Передача информации

ПОНЯТЬ

Кибернетические модели, в частности «чёрный ящик», используются не только в кибернетике. Он применяется в радио- и электротехнике, телефонистами, связистами, специалистами по вычислительной технике и компьютерным сетям.

Впервые понятие «чёрный ящик» предложил в 40-х годах английский учёный У.Р.Эшби, утверждавший, что его теория «чёрного ящика» - изучение отношений между экспериментом и окружающей средой, когда особое внимание уделяется потоку информации.

Выше уже говорилось, что управление не мыслится без получения, передачи, хранения, преобразования информации.

В восьмом классе вы подробно рассмотрели процесс хранения больших массивов информации. Но в кибернетических системах, также как и в любом информационном взаимодействии, важная роль принадлежит процессу передачи информации. Рассмотрим его более подробно.

Пример

Ответ ученика на уроке — это передача информации от ученика учителю. При объяснении новой темы на уроке информация от учителя передается учащимся. Звонок в школе передает информацию всем, что пришло время начала или окончания урока. Любой разговор двух или нескольких человек является процессом передачи информации.

Люди давно осознали важность быстрой и безошибочной передачи сообщений на далёкие расстояния. Не случайно почтовая служба в любой стране находится под опекой государства. Но еще до появления почты сигнальные костры на специальных башнях или холмах оповещали жителей о важных событиях. Почтовые голуби, механический телеграф, радио, электрический телеграф, телефон – этапы развития средств связи.

И сегодня передача информации очень существенна в деятельности людей. Важную роль при этом играют средства массовой информации – газеты, журналы, телевидение, радио. Компьютерные сети, вместе с телефоном, телевидением, радио – наиболее удобные современные средства распространения новостей, необходимых данных, интересных сведений. Благодаря передаче информации, общество организует совместные действия своих членов.

Заметим, что информацию передают друг другу не только люди, но и животные и растения.

Пример

Если одна из пчел нашла богатое нектаром поле, то с помощью специальных движений (танец пчел) она передаёт сообщение о дороге другим членам пчелиной семьи. Курица и ее цыплята постоянно обмениваются звуками, позволяющими держаться вместе, чтобы курица могла в любой момент защитить цыплят. Даже не вылупившийся цыпленок уже слышит свою маму, и сам подает ей сигналы из яйца.

Общая схема передачи информации представлена на рисунке.

Рис. Схема передачи информации

В процессе передачи информации обязательно участвуют источник и получатель информации: первый передает информацию, второй ее принимает. Между ними действует канал связи.

В общем случае каналом связи может быть любая среда, в которой могут распространяться сигналы от источника к получателю.

Пример

Воздух – среда распространения акустических волн, благодаря чему мы слышим звуки. Металлы хорошо проводят электрический ток, а потому из них делают электрические провода. Прозрачное стекло пропускает свет. А поскольку скорость света – самая высокая в нашем мире, то во многих компьютерных сетях в качестве проводников используют оптоволокно. Оптоволоконный кабель состоит из тонкого гибкого стеклянного цилиндра, заключенного в светонепроницаемую оболочку. По нему передаются импульсы света.

Характеристиками каналов связи являются: пропускная способность, помехозащищенность, скорость передачи сообщений, «разрядность», возможность передачи информации в одну или в обе стороны.

Пропускная способность канала определяется максимальным количеством сигналов, которые могут быть переданы по нему в отсутствие помех за единицу времени. Эта характеристика зависит от физических свойств канала.

Скорость передачи определяется тем количеством сигналов, которые реально переданы за единицу времени. Разработчики каналов связи стремятся приблизить её к пропускной способности, но это не всегда удаётся. Чем более загружен канал, чем больше сбоев возникает при передаче сигналов, тем ниже скорость передачи.

Характеристика «разрядность» относится, прежде всего, к компьютерным каналам связи, обеспечивающим передачу информации между устройствами внутри одного компьютера и между компьютерами, объединенными в компьютерные сети. В последнем случае принято называть «телекоммуникационные каналы связи».

В компьютере для передачи информации используются шины. Разрядность шины – это количество токопроводящих линий, по которым одновременно передаются биты информации. В каждый момент времени по каждой разрядной линии передается один из двух сигналов, условно обозначаемых 0 и 1.

Вспомним, что системная магистраль включает в себя шину данных, шину управления, адресную шину. Разрядность шин современных компьютеров такова: шина данных – 64, адресная шина - 32, шина управления - 20.

Заметим, что если адресная шина имеет разрядность , то доступное адресное пространство будет 2^. Доступное адресное пространство – количество байт оперативной памяти, адреса которых можно передать процессору по адресной шине.

Пример

Пусть ёмкость оперативной памяти 512 Мбайт, то есть 5122²⁰ байт. Учитывая, что 512=2⁹, получим 512 Мбайт = 2²⁹ байт. Следовательно, разрядность адресной шины должна быть не меньше 29.

От источника к получателю может передаваться информация самого разного вида. Чтобы её можно было передать, необходимо сначала преобразовать эту информацию в те сигналы, которые могут быть переданы по конкретному каналу связи. Для это служат кодирующее устройство (КУ) и декодирующее устройство (ДКУ).

Пример

Телефонная связь обеспечивается с помощью электрических проводов, а потому звук необходимо преобразовывать из акустических сигналов в электрические и наоборот. Кодирующим устройством является микрофон, декодирующим – специальная мембрана, встроенные в телефонную трубку.

Кодирующее устройство - устройство, предназначенное для преобразования исходного сообщения источника информации к виду, удобному для передачи по конкретному каналу связи.

Декодирующее устройство - устройство для преобразования кодированного сообщения в исходный вид или вид, удобный для получателя.

Пример

Фотоснимок нужно отправить по электронной почте. Сканер, преобразующий графическое изображение в двоичный код, можно считать кодирующим устройством. Получив по почте файл с фотографией, получатель может вывести её на экран дисплея или на принтер. Они выступают в этом случае декодирующими устройствами.

Если Интернет-связь осуществляется с помощью телефонных линий, то кодирующим/декодирующим устройством является модем (модулятор-демодулятор). Он преобразовывает цифровые коды компьютера в электромагнитные (аналоговые) сигналы, передаваемые по телефонной линии, и наоборот.

В процессе передачи информация может теряться и искажаться: искажение звука в телефоне, атмосферные помехи в радио, искажение изображения в телевидении, ошибки при передаче по телеграфу. Это происходит оттого, что каналы связи в процессе передачи информации могут подвергаться различным внешним воздействиям (повышение или понижение напряжения в электрической сети, сильные магнитные поля и т.п.). Эти помехи, или, как их называют специалисты, шумы, изменяют сообщение. Поэтому при организации автоматизированной передачи информации разработчикам средств связи приходится особо заботиться об обеспечении защиты от помех, о проверке соответствия полученного сообщения переданному.

Для повышения помехозащищенности канала используются специальные методы передачи сообщений, уменьшающие влияние шумов. Например, вводят лишние (избыточные) сигналы, которые используются при получении для контроля правильности сообщения.

Пример

Задача обнаружения ошибки может быть решена довольно просто. Достаточно передавать каждый символ сообщения дважды. Например, слово «гора» можно передать как «ггоорраа». При получении искаженного сообщения, например, «гготрраа» с большой вероятностью можно догадаться, каким было исходное слово. Недостаток данного способа состоит в том, что избыточность кода оказывается очень большой.

Таким образом, защита от помех может быть обеспечена не только техническими средствами (заключение кабелей в специальные оболочки и т.п.), но и выбором способа кодирования передаваемых сообщений.

Существует взаимосвязь между способом кодирования передаваемых сообщений, скоростью их передачи по каналам связи и вероятностью искажения передаваемой информации. Еще в сороковых годах ХХ века К.Шеннон доказал, что при любых помехах можно обеспечить передачу информации без потерь.

Первая теорема Шеннона говорит о том, что для передачи любого сообщения с помощью канала без помех, существует код минимальной длины, такой, что сообщение кодируется с минимальной избыточностью.

Вторая теорема Шеннона о кодировании при наличии шумов гласит, что всегда существует способ кодирования, при котором сообщения будут передаваться с какой угодно высокой достоверностью (со сколь угодно малой вероятностью ошибок), если только скорость передачи не превышает пропускной способности канала связи.

Пример

Простым примером является способ кодирования, называемый проверкой по чётности. К каждому передаваемому байту кодирующим устройством добавляется еще один бит так, чтобы общее количество единиц в девяти передаваемых битах было чётным. Например, для информационного байта 01010100 контрольный бит будет иметь значение 1, а для байта 11011011 он равен 0. Если на декодирующем устройстве в полученных девяти битах число 1 оказывается нечетным, то это служит свидетельством сбоя. Например, если получена цепочка 110110111 (контрольный бит выделен подчеркиванием), ясно, что передача произведена с ошибкой, поскольку общее количество единиц равно 7, т.е. нечетно. В каком бите содержится ошибка при таком способе кодирования установить нельзя.

В 1948 г. Р.Хеммингом был предложен принцип кодирования информации, которое позволяет не только обнаружить существование ошибки, но и локализовать (т.е. определить, в каком бите она находится) и автоматически устранить ее. Подобные коды, исправляющие одиночную ошибку, стали называться кодами Хемминга. Основная идея состоит в добавлении к информационным битам не одного, а нескольких контрольных битов, каждый из которых «отвечает» за определенные информационные биты.

ЗНАТЬ

Процессы передачи и хранения информации – важные составляющие функционирования кибернетических систем и информационного обмена в целом.

Передача информации – процесс распространения её в пространстве.

В процессе передачи информации участвуют источник информации, кодирующее устройство, канал связи, декодирующее устройство, получатель (приёмник, адресат) информации.

Канал связи – это физическая среда и технические устройства, обеспечивающие передачу сообщений.

Каналы связи характеризуются пропускной способностью, скоростью передачи, помехозащищенностью, разрядностью, возможностью передавать сообщения одновременно только в одну или в обе стороны.

Пропускная способность – максимальное количество единиц информации (бит или байт), которые могут быть переданы за единицу времени. Измеряется в байт/с, Кбайт/с, Мбайт/с, Гбайт/с.

Разрядность – количество линий, составляющих канал связи, по которым сигналы передаются одновременно.

Помехи, воздействующие на каналы связи, могут привести к потере или искажению сообщений. Защита от помех обеспечивается как техническими средствами, так и специальными методами кодирования передаваемых сообщений.

Кодирующее устройство преобразует исходное сообщение в сигналы, которые могут быть переданы по конкретному каналу связи.

Декодирующее устройство преобразует сигналы, полученные по каналу связи, к исходному сообщению или к виду, удобному для получателя.

Существует взаимосвязь между способом кодирования передаваемых сообщений, скоростью их передачи по каналам связи и вероятностью искажения передаваемой информации. В частности, использование кодов Хемминга и других подобных методов кодирования позволяет не только выявить наличие ошибок в полученном сообщении, но и автоматически их устранить в декодирующем устройстве.

УМЕТЬ

Как связаны между собой такие характеристики канала связи, как пропускная способность, скорость передачи данных, разрядность?

Определите, что является кодирующим и декодирующим устройствами в следующей ситуации: «При работе с клавиатурой нажатие на клавишу преобразуется процессором клавиатуры в двоичный код. Этот двоичный код передаётся по шинам в оперативную память и процессор, где в соответствии с работающей в данный момент программой определяется, что с этим кодом делать. Если эта программа - текстовый редактор, то видеокарта преобразует этот код в изображение соответствующего символа на экране».

Можно ли количество одновременно действующих радиостанций, которые может поймать ваш радиоприёмник, условно считать разрядностью радиоэфира? Ответ обоснуйте.

Разрядность адресной шины 24. Определите доступное адресное пространство.

Ёмкость оперативной памяти компьютера 1 гигабайт. Какова должна быть минимальная разрядность адресной шины?

В компьютерных сетях для передачи информации обычно используют витую пару, коаксиальный кабель или оптоволоконный кабель. Найдите в толковых словарях по вычислительной технике, что это такое, где применяются, в чем преимущества и недостатки каждого из способов соединения.

Выясните, что означают выделенные термины: «В телекоммуникации каналы связи разделяются на аналоговые и цифровые; на телефонные, телеграфные, радиочастотные, телевизионные, инфракрасные и оптические. Каналы связи бывают выделенные и коммутируемые; дуплексные и симплексные».