Реферат: Предмет и методы теории информации
Реферат
Тема: «ПРЕДМЕТИ МЕТОДЫ ТЕОРИИ ИНФОРМАЦИИ»
Введение
Теория информации – наука о проблемахсбора, преобразования, передачи, хранения, обработки и отображения информации.
Теория информациибазируется на методах теории вероятности, математической статистики, линейнойалгебры и других разделах математики. Теория информации и ее методы широкоиспользуются для анализа процессов в различных информационных системах, т.е.системах, основой функционирования которых является процесс преобразования информации(системы связи, телевидения, вычислительные системы и т.д.).
В компьютерной технике методытеории информации широко используются для оценки быстродействия, точности инадежности систем, сжатия и защиты информации, согласования сигналов и каналовв компьютерных сетях передачи данных и т.д.
1. Основныепонятия и определения
Понятие «информация»(лат. information – разъяснение) принадле-жит к исходным неопределяемымпонятиям науки, т. к. оно является многозначным. Не существует единогоопределения этого понятия, которое охватывало бы все аспекты: количественную,содержательную, прагматическую и др. стороны. Существует целый ряд определений,например: информация – отражение реального мира; информация – устраненнаянеопределенность и др.
Информация – в общем случае,совокупность сведений о каких-либо событиях, явлениях, предметах, получаемых врезультате взаимодействия с внешней средой. Формой представления информацииявляется сообщение.
Сообщение – любые сведения илиданные, поступающие от отправителя (источника) сообщений на вход системы связи дляпередачи получателю. Для представления информации (хранения, обработки, преобразованияи т.д.) используют различные символы, позволяющие выразить ее в определеннойформе (текст, речь, рисунок, колебания, цифры, числа, символы, жесты и т.д.).
Информация от источника к приемнику передается с помощью сигнала. Сигнал– физический процесс, отображающий сообщение. Носителем информации может бытьтолько такой сигнал, изменение которого во времени точно предсказать нельзя.Априорно известный сигнал не содержит информации. Информация – лишь те сведенияв сообщении, которые неизвестны получателю, т.е. не всякое сообщение несетинформацию. Информация характеризуется рядом показателей: количеством,скоростью передачи, надежностью передачи, достоверностью и т.д.
2. Системыпередачи информации
Система передачиинформации – совокупность технических средств для передачи информации отисточника к приемнику информации.
Для того чтобыпредставить содержание курса и его основные проблемы рассмотрим блок-схемусистемы передачи информации, предложенную Шенноном (см. рис. 1).
/>
Рис. Схема системы передачи информации
Любая ЭВМ такжепредставляет собой информационную систему, которую можно рассматривать какканал преобразования информации (см. рис. 2). На схеме введеныобозначения: ИИ и ПИ – соответствен-но источник и приемник информации; ЦП – центральныйпроцессор; ОП – оперативная память; Вх. У и Вых. У – соответственно входное ивыходное устройства, которые осуществляют функции кодирования и декодирования.
/>
Рис. 2. Структура ЭВМ
Задачей системы передачиинформации является воспроизведение с заданной точностью наиболее экономичнымметодом сообщения выработанного источником информации.
Источником сообщенийможет быть человек или различного рода устройства (датчики, автомат, ЭВМ, и т.д.).Источник информации выдает сообщение или последовательность сообщений.Сообщения могут иметь непрерывный или дискретный характер.
Дискретными называютсясообщения, которые представляются последовательностью из конечного числаотдельных, резко различимых элементов, между которыми нет промежуточныхзначений, т.е. дискретная информация представляется в виде конечнойсовокупности символов (печатные тексты и документы, состояния цифровых автоматови т.д.).
Непрерывные сообщенияхарактеризуются тем, что два нетождественных сообщения могут отличаться скольугодно мало друг от друга (музыка, речь, изображения объемов, телеметрическиеданные). Непрерывные сообщения можно преобразовать в дискретные.
Для передачи на расстояние сообщение преобразуется в сигнал. Процесспреобразования сообщения в сигнал состоит из трех этапов (операций): преобразование,кодирование, модуляция. В процессе преобразования сообщение, которое можетиметь любую физическую природу (изображение, звук и т.д.), преобразуется впервичный сигнал. В телефонии микрофон преобразует звуковые волны (давление) вэлектрический ток микрофона. В телеметрии датчики преобразуют изменениефизических величин (температура, давление и т.д.) в электрические.
Кодирование – преобразованиесообщения в сигнал, т.е. отображение сообщений сигналами в виде определенногосочетания элементарных дискретных символов, называемых кодовыми комбинациями(кодовыми словами).
Код – правило, согласнокоторому каждому сообщению однозначно ставится в соответствие некоторая кодоваякомбинация. Кодер – устройство, осуществляющее кодирование.
Кодер источника (КИ) – кодер,использование которого позволяет путем устранения избыточности существенноснизить среднее число символов на букву сообщения (такое кодирование называетсяоптимальным или эффективным). При отсутствии помех это дает выигрыш во временипередачи или в объеме ЗУ, т.е. повышает эффективность системы передачи данных.
Кодер канала (КК) – позволяет путемвнесения избыточности обеспечить достоверность передачи данных при наличиипомех (такое кодирование называется помехоустойчивым).
Канал – совокупность средств,предназначенных для передачи сигнала от передатчика к приемнику информации(передатчик, приемник, линия связи и т.д.). Канал связи может бытьодносторонний (симплексный) и двухсторонний (дуплексный).
Передатчик – служит дляпреобразования электрического сигнала в сигнал, пригодный для передачи по линиисвязи.
Модуляцией называетсяизменениепараметров переносчика сигнала в соответствии с функцией, отображающейсообщение. Несущим сигналом может быть ток (телеграфия), гармоническиенизкочастотные или высокочастотные колебания (телефония и т.д.),высокочастотные импульсы (радиорелейная связь и т.д.). Модулируемые параметрыназываются информативными и могут быть амплитудой, частотой, фазой и т.д. Модулятор– устройство, осуществляющее модуляцию.
При передаче по каналусвязи происходит ослабление и искажение передаваемого сигнала, вносимых каналоми действием помех.
Линейные искажения – определяютсячастотными и временными характеристиками канала. Нелинейные искажения– определяются нелинейностью звеньев канала и видом модуляции.
Линия связи (ЛС) – это среда,используемая для передачи сигнала от передатчика к приемнику. Существуютразличные типы линий связи:
Проводные линии связи. Проводные линии связимогут быть воздушными, кабельными, коаксиальными, оптико-волоконными, линиямиэлектропередачи (ЛЭП). Они используются:
– в телефонии – 300–3400 Гц(тональный диапазон);
– в телеграфии – 0–300 Гц (подтональный диапазон);
– в телевидении – 300–3000 мГц;
– ЛЭП – 500–1000 кГц.
Проводные линии связихарактеризуются: помехозащищенностью и волновым сопротивлением r=/>L/C.
При передаче на большие расстояниянеобходимо использование промежуточных усилительных пунктов (расстояние зависитот используемых частот и типа ЛС).
2. Радиолинии. Радиолиниимогут быть: радиорелейные (РРЛ), коротковолновые (КВ), тропосферные,ионосферные, космические и т.д.
3. Внутриаппаратные тракты.Внутриаппаратные тракты – это прежде всего шины информационного обмена в ЭВМ итракты магнитной записи (локальная – L – bus; памяти – M – bus; периферийная – X– bus; системная – S – bus).
Многоканальные ЛС – обеспечиваютнесколько каналов, используя различные методы уплотнения и разделения(частотного, временного, кодового).
Помехи – воздействия, искажающие сигнал. Помехи можно классифицировать:
1) Детерминированные(регулярные) – например, фон источника питания и случайные – например,тепловой шум и т.д.
2) Внутренние,возникающие в самой аппаратуре и внешние.
К внешним помехамотносятся:
- атмосферныегрозовые разряды, космические излучения и т.д.
- индустриальные(электротехнические, связанные с коммутацией, сварка, транспорт и т.д.);
- интерферентные(глушители).
3) Аддитивные – которые суммируютсяс основным сигналом и мультипликативные – которые перемножаются с полезнымсигналом.
Приемник осуществляет приемсигнала и его демодуляцию. Демодуляция – отделение полезногосигнала от несущей. Демодулятор – устройство для отделениямодулирующего сигнала от несущей.
На выходе приемникаполучается последовательность кодовых комбинаций, которая вследствие действияпомех и наличия искажений может отличаться от переданных комбинаций.
Декодер (декодирующее устройство)преобразует кодовые комбинации в сообщения, поступающие получателю.
Основные проблемы системпередачи информации:
Обеспечениедостоверности передаваемых сообщений (помехоустойчивость).
2. Обеспечение высокойэффективности передачи сообщений.
Помехоустойчивость – способность системыпротивостоять вредному действию помех и искажений. Повышению помехоустойчивостиспособствует увеличение соотношения сигнал – помеха, выбором метода кодирования(помехоустойчивое кодирование), вида модуляции (искажения), передающей среды ит.д.
Эффективностьопределяется способностью системы обеспечить передачу заданного количестваинформации с наименьшими затратами мощности сигнала, времени и полосы частот (т.е.наиболее экономичным способом).
3. Системы исети передачи данных
Система передачи данных –совокупность технических средств, обеспечивающих передачу данных [1].
Первые сети передачиданных появились в начале 50‑х годов, когда линии связи соединялицентральные ЭВМ с удаленными терминалами и другими периферийными устройствами.Стремительное увеличение сетей передачи данных было обусловлено созданиемвычислительных систем большой производительности с разделением времени. В связис широким использованием ЭВМ в различных сферах существенно возрастает потребностьв передаче данных. Их применение позволяет использовать:
– удаленный доступ к базам данных(БД) и их обновлению (например: информационные и финансовые службы, продажаавиабилетов и т.д.);
– электронную почту;
– использование удаленных мощных ЭВМ;
– управление объектами в реальномвремени и т.д.
Схема системы передачи данных (СПД)приведена на рис. 3.
/>
Рис. 3. Схема системыпередачи данных
Система передачи данных включает:аппаратуру передачи данных (АПД); модуль управления линией передачи данных(УЛПД); модем – модулятор и демодулятор, объединенные в одном устройстве; интерфейс– унифицированная система сопряжения. В СПД используются различные типыинтерфейсов (например, RS‑232c и др.).
Аппаратура передачи данных предназначенадля преобразования передаваемой дискретной информации (данных) в сигналы,пригодные для передачи по каналам связи, и принятой информации к виду пригодномудля обработки на приемной стороне.
Сообщения представляют длинныепоследовательности битов, которые обычно разбиваются на более короткиепоследовательности, называемые пакетами. Передающий модуль УЛПД преобразуетпакет, представляющий поле данных, в кадр, помещая в него ряд управляющих бит,определяющих начало и конец кадра, адрес источника и приемника, проверочныепоследовательности (полином 32-го порядка), позволяющие обнаружить ошибки впринятых кадрах, запрос на повторную передачу, если обнаружены ошибки и др.
Принимающий модуль УЛПД на конечном пунктеиз пакетов собирает сообщения.
Системы передачи данныхможно объединять в сети по иерархическому принципу, т.е. в многоуровневуюсистему. Существуют глобальные и локальные вычислительные сети. Глобальнаясеть – сеть, покрывающая площадь, которая больше площади города. Локальнаясеть (ЛС) – вычислительная сеть, в которой компьютеры и терминалырасположены в географически ограниченном пространстве, чаще всего в пределаходной организации, учреждения, учебного заведения и т.д.
Характеристикамилокальной сети являются: топология (шинная, кольцевая, звездная и древовидная),метод доступа (случайный или детерминированный), физическая передающая среда(витая пара, коаксиальный или оптоволоконный кабель) и др.
Выбор передающей средыопределяется необходимой пропускной способностью. Витая пара используется дляЛС с малой пропускной способностью (менее 1М бит/с или от 50 до 200–300 бод),коаксиальный кабель используется для ЛС со средней пропускной способностью (от1 до 10 М бит/с или от 600 до 4800 – 9600 бод), оптоволоконный кабельиспользуется для ЛС с большой пропускной способностью (свыше 10 М бит/с или свыше 48 000 бод). При наличии кабельных повторителей максимальное расстояние междуузлами в этой сети составляет до 2000 м, а без них до 500 м.
Список литературы
1. Блейхут Р. Теория и практика кодов,контролирующих ошибки: Пер. с англ. – М.: Мир, 1986.
2. Бриллюэн Л. Научная неопределенность иинформация, М., 1966.
3. Вероятностные методы в вычислительнойтехнике. /Под ред. А.Н. Лебедева, Е.А. Чернявского. – М.: Высш. шк.,1986.
4. Кловский Д.Д. Теория передачисигналов. – М.: Связь, 1984.
5. Кудряшов Б.Д. Теория информации. Учебник для вузов Изд-во ПИТЕР,2008. – 320 с.