регенераторами 10-200 км. Використовуються для телефонного зв'язку, телебачення та передачі даних.
3. Супутниковий зв'язок. Використовуються мікрохвильові частоти, а супутник служить регенератором (причому багатьом станцій). Характеристики ті самі, що в мікрохвильових ліній.
2. Пропускна спроможність дискретного каналу зв'язку
Дискретний канал є сукупність засобів, призначених передачі дискретних сигналів .
Пропускна здатність каналу зв'язку
– максимальна теоретично досяжна швидкість передачі за умови, що похибка вбирається у заданої величини. Швидкість передачі
- Середня кількість інформації, що передається в одиницю часу. Визначимо вирази для розрахунку швидкості передачі інформації та пропускної спроможності дискретного каналу зв'язку.
При передачі кожного символу в середньому каналом зв'язку проходить кількість інформації, що визначається за формулою
I (Y, X) = I (X, Y) = H (X) - H (X / Y) = H (Y) - H (Y / X), (2)
де: I (Y, X) -взаємна інформація, тобто кількість інформації, що міститься в Yщодо X;H(X)- Ентропія джерела повідомлень; H (X/Y)- Умовна ентропія, що визначає втрату інформації на один символ, пов'язану з наявністю перешкод і спотворень.
При надсиланні повідомлення X Tтривалості T,що складається з nелементарних символів, середня кількість інформації, що передається з урахуванням симетрії взаємної кількості інформації дорівнює:
I(Y T, X T) = H (X T) - H (X T / Y T) = H (Y T) - H (Y T / X T) = n. (4)
Швидкість передачі залежить від статистичних властивостей джерела, методу кодування і властивостей каналу.
Пропускна спроможність дискретного каналу зв'язку 
. (5)
Максимально-можливе значення, тобто. максимум функціоналу шукається на всій безлічі функцій розподілу ймовірності p (x).
Пропускна здатність залежить від технічних характеристикканалу (швидкості апаратури, виду модуляції, рівня перешкод та спотворень тощо). Одиницями виміру пропускної спроможності каналу є: , , , .
2.1 Дискретний канал зв'язку без перешкод
Якщо перешкоди у каналі зв'язку відсутні, то вхідні та вихідні сигнали каналу пов'язані однозначною, функціональною залежністю.
У цьому умовна ентропія дорівнює нулю, а безумовні ентропії джерела та приймача рівні, тобто. середня кількість інформації в прийнятому символі щодо переданого дорівнює
I(X, Y) = H(X) = H(Y); H(X/Y) = 0.
Якщо Х Т– кількість символів за час Tшвидкість передачі інформації для дискретного каналу зв'язку без перешкод дорівнює
(6)
де V = 1/- Середня швидкість передачі одного символу.
Пропускна спроможність для дискретного каналу зв'язку без перешкод 
(7)
Т.к. максимальна ентропія відповідає для рівноймовірних символів, то пропускна здатність для рівномірного розподілу і статистичної незалежності символів, що передаються, дорівнює: 
. (8)
Перша теорема Шеннона для каналу: Якщо потік інформації, вироблюваний джерелом, досить близька пропускну здатність каналу зв'язку, тобто.
, де - скільки завгодно мала величина,
то завжди можна знайти такий спосіб кодування, який забезпечить передачу всіх повідомлень джерела, причому швидкість передачі буде дуже близькою до пропускної здатності каналу.
Теорема не відповідає питанням, яким чином здійснювати кодування.
приклад 1.Джерело виробляє 3 повідомлення з ймовірностями:
p 1 = 0,1; p 2 = 0,2 та p 3 = 0,7.
Повідомлення незалежні та передаються рівномірним двійковим кодом ( m = 2) з тривалістю символів, що дорівнює 1 мс. Визначити швидкість передачі по каналу зв'язку без перешкод.
Рішення:Ентропія джерела дорівнює
[біт/с].
Для передачі 3 повідомлень рівномірним кодом необхідно два розряди, при цьому тривалість кодової комбінації дорівнює 2t.
Середня швидкість передачі сигналу
V = 1/2 t = 500 .
Швидкість передачі
C = vH = 500×1,16 = 580 [біт/с].
2.2 Дискретний канал зв'язку з перешкодами
Ми розглядатимемо дискретні канали зв'язку без пам'яті.
Каналом без пам'яті
називається канал, у якому кожен переданий символ сигналу, перешкоди впливають, незалежно від цього, які сигнали передавалися раніше. Тобто, перешкоди не створюють додаткові корелятивні зв'язки між символами. Назва "без пам'яті" означає, що при черговій передачі канал як би не пам'ятає результатів попередніх передач.
За наявності перешкоди середня кількість інформації у прийнятому символі повідомленні – Y, щодо переданого – Xодно:
.
Для символу повідомлення X Tтривалості T,що складається з nелементарних символів середня кількість інформації у прийнятому символі повідомленні – Y Tщодо переданого – X Tодно:
I (Y T , X T) = H (X T) - H (X T / Y T) = H (Y T) - H (Y T / X T) = n = 2320 біт/с
Пропускна здатність безперервного каналу з перешкодами визначається за формулою
=2322 біт/с.
Доведемо, що інформаційна ємність безперервного каналу без пам'яті з адитивним шумом гауса при обмеженні на пікову потужність не більше інформаційної ємностітакого ж каналу за тієї ж величини обмеження на середню потужність.
Математичне очікування для симетричного рівномірного розподілу
Середній квадрат для симетричного рівномірного розподілу
Дисперсія для рівномірного симетричного розподілу
При цьому для рівномірно-розподіленого процесу .
Диференційна ентропія сигналу з рівномірним розподілом
.
Різниця диференціальних ентропій нормального та рівномірно розподіленого процесу не залежить від величини дисперсії
= 0,3 біт/відрах.
Таким чином, пропускна здатність та ємність каналу зв'язку для процесу з нормальним розподілом вище, ніж для рівномірного.
Визначимо ємність (обсяг) каналу зв'язку
V k = T k C k = 10 60 2322 = 1,3932 Мбіт.
Визначимо кількість інформації, яка може бути передана за 10 хвилин роботи каналу 
10×
60×
2322= 1,3932 Мбіт.
Завдання
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 процесхарактеризується наявністю наступних компонентів:
2. Загальна схема передачі
3. Перерахуйте відомі вам канали зв'язку
За типом середовища поширення канали зв'язку поділяються на:
4. Що таке телекомунікації та комп'ютерні телекомунікації?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 каналамзв'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'ютериу міру запиту користувачем - асинхронної.
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.
5. Що таке пропускна спроможність каналу передачі?Пропускна здатність- метрична характеристика, що показує співвідношення граничної кількості одиниць, що проходять (інформації, предметів, об'єму) в одиницю часу через канал, систему, вузол.
В інформатиці визначення пропускної спроможності зазвичай застосовується до каналу зв'язку та визначається максимальною кількістюпереданої/отриманої інформації за одиницю часу.
Пропускна здатність - один із найважливіших з погляду користувачів факторів. Вона оцінюється кількістю даних, які мережа межі може передати за одиницю часу від одного приєднаного до неї пристрою до іншого.
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.
>>Інформатика: Інформатика 9 клас. Додаток до глави 1
Додаток до глави 1
1.1. Передача інформації з технічних каналів зв'язку
Основні теми параграфа:
♦ схема К. Шеннона;
♦ кодування та декодування інформації;
♦ шум та захист від шуму. Теорія кодування К. Шеннона.
Схема К. Шеннона
Американським ученим, одним із засновників теорії інформації, Клодом Шенноном було запропоновано схему процесу передачі інформаціїтехнічних каналів зв'язку, представлена на рис. 1.3.
Роботу такої схеми можна пояснити на знайомому процесі розмови 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, якими проходить сигнал). Декодуючим пристроєм є телефонна трубка (навушник) людини, що слухає - приймача інформації. Тут електричний сигнал, що прийшов, перетворюється на звук.
Зв'язок, при якій передача виробляється у формі безперервного електричного сигналу, називається аналоговим зв'язком.
Кодування та декодування інформації
Під кодуванням розуміється будь-яке перетворення інформації, що йде від джерела, у форму, придатну для її передачі каналом зв'язку.
На зорі ери радіозв'язку застосовувався абетки Морзе. Текст перетворювався на послідовність точок і тире (коротких і довгих сигналів) і передавався в ефір. Людина, яка приймала на слух таку передачу, повинна була зуміти декодувати код назад у текст. Ще раніше абетка Морзе використовувалася у телеграфному зв'язку. Передача інформації за допомогою абетки Морзе – це приклад дискретного зв'язку.
В даний час широко використовується цифровий зв'язок, коли передається інформаціякодується у двійкову форму (0 та 1 - двійкові цифри), а потім декодується в текст, зображення, звук. Цифровий зв'язок, очевидно, теж дискретний.
Шум та захист від шуму. Теорія кодування К. Шеннона
Терміном «шум» називають різного роду перешкоди, що спотворюють сигнал, що передається і приводять до втрати інформації. Такі перешкоди передусім виникають з технічних причин: погана якість ліній зв'язку, незахищеність один від одного різних потоків інформації, що передаються одним і тим самим каналам. Часто, розмовляючи телефоном, ми чуємо шум, тріск, що заважають зрозуміти співрозмовника, або на нашу розмову накладається розмова інших людей. У таких випадках необхідний захист від шуму.
Насамперед застосовуються технічні засоби захисту каналів зв'язку від впливу шумів. Такі способи бувають різними, іноді - простими, іноді - дуже складними. Наприклад, використання екранованого кабелю замість голого проводу; 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. Наприклад, якщо при розмові телефоном вас погано чути, то, повторюючи кожне слово двічі, ви маєте більше шансів на те, що співрозмовник зрозуміє вас правильно.
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 – пакети. Для кожного пакета обчислюється контрольна сума(сума двійкових цифр), що передається разом із цим пакетом. У місці прийому знову обчислюється контрольна сума прийнятого пакета, і якщо вона не збігається з початковою, то передача цього пакета повторюється. Так відбувається доти, поки вихідна та кінцева контрольні суми не збігатимуться.
Коротко про головне
Будь-яка технічна система передачі інформації складається з джерела, приймача, пристроїв кодування та декодування та каналу зв'язку.
Під кодуванням розуміється перетворення інформації, що йде від джерела, у форму, придатну для її передачі каналом зв'язку. Декодування – це зворотне перетворення.
Шум – це перешкоди, що призводять до втрати інформації.
У теорії кодування розроблено методи подання інформації, що передається з метою зменшення її втрат під впливом шуму.
Запитання та завдання
1. Назвіть основні елементи схеми передачі, запропонованої К. Шенноном.
2. Що таке кодування та декодування при передачі інформації?
3. Що таке шум? Якими є його наслідки при передачі інформації?
4. Які існують методи боротьби з шумом?
1.2. Архівування та розархівування файлів
Основні теми параграфа:
♦ проблема стиснення даних;
♦ алгоритм стиснення з використанням коду змінної довжини;
♦ алгоритм стиснення з використанням коефіцієнта повторення;
♦ програми-архіватори.
Проблема стиснення даних
Ви вже знаєте, що за допомогою глобальної мережі Інтернет користувач отримує доступ до величезних інформаційних ресурсів. У мережі можна знайти рідкісну книгу, реферат практично з будь-якої теми, фотографії та музику, комп'ютерну гру та багато іншого. При передачі цих даних через мережу можуть виникнути проблеми через їх великий обсяг. Пропускна здатність каналів зв'язку ще досить обмежена. Тому час передачі може бути надто великим, а це пов'язано з додатковими фінансовими витратами. Крім того, для файлів великого розміру може бути недостатньо вільного місця на диску.
Вирішення проблеми полягає в стисненні даних, що веде до скорочення обсягу даних при збереженні закодованого в них змісту. Програми, які здійснюють такий стиск, називаються архіваторами. Перші архіватори з'явилися у середині 1980-х років XX століття. Головною метою їх використання була економія місця на дисках, інформаційний обсяг яких у ті часи був значно меншим за обсяг сучасних дисків.
Стиснення даних (архівування файлів) відбувається за спеціальними алгоритмами. У цих алгоритмах найчастіше використовуються дві ідеї, що принципово розрізняються.
Алгоритм стиснення з використанням коду змінної довжини
Перша ідея використання коду змінної довжини. Дані, що піддаються стиску, спеціальним чином ділять на частини (ланцюжки символів, слова). Зауважимо, що «словом» може бути окремий символ (код АSСII). Для кожного «слова» знаходиться частота народження: відношення кількості повторень даного «слова» до загального числа «слів» у масиві даних. Ідея алгоритму стиснення інформації: кодувати найчастіше зустрічаються «слова» кодами меншої довжини, ніж рідко зустрічаються «слова». При цьому можна значно скоротити обсяг файлу.
Такий підхід відомий давно. Він використовується в абетці Морзе, де символи кодуються різними послідовностями точок і тире, причому найчастіше символи, що зустрічаються, мають більш короткі коди. Наприклад, літера «А», що часто використовується, кодується так: -. А рідкісна літера "Ж" кодується: -. На відміну від кодів однакової довжини, у разі виникає проблема відділення кодів букв друг від друга. В абетці Морзе ця проблема вирішується за допомогою «паузи» (пробілу), яка, по суті, є третім символом алфавіту Морзе, тобто алфавіту Морзе не двох-, а трьох символьний.
Інформація у пам'яті ЕОМ зберігається з допомогою двох символьного алфавіту. Спеціального символу-розділювача немає. І все ж таки вдалося придумати спосіб стиснення даних зі змінною довжиною коду «слів», що не вимагає символу-розділювача. Такий алгоритм називається алгоритмом Д. Хаффмена (вперше опублікований 1952 року). Всі універсальні архіватори працюють за алгоритмами, подібними до алгоритму Хаффмена.
Алгоритм стиснення з використанням коефіцієнта повторення
Друга ідея використання коефіцієнта повторення. Сенс алгоритму, заснованого на цій ідеї, полягає в наступному: якщо в масиві даних, що стискається, зустрічається ланцюжок з повторюваних груп символів, то його замінюють парою: число (коефіцієнт) повторень - група символів. У цьому випадку для довгих ланцюжків, що повторюються, виграш пам'яті при стисканні може бути дуже великим. Цей метод найбільш ефективний при упаковці графічної інформації.
Програми-архіватори
Програми-архіватори створюють архівні файли (архіви). Архів є файлом, в якому в стислому вигляді зберігаються один або кілька файлів. Для використання заархівованих файлів необхідно зробити їх лікування з архіву - розархівування. Усе програми-архіватори зазвичай надають такі можливості:
Додавання файлів до архіву;
вилучення файлів з архіву;
видалення файлів із архіву;
перегляд вмісту архіву.
В даний час найбільш популярні архіватори WinRar та WinZip. WinRar має ширші можливості порівняно з WinZip. Зокрема, він дає можливість створення багатотомного архіву (це зручно, якщо архів необхідно скопіювати на дискету, а його розмір перевищує 1,44 Мбайт), а також можливість створення архіву, що саморозпаковується (в цьому випадку для вилучення даних з архіву не потрібен сам архіватор) .
Наведемо приклад вигоди використання архіваторів під час передачі даних у мережі. Розмір текстового документа, що містить параграф, який ви читаєте, - 31 Кб. Якщо цей документ заархівувати за допомогою WinRar, розмір архівного файлу складе всього 6 Кб. Як кажуть, вигода очевидна.
Користуватись програмами-архіваторами дуже просто. Щоб створити архів, потрібно спочатку вибрати файли, які необхідно ввімкнути, потім встановити необхідні параметри (спосіб архівації, формат архіву, розмір тома, якщо архів багатотомний), і, нарешті, віддати команду СТВОРИТИ АРХІВ. Подібним чином відбувається зворотна дія – вилучення файлів з архіву (розпакування архіву). По-перше, потрібно вибрати файли, що витягуються з архіву, по-друге, визначити, куди повинні бути поміщені ці файли, і, нарешті, віддати команду ВИБУТИ ФАЙЛИ З АРХІВУ. Докладніше з роботою програм-архіваторів ви познайомитеся на практичних заняттях.
Коротко про головне
Стиснення інформації здійснюється за допомогою спеціальних програм-архіваторів.
Найчастіше в алгоритмах стиснення використовуються два методи: використання коду змінної довжини та використання коефіцієнта повторення групи символів.
Запитання та завдання
1. У чому різниця кодів постійної та змінної довжини?
2. Які можливості мають програми-архіватори?
3. Яка причина широкого застосуванняпрограм-архіваторів?
4. Чи знаєте ви інші програми-архіватори, крім перелічених у цьому параграфі?
І. Семакін, Л. Залогова, С. Русаков, Л. Шестакова, Інформатика, 9 клас
Надіслано читачами з інтернет-сайтів
Відкритий урок інформатики, шкільний план, реферати інформатики
Зміст уроку конспект урокуопорний каркас презентація уроку акселеративні методи інтерактивні технології Практика завдання та вправи самоперевірка практикуми, тренінги, кейси, квести домашні завдання риторичні питання від учнів Ілюстрації аудіо-, відеокліпи та мультимедіафотографії, картинки графіки, таблиці, схеми гумор, анекдоти, приколи, комікси притчі, приказки, кросворди, цитати Доповнення рефератистатті фішки для допитливих шпаргалки підручники основні та додаткові словник термінів інші Удосконалення підручників та уроківвиправлення помилок у підручникуоновлення фрагмента у підручнику елементи новаторства на уроці заміна застарілих знань новими Тільки для вчителів ідеальні уроки календарний планна рік методичні рекомендації програми обговорення Інтегровані урокиЯкщо у вас є виправлення або пропозиції до цього уроку,
Передача інформації походить від джерела до одержувача (приймача) інформації. Джереломінформації може бути все, що завгодно: будь-який об'єкт чи явище живої чи неживої природи. Процес передачі інформації протікає в деякому матеріальному середовищі, що розділяє джерела та одержувача інформації, яка називається каналом передачі інформації. Інформація передається через канал у формі деякої послідовності сигналів, символів, знаків, що називаються повідомленням. Одержувачінформації - це об'єкт, який приймає повідомлення, у результаті відбуваються певні зміни його стану. Усе сказане вище схематично зображено малюнку.
Передача інформації
Людина отримує інформацію від усього, що її оточує, за допомогою органів чуття: слуху, зору, нюху, дотику, смаку. Найбільший обсяг інформації людина отримує через слух та зір. На слух сприймаються звукові повідомлення - акустичні сигнали в суцільному середовищі (найчастіше - у повітрі). Зірка сприймає світлові сигнали, що переносять зображення об'єктів.
Не всяке повідомлення є інформативним для людини. Наприклад, повідомлення незрозумілою мовою хоч і передається людині, але не містить для неї інформації і не може викликати адекватних змін її стану.
Інформаційний канал може мати або природну природу (атмосферне повітря, через яке переносяться звукові хвилі, сонячне світло, відбите від спостережуваних об'єктів), або бути штучно створеним. В останньому випадку йдеться про технічні засоби зв'язку.
Технічні системи передачі інформації
Першим технічним засобом передачі на відстань став телеграф, винайдений 1837 року американцем Семюэлем Морзе. 1876 року американець А.Белл винаходить телефон. З відкриття німецьким фізиком Генріхом Герцем електромагнітних хвиль (1886 р.), А.С. Поповим у Росії 1895 року і майже одночасно з ним 1896 року Г.Марконі в Італії, було винайдено радіо. Телебачення та Інтернет з'явилися у ХХ столітті.
Усі перелічені технічні методи інформаційного зв'язку засновані передачі на відстань фізичного (електричного чи електромагнітного) сигналу і підпорядковуються деяким загальним законам. Дослідженням цих законів займається теорія зв'язку, що виникла у 1920-х роках. Математичний апарат теорії зв'язку - математичну теорію зв'язку, розробив американський вчений Клод Шеннон
Клод Елвуд Шеннон (1916–2001), США
Клодом Шенноном було запропоновано модель процесу передачі з технічних каналів зв'язку, представлена схемою.
Технічна система передачі інформації
Під кодуванням тут розуміється будь-яке перетворення інформації, що йде від джерела, у форму, придатну для її передачі каналом зв'язку. Декодування - зворотне перетворення сигнальної послідовності.
Роботу такої схеми можна пояснити на знайомому процесі розмови 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, якими проходить сигнал). Декодуючим пристроєм є телефонна трубка (навушник) людини, що слухає - приймача інформації. Тут електричний сигнал, що прийшов, перетворюється на звук.
Сучасні комп'ютерні системипередачі - комп'ютерні мережі, працюють за тим самим принципом. Є процес кодування, що перетворює двійковий комп'ютерний код на фізичний сигналтого типу, що передається каналом зв'язку. Декодування полягає у зворотному перетворенні сигналу, що передається в комп'ютерний код. Наприклад, при використанні телефонних ліній у комп'ютерних мережахфункції кодування-декодування виконує прилад, який називається модемом.
Пропускна здатність каналу та швидкість передачі інформації
Розробникам технічних систем передачі доводиться вирішувати дві взаємозалежні завдання: як забезпечити найбільшу швидкістьпередачі інформації та як зменшити втрати інформації під час передачі. Клод Шеннон був першим вченим, який взявся за вирішення цих завдань і створив нову для того часу науку. теорію інформації.
К.Шеннон визначив спосіб вимірювання кількості інформації, що передається каналами зв'язку. Їм було запроваджено поняття пропускну здатність каналу,як максимально можливу швидкість передачі інформації.Ця швидкість вимірюється в бітах за секунду (а також кілобітів за секунду, мегабітах за секунду).
Пропускна здатність каналу зв'язку залежить від його технічної реалізації. Наприклад, у комп'ютерних мережах використовуються такі засоби зв'язку:
Телефонні лінії,
Електричний кабельний зв'язок,
Оптоволоконний кабельний зв'язок,
Радіозв'язок.
Пропускна спроможність телефонних ліній – десятки, сотні Кбіт/с; пропускна здатність оптоволоконних ліній та ліній радіозв'язку вимірюється десятками та сотнями Мбіт/с.
Шум, захист від шуму
Терміном "шум" називають різного роду перешкоди, що спотворюють сигнал, що передається і приводять до втрати інформації. Такі перешкоди передусім виникають з технічних причин: погана якість ліній зв'язку, незахищеність один від одного різних потоків інформації, що передаються одним і тим самим каналам. Іноді, розмовляючи телефоном, ми чуємо шум, тріск, що заважають зрозуміти співрозмовника, або на нашу розмову накладається розмова зовсім інших людей.
Наявність шуму призводить до втрати інформації, що передається. У таких випадках необхідний захист від шуму.
Насамперед застосовуються технічні засоби захисту каналів зв'язку від впливу шумів. Наприклад, використання екранованого кабелю замість голого дроту; застосування різного роду фільтрів, що відокремлюють корисний сигнал від шуму, та ін.
Клодом Шенноном було розроблено теорія кодування, що дає методи боротьби із 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. Наприклад, якщо при розмові телефоном вас погано чути, то, повторюючи кожне слово двічі, ви маєте більше шансів на те, що співрозмовник зрозуміє вас правильно.
Однак не можна робити надмірність надто великою. Це призведе до затримок та подорожчання зв'язку. Теорія кодування дозволяє отримати код, який буде оптимальним. При цьому надмірність інформації, що передається, буде мінімально можливою, а достовірність прийнятої інформації - максимальною.
У сучасних системах цифрового зв'язку для боротьби з втратою інформації під час передачі часто застосовується наступний прийом. Усі повідомлення розбивається на порції - пакети. Для кожного пакета обчислюється контрольна сума(сума двійкових цифр), що передається разом із цим пакетом. У місці прийому знову обчислюється контрольна сума прийнятого пакета і, якщо вона не збігається з початковою сумою, передача цього пакета повторюється. Так відбуватиметься доти, доки вихідна та кінцева контрольні суми не співпадуть.
Розглядаючи передачу інформації у пропедевтичному та базовому курсах інформатики, насамперед слід обговорити цю тему з позиції людини як одержувача інформації. Здатність до отримання інформації з навколишнього світу – найважливіша умова існування. Органи почуттів людини - це інформаційні канали людського організму, що здійснює зв'язок людини із зовнішнім середовищем. За цією ознакою інформацію ділять на зорову, звукову, нюхову, тактильну, смакову. Обґрунтування того факту, що смак, нюх та дотик несуть людині інформацію, полягає в наступному: ми пам'ятаємо запахи знайомих об'єктів, смак знайомої їжі, на дотик дізнаємося знайомі предмети. А вміст нашої пам'яті – це збережена інформація.
Слід розповісти учням, що у світі тварин інформаційна роль органів чуття відрізняється від людської. Важливу інформаційну функцію тварин виконує нюх. Загострений нюх службових собак використовується правоохоронними органами для пошуку злочинців, виявлення наркотиків та ін. Зорове та звукове сприйняття тварин відрізняється від людського. Наприклад, відомо, що кажани чують ультразвук, а кішки бачать у темряві (з погляду людини).
У рамках цієї теми учні повинні вміти наводити конкретні прикладипроцесу передачі інформації, визначати цих прикладів джерело, приймач інформації, використовувані канали передачі.
При вивченні інформатики у старших класах слід ознайомити учнів із основними положеннями технічної теорії зв'язку: поняття кодування, декодування, швидкість передачі, пропускна здатність каналу, шум, захист від шуму. Ці питання можна розглянути у межах теми “ Технічні засобикомп'ютерних мереж”.