Кодирование и квантование сигналов. Чтобы сообщение было передано от источника к получателю, необходима некоторая материальная субстанция -носитель информации
Чтобы сообщение было передано от источника к получателю, необходима некоторая материальная субстанция -носитель информации. Сообщение, передаваемое с помощью носителя, назовем сигналом. В общем случаесигнал - это изменяющийся во времени физический процесс. Такой процесс может содержать различные характеристики (например, при передаче электрических сигналов могут изменяться напряжение и сила тока). Та из характеристик, которая используется для представления сообщений, называется параметром сигнала.
В случае, когда параметр сигнала принимает последовательное во времени конечное число значений (при этом все они могут быть пронумерованы), сигнал называетсядискретным, а сообщение, передаваемое с помощью таких сигналов – дискретным сообщением. Информация, передаваемая источником, в этом случае также называется дискретной. Если же источник вырабатывает непрерывное сообщение (соответственно параметр сигнала - непрерывная функция от времени), соответствующая информация называется непрерывной. Пример дискретного сообщения – процесс чтения книги, информация в которой представлена текстом, т.е. дискретной последовательностью отдельных значков (букв). Примером непрерывного сообщения служит человеческая речь, передаваемая модулированной звуковой волной; параметром сигнала в этом случае является давление, создаваемое этой волной в точке нахождения приемника – человеческого уха.
Непрерывное сообщение может быть представлено непрерывной функцией, заданной на некотором отрезке [a, b] (см. рис. 1.4).
Рис. 1.4. Процедура дискретизации непрерывного сообщения
Непрерывное сообщение можно преобразовать в дискретное (такая процедура называется дискретизацией). Для этого из бесконечного множества значений этой функции (параметра сигнала) выбирается их определенное число, которое приближенно может характеризовать остальные значения. Один из способов такого выбора состоит в следующем. Область определения функции разбивается точками x1, x2,... xn, на отрезки равной длины и на каждом из этих отрезков значение функции принимается постоянным и равным, например, среднему значению на этом отрезке; полученная на этом этапе функция называется в математике ступенчатой. Следующий шаг - проецирование значений «ступенек» на ось значений функции (ось ординат). Полученная таким образом последовательность значений функции y1, y2, ... yn. является дискретным представлением непрерывной функции, точность которого можно неограниченно улучшать путем уменьшения длин отрезков разбиения области значений аргумента.
Ось значений функции можно разбить на отрезки с заданным шагом и отобразить каждый из выделенных отрезков из области определения функции в соответствующий отрезок из множества значений, см. рисунок 1.4. В итоге получим конечное множество чисел, определяемых, например, по середине или одной из границ таких отрезков.
Таким образом, любое сообщение может быть представлено как дискретное, иначе говоря, последовательностью знаков некоторого алфавита.
Аналоговый компьютер
Аналоговый компьютер — аналоговая вычислительная машина (АВМ), которая представляет числовые данные при помощи аналоговых физических переменных (скорость, длина, напряжение, ток, давление), в чём и состоит его главное отличие от цифрового компьютера.
Рисунок – Польский электронный аналоговый компьютер «AKAT-1».
По конструктивным признакам аналоговые компьютеры можно разделить на:
1) механические АВМ, в которых машинные переменные воспроизводятся механическими перемещениями;
2) пневматические — машинные переменные представлены в виде величин давления воздуха (газа) в различных точках специально построенной сети;
3) гидравлические;
4) электромеханические, в которых машинными переменными являются механические (обычно угол поворота) и электрические (обычно напряжение) величины;
5) электронные, в которых машинные переменные представляются электрическим напряжением постоянного тока;
6) комбинированные.
Представлением числа в механических аналоговых компьютерах служит, например, количество поворотов шестерёнок механизма.
В электронных машинах используются различия в напряжении. Они могут выполнять такие операции, как сложение, вычитание, умножение, деление, дифференцирование, интегрирование и инвертирование.
При работе аналоговый компьютер имитирует процесс вычисления, при этом характеристики, представляющие цифровые данные, в ходе времени постоянно меняются.
Рассмотрим пример устройства дифференциатора электронной АВМ.
Дифференциатор — элемент электрической цепи, выходной сигнал которой пропорционален производной по времени от входного сигнала. Под дифференциатором также понимают структурный функциональный блок аналоговой вычислительной машины.
В качестве простейшего пассивного дифференциатора можно использовать четырёхполюсник, изображённый на рисунке.
Рисунок – схема простейшего дифференциатора на пассивных элементах.
При малых значениях R считаем, что нет падения напряжения на R, тогда
где uвых — напряжение на выходе, uвх — напряжение на входе.
Теперь осталось усилить напряжение на выходе в сотни тысяч раз. Усиление осуществляется операционным усилителем.
Результатом работы аналогового компьютера являются либо графики, изображённые на бумаге или на экране осциллографа, либо электрический сигнал, который используется для контроля процесса или работы механизма.
В ряде случаев, с помощью аналоговых компьютеров, можно значительно быстрее, по сравнению с использованием цифровых компьютеров, решать задачи автоматического управления, требующие решения дифференциальных уравнений, интегрирования или дифференцирования.
Программируются электронные аналоговые машины методом сборки необходимых цепей из типовых элементов посредством их соединения проводами, и изменением параметров переменных сопротивлений в цепях.
В 1965 г. в СССР сняли с вооружения и продали в Ирак ракеты, названные американцами SCAD. Ракета SCAD управляется АВМ. Солдат срочной службы выставляет на пульте координаты точек старта и падения, а также направления ветров на разных высотах в точке старта. Далее, он нажимает кнопку «Пуск». Ракета, пролетев до 1000 км через космос, вертикально падает вниз с точностью приземления в радиусе 300 м. Конечно, иракцам не продали килотонные ядерные боеголовки. Во время первой войны Дж. Буша старшего в Персидском заливе иракцы успешно обстреливали Израиль, не смотря на двойную заградительную линию современных антиракет «Пэтриот».
В АВМ трудно реализуются блоки умножения функции на функцию. С развитием ЦВМ и разработкой ЦАП, АЦП стали выпускаться гибридные вычислительные машины – ГВМ.
Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП, англ. Digital-to-analog - converter, DAC) – устройство для преобразования цифрового (обычно двоичного) кода в аналоговый сигнал (ток, напряжение или заряд). Цифро-аналоговые преобразователи являются интерфейсом между дискретным цифровым миром и аналоговыми сигналами.
Аналого-цифровой преобразователь (АЦП, англ. Analog-to-digital converter, ADC) – производит обратную операцию преобразования аналогового сигнала в цифровой код.
Гибридный компьютер – это гибридная вычислительная машина(ГВМ), построенная с применением различного представления величин (аналогового и цифрового) и объединённых единой системой управления.
Соединяет в себе преимущества аналоговых и цифровых систем:
1) многообразие возможностей управления и программирования, присущее ЦВМ;
2) принципиальная повторяемость набора состояний системы, присущая ЦВМ;
3) непосредственное взаимодействие с контролируемой и управляемой аппаратурой, присущее АВМ. Отсутствие в критичных узлах дополнительных преобразований физических величин процесса и обусловленных этим временных задержек и погрешностей дискретизации;
4) сравнительно малое количество простых элементов, реализующих сложные функциональные зависимости, присущее АВМ.
Интеграторы и рассмотренные ранее дифференциаторы теперь на входе имеют ЦАП, а на выходе АЦП. Остальные типовые элементы эмулируются программно на ЦВМ.
Подведение итогов
Все процессы в природе сопровождаются сигналами. Зарегистрированные сигналы образуют данные. Данные преобразуются, транспортируются и потребляются с помощью методов. При взаимодействии данных и адекватных им методов образуется информация. Информация — это динамический объект, образующийся в ходе информационного процесса. Он отражает диалектическую связь между объективными данными и субъективными методами. Свойства информации зависят как от свойств данных, так и от свойств методов.
Данные различаются типами, что связано с различиями в физической природе сигналов, при регистрации которых образовались данные. В качестве средства хранения и транспортировки данных используются носители данных. Для удобства операций с данными их структурируют. Наиболее широко используются следующие структуры: линейная, табличная и иерархическая — они различаются методом адресации к данным. При сохранении данных образуются данные нового типа — адресные данные.
Вопросами систематизации приемов и методов создания, хранения, воспроизведения, обработки и передачи данных средствами вычислительной техники занимается техническая наука — информатика. С целью унификации приемов и методов работы с данными в вычислительной технике применяется универсальная система кодирования данных, называемая двоичным кодом. Элементарной единицей представления данных в двоичном коде является двоичный разряд (бит). Другой, более крупной единицей представления данных является байт.
Основной единицей хранения данных является файл. Файл представляет собой последовательность байтов, имеющую собственное имя. Совокупность файлов образует файловую структуру, которая, как правило, относится к иерархическому типу.
Полный адрес файла в файловой структуре является уникальным и включает в себя собственное имя файла и путь доступа к нему.
Вопросы для самоконтроля
1.1. Что означает термин "информатика" и каково его происхождение?
1.2. Какие области знаний и административно-хозяйственной деятельности официально закреплены за понятием "информатика" с 1978 года?
1.3. Какие сферы человеческой деятельности и в какой степени затрагивает информатика?
1.4. Назовите основные составные части информатики и основные направления её применения.
1.5. Что подразумевается под понятием "информация" в бытовом, естественно-научном и техническом смыслах?
1.6. Какие формы существования информации Вы можете назвать?
1.7. Приведите примеры знания фактов и знания правил. Назовите новые факты и новые правила, которые Вы узнали за сегодняшний день.
1.8. От кого (или чего) человек принимает информацию? Кому передает информацию?
1.9. В каких формах человек передаёт и принимает информацию?
1.10. Где и как человек хранит информацию?
1.11. Что необходимо добавить в систему "источник информации — приёмник информации", чтобы осуществлять передачу сообщений?
1.12. Какие типы действий выполняет человек с информацией?
1.13. Приведите примеры ситуаций, в которых информация
| а) создаётся; | д) копируется; | и) передаётся; |
| б) обрабатывается; | е) воспринимается; | к) разрушается; |
| в) запоминается; | ж) измеряется; | л) ищется; |
| г) делится на части; | з) принимается; | м) упрощается. |
1.14. Приведите примеры обработки информации человеком. Что является результатами этой обработки?
1.15. Приведите примеры информации:
а) достоверной и недостоверной;
б) полной и неполной;
в) ценной и малоценной;
г) своевременной и несвоевременной;
д) понятной и непонятной;
е) доступной и недоступной для усвоения;
ж) краткой и пространной.
1.16. Назовите системы сбора и обработки информации в теле человека.
1.17. Приведите примеры технических устройств и систем, предназначенных для сбора и обработки информации.
1.18. От чего зависит информативность сообщения, принимаемого человеком?
1.19. Почему количество информации в сообщении удобнее оценивать не по степени увеличения знания об объекте, а по степени уменьшения неопределённости наших знаний о нём?
1.20. Как определяется единица измерения количества информации?
1.21. В каких случаях и по какой формуле можно вычислить количество информации, содержащейся в сообщении?
1.22. Почему в формуле Хартли за основание логарифма взято число 2?
1.23. При каком условии формула Шеннона переходит в формулу Хартли?
1.24. Что определяет термин "бит" в теории информации и в вычислительной технике?
1.25. Приведите примеры сообщений, информативность которых можно однозначно определить.
1.26. Приведите примеры сообщений, содержащих один (два, три) бит информации.
1.27. Как вы можете объяснить бытовой термин «переизбыток информации»? Что имеется в виду: излишняя полнота данных; излишняя сложность методов; неадекватность поступающих данных и методов, имеющихся в наличии?
1.28. Как вы понимаете термин «средство массовой информации»? Что это? Средство массовой поставки данных? Средство, обеспечивающее массовое распространение методов? Средство, обеспечивающее процесс информирования путем поставки данных гражданам, обладающим адекватными методами их потребления?
1.29. Как вы полагаете, являются ли данные товаром? Могут ли методы быть товаром?
1.30. На примере коммерческих структур, обеспечивающих коммуникационные услуги, покажите, как взаимодействуют между собой маркетинг данных и маркетинг методов? Можете ли вы привести примеры лизинга данных и методов?
1.31. Как вы понимаете диалектическое единство данных и методов? Можете ли вы привести примеры аналогичного единства двух понятий из других научных дисциплин: естественных, социальных, технических?
1.32. Как вы понимаете динамический характер информации? Что происходит с ней по окончании информационного процесса?
1.33. Можем ли мы утверждать, что данные, полученные в результате информационного процесса, адекватны исходным? Почему? От каких свойств исходных данных и методов зависит адекватность результирующих данных?
1.34. Что такое вектор данных? Является ли список номеров телефонов населенного пункта вектором данных? Является ли вектором данных текстовый документ, закодированный двоичным кодом, если он не содержит элементов оформления?
1.35. Является ли цифровой код цветного фотоснимка вектором данных? Если нет, то чего ему не хватает?
1.36. Как вы понимаете следующие термины: аппаратно-программный интерфейс, программный интерфейс, аппаратный интерфейс? Как бы вы назвали специальность людей, разрабатывающих аппаратные интерфейсы? Как называется специальность людей, разрабатывающих программные интерфейсы?
1.37. На основе личных наблюдений сделайте вывод о том, какими средствами может пользоваться преподаватель для обеспечения интерфейса с аудиторией. Можете ли вы рассмотреть отдельно методические и технические средства, имеющиеся в его распоряжении? Может ли преподаватель рассматривать вашу тетрадь и авторучку как свое средство обеспечения интерфейса? Если да, то в какой мере?
Использованная литература при подготовке лекции:
Информатика. Базовый курс. 2-е издание / Под ред. С. В. Симоновича. — СПб.: Питер, 2004. — 640 с: ил.
Блюменау Д.И. Информация и информационный сервис.- Л.:Наука, 1989 г.
Брябрин В.М. Программное обеспечение персональных компьютеров. М., Наука, 1987 г.
Глушков В.М. Основы безбумажной информатики. М., 1987 г.
Грибунов В.И., Кирдан В.С., Козубовский С.Ф. Справочник по ЭВМ.- Киев Наукова Думка 1989.
Михнушев А.Г. Информатика в социальном управлении: От знакомства с компьютером к решению практических задач. Ил. учебное пособие. Киев, Политиздат Украины, 1990 г.
Решетников В.Н., Сотников А.Н. Информатика - что это?.- М.: Радио и связь, 1989 г.
Якубайтис Э.А. Информатика – Электроника – Сети. М.: Финансы и статистика 1989.
Поправка Джексона-Вэника (англ. Jackson-Vanik amendment) — поправка 1974 года конгрессменов Генри Джексона (en) и Чарльза Вэника (en) к Закону о торговле США, ограничивающая торговлю со странами социалистического блока, препятствующими эмиграции своих граждан.
Поправкой Джексона-Вэника запрещалось предоставлять режим наибольшего благоприятствования в торговле, предоставлять государственные кредиты и кредитные гарантии странам, которые нарушают или серьёзно ограничивают права своих граждан на эмиграцию. Поправкой также предусматривалось применение в отношении товаров, импортируемых в США из стран с нерыночной экономикой, дискриминационных тарифов и сборов.