|
Передача информации — урок. Информатика, 5 класс.
Мы постоянно участвуем в действиях, связанных с передачей информации. Люди передают друг другу просьбы, приказы, отчёты о проделанной работе, публикуют книги, научные статьи, рекламные объявления. Передача информации происходит при чтении книг, при просмотре телепередач.
В процессе передачи информации обязательно участвуют источник и приёмник информации: источник передаёт информацию, а приёмник её принимает.
Между ними действует канал передачи информации — информационный канал (канал связи).
Схема передачи информации
Органы чувств человека являются биологическими информационными каналами.
Техническими информационными каналами являются телефон, радио, телевидение, компьютерные сети.
По характеру передачи информационный канал может быть односторонним или двусторонним.
Односторонний канал передаёт информацию только от источника к приёмнику.
Двусторонний канал передаёт информацию как от источника к приёмнику, так и в обратном направлении.
При переходе дороги на регулируемом перекрёстке ты (приёмник информации) воспринимаешь зелёный сигнал светофора (источника информации) как разрешение перейти дорогу. В этом случае информация передаётся в одну сторону, но бывают такие ситуации, когда происходит взаимный обмен информацией.
Играя в компьютерную игру, ты постоянно обмениваешься информацией с компьютером: воспринимаешь сюжет, правила и текущую ситуацию, анализируешь полученную информацию и передаёшь компьютеру с помощью клавиатуры или мыши некоторые управляющие команды.
В свою очередь, компьютер принимает и обрабатывает твои команды, отображая результат обработки на экране дисплея. Этот взаимный обмен информацией происходит на протяжении всей игры. В случае просмотра телепередачи всей семьёй источник информации один (телепередача), а приёмников несколько (члены семьи).
Для того чтобы передавать информацию на большие расстояния, человек использует различные средства связи.
Средства связи — способы передачи информации на расстояние. К традиционным средствам связи относятся сигнализация, почта, телеграф, телефон, радио, телевидение, Интернет.
Источники:
Л. Л. Босова. Информатика и ИКТ учебник для 5 класса. Москва Бином. Лаборатория знаний 2012.
Передача информации
Составляющие процеса передачи информации
Передача информации происходит от источника к получателю (приемнику) информации. Источником информации может быть все, что угодно: любой объект или явление живой или неживой природы. Процесс передачи информации протекает в некоторой материальной среде, разделяющей источника и получателя информации, которая называется
Передача информации
Человек получает информацию от всего, что его окружает, посредством органов чувств: слуха, зрения, обоняния, осязания, вкуса. Наибольший объем информации человек получает через слух и зрение. На слух воспринимаются звуковые сообщения — акустические сигналы в сплошной среде (чаще всего — в воздухе). Зрение воспринимает световые сигналы, переносящие изображение объектов.
Не всякое сообщение информативно для человека. Например, сообщение на непонятном языке хотя и передается человеку, но не содержит для него информации и не может вызвать адекватных изменений его состояния.
Информационный канал может иметь либо естественную природу (атмосферный воздух, через который переносятся звуковые волны, солнечный свет, отраженный от наблюдаемых объектов), либо быть искусственно созданным. В последнем случае речь идет о технических средствах связи.
Технические системы передачи информации
Первым техническим средством передачи информации на расстояние стал телеграф, изобретенный в 1837 году американцем Сэмюэлем Морзе. В 1876 году американец А.Белл изобретает телефон. На основании открытия немецким физиком Генрихом Герцем электромагнитных волн (1886 г.), А.С. Поповым в России в 1895 году и почти одновременно с ним в 1896 году Г.Маркони в Италии, было изобретено радио. Телевидение и Интернет появились в ХХ веке.
Все перечисленные технические способы информационной связи основаны на передаче на расстояние физического (электрического или электромагнитного) сигнала и подчиняются некоторым общим законам. Исследованием этих законов занимается
Клод Элвуд Шеннон (1916–2001), США
Клодом Шенноном была предложена модель процесса передачи информации по техническим каналам связи, представленная схемой.
Техническая система передачи информации
Под кодированием здесь понимается любое преобразование информации, идущей от источника, в форму, пригодную для ее передачи по каналу связи. Декодирование — обратное преобразование сигнальной последовательности
Работу такой схемы можно пояснить на знакомом всем процессе разговора по телефону. Источником информации является говорящий человек. Кодирующим устройством — микрофон телефонной трубки, с помощью которого звуковые волны (речь) преобразуются в электрические сигналы. Каналом связи является телефонная сеть (провода, коммутаторы телефонных узлов, через которые проходит сигнал). Декодирующим устройством является телефонная трубка (наушник) слушающего человека — приемника информации. Здесь пришедший электрический сигнал превращается в звук.
Современные компьютерные системы передачи информации — компьютерные сети, работают по тому же принципу. Есть процесс кодирования, преобразующий двоичный компьютерный код в физический сигнал того типа, который передается по каналу связи. Декодирование заключается в обратном преобразовании передаваемого сигнала в компьютерный код. Например, при использовании телефонных линий в компьютерных сетях функции кодирования-декодирования выполняет прибор, который называется модемом.
Пропускная способность канала и скорость передачи информации
Разработчикам технических систем передачи информации приходится решать две взаимосвязанные задачи: как обеспечить наибольшую скорость передачи информации и как уменьшить потери информации при передаче. Клод Шеннон был первым ученым, взявшимся за решение этих задач и создавшим новую для того времени науку — теорию информации
К.Шеннон определил способ измерения количества информации, передаваемой по каналам связи. Им было введено понятие пропускной способности канала, как максимально возможной скорости передачи информации. Эта скорость измеряется в битах в секунду (а также килобитах в секунду, мегабитах в секунду).
Пропускная способность канала связи зависит от его технической реализации. Например, в компьютерных сетях используются следующие средства связи:
— телефонные линии,
— электрическая кабельная связь,
— оптоволоконная кабельная связь,
— радиосвязь.
Пропускная способность телефонных линий — десятки, сотни Кбит/с; пропускная способность оптоволоконных линий и линий радиосвязи измеряется десятками и сотнями Мбит/с.
Шум, защита от шума
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, передаваемых по одним и тем же каналам. Иногда, беседуя по телефону, мы слышим шум, треск, мешающие понять собеседника, или на наш разговор накладывается разговор совсем других людей.
Наличие шума приводит к потере передаваемой информации. В таких случаях необходима защита от шума.
Клодом Шенноном была разработана 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. Например, если при разговоре по телефону вас плохо слышно, то, повторяя каждое слово дважды, вы имеете больше шансов на то, что собеседник поймет вас правильно.
Однако нельзя делать избыточность слишком большой. Это приведет к задержкам и удорожанию связи. Теория кодирования позволяет получить такой код, который будет оптимальным. При этом избыточность передаваемой информации будет минимально возможной, а достоверность принятой информации — максимальной.
В современных системах цифровой связи для борьбы с потерей информации при передаче часто применяется следующий прием. Все сообщение разбивается на порции — пакеты. Для каждого пакета вычисляется контрольная сумма (сумма двоичных цифр), которая передается вместе с данным пакетом. В месте приема заново вычисляется контрольная сумма принятого пакета и, если она не совпадает с первоначальной суммой, передача данного пакета повторяется. Так будет происходить до тех пор, пока исходная и конечная контрольные суммы не совпадут.
Методические рекомендации
Рассматривая передачу информации в пропедевтическом и базовом курсах информатики, прежде всего следует обсудить эту тему с позиции человека как получателя информации. Способность к получению информации из окружающего мира — важнейшее условие существования человека. Органы чувств человека — это информационные каналы человеческого организма, осуществляющее связь человека с внешней средой. По этому признаку информацию делят на зрительную, звуковую, обонятельную, тактильную, вкусовую. Обоснование того факта, что вкус, обоняние и осязание несут человеку информацию, заключается в следующем: мы помним запахи знакомых объектов, вкус знакомой пищи, на ощупь узнаем знакомые предметы. А содержимое нашей памяти — это сохраненная информация.
Следует рассказать ученикам, что в мире животных информационная роль органов чувств отличается от человеческой. Важную информационную функцию для животных выполняет обоняние. Обостренное обоняние служебных собак используется правоохранительными органами для поиска преступников, обнаружения наркотиков и пр. Зрительное и звуковое восприятие животных отличается от человеческого. Например, известно, что летучие мыши слышат ультразвук, а кошки видят в темноте (с точки зрения человека).
В рамках данной темы ученики должны уметь приводить конкретные примеры процесса передачи информации, определять для этих примеров источник, приемник информации, используемые каналы передачи информации.
При изучении информатики в старших классах следует познакомить учеников с основными положениями технической теории связи: понятия кодирование, декодирование, скорость передачи информации, пропускная способность канала, шум, защита от шума. Эти вопросы могут быть рассмотрены в рамках темы “Технические средства компьютерных сетей”.
Передача информации
Главная | Информатика и информационно-коммуникационные технологии | Планирование уроков и материалы к урокам | 5 классы | Планирование уроков на учебный год (ФГОС) | Передача информации
Ключевые слова:
• источник информации
• приёмник информации
• информационный канал
• электронная почта
Схема передачи информации
Мы постоянно участвуем в действиях, связанных с передачей информации. Люди передают друг другу просьбы, приказы, отчёты о проделанной работе, публикуют книги, научные статьи, рекламные объявления. Передача информации происходит при чтении книг, при просмотре телепередач.
Любой процесс передачи информации упрощённо можно представить следующей схемой (рис. 14)
В передаче информации всегда участвуют две стороны: тот, кто передаёт информацию, — источник информации, и тот, кто её получает, — приёмник информации.
Органы чувств человека выполняют роль биологических информационных каналов. Техническими информационными каналами являются телефон, радио, телевизор, компьютер, с помощью которых люди обмениваются информацией. Информационным каналом можно считать письмо или записку.
Рассмотрим несколько ситуаций, связанных с передачей информации.
При переходе дороги на регулируемом перекрёстке вы (приёмник информации) воспринимаете зелёный сигнал светофора (источника информации) как разрешение перейти дорогу. В этом случае информация передаётся в одну сторону. Бывают такие ситуации, когда происходит взаимный обмен информацией. Играя в компьютерную игру, вы постоянно обмениваетесь информацией с компьютером: воспринимаете сюжет, правила и текущую ситуацию, анализируете полученную информацию и передаёте компьютеру с помощью клавиатуры или мыши некоторые управляющие команды. В свою очередь, компьютер принимает и обрабатывает ваши команды, отображая результат обработки на экране дисплея. Этот взаимный обмен информацией происходит на протяжении всей игры.
В случае просмотра телепередачи всей семьёй источник информации один (телепередача), а приёмников несколько (члены семьи). А вот если вы (приёмник) готовите сообщение, например, по истории, то желательно иметь как можно больше источников информации (энциклопедии, мемуары, карты, фотографии, телепередачи).
Очень важно, чтобы передача информации осуществлялась быстро и без искажений.
В живой природе постоянно происходит приём и передача информации: лесные и луговые цветы, испуская ароматы, сообщают насекомым о том, что в чашечках цветов заготовлен нектар, который можно взять, прихватив заодно и пыльцу для опыления других цветов. Солнечные лучи, ветер, дождь тоже передают информацию, а растения и животные воспринимают её и используют как управляющие сигналы в своей жизни. Так, свет и тепло, которые несут солнечные лучи, указывают растениям, когда надо распускать почки, а когда — сбрасывать листву, готовясь к зиме.
Как передавали информацию в прошлом и о научных открытиях в этой области вы можете узнать из материалов электронного приложения к учебнику.
САМОЕ ГЛАВНОЕ
Человек постоянно участвует в действиях, связанных с приёмом и передачей информации.
Любой процесс передачи информации можно представить следующей схемой: источник информации → информационный канал → приёмник информации.
Телефон, телеграф, телевидение, Интернет — современные информационные каналы.
Вопросы и задания
1. Приведите пример обмена информацией между людьми. Кто в вашем примере является источником информации, а кто — приёмником?
2. Приведите пример источника информации и расскажите о нём.
3. Чем отличается источник информации от приёмника?
4. Является ли природа источником информации для человека? Приведите пример из собственной жизни.
5. Вспомните сказку А. С. Пушкина о царе Салтане. Пока Салтан воевал, царица родила сына — царевича Гвидона:
… Шлёт с письмом она гонца,
Чтоб порадовать отца.
А ткачиха с поварихой,
С сватьей бабой Бабарихой Извести её хотят,
Перенять гонца велят;
Сами шлют гонца другого …
Назовите источник информации, её приёмник и информационный канал. Кто в данной ситуации создавал помехи для качественной передачи информации?
6. Какие источники информации использовали следующие персонажи сказок А. С. Пушкина:
1) царевич Елисей, искавший свою невесту;
2) злая мачеха, задумавшая извести свою падчерицу и доверявшая только одному источнику информации;
3) царь Салтан, чтобы узнать о дальних странах;
4) царевич Гвидон, чтобы узнать о диковинках;
5) царь Дадон, чтобы узнать о набегах врагов?
7. Определите источник и приёмник информации, а также характер (односторонний, двусторонний) передачи информации в следующих ситуациях:
1) школьник читает текст в учебнике;
2) бабушка читает письмо;
3) мальчик просыпается от звонка будильника;
4) разговаривают подруги Таня и Лена;
5) учитель объясняет новый материал классу;
6) регулировщик управляет потоками машин и пешеходов;
7) человек читает объявление в газете;
8) завуч вывешивает листочек с изменениями в расписании уроков;
9) диспетчер сообщает, что автобусный рейс отменяется;
10) вывешен знак, запрещающий проезд по улице;
11) мальчик получил пригласительный билет на ёлку.
Электронное приложение к уроку
 |
 |
 |
||
| Презентации, плакаты, текстовые файлы | Вернуться к материалам урока | Ресурсы ЕК ЦОР |
Cкачать материалы урока
Работа в локальной сети компьютерного класса в режиме обмена файлами
Главная | Информатика и информационно-коммуникационные технологии | Планирование уроков и материалы к урокам | 8 классы | Планирование уроков на учебный год | Работа в локальной сети компьютерного класса в режиме обмена файлами
Содержание урока
Практическое занятие. Практическое задание №1
Передача информации по техническим каналам связи
Передача информации по техническим каналам связи
Схема Шеннона
Американский ученый, один из основателей теории информации, Клод Шеннон предложил схему процесса передачи информации по техническим каналам связи (рис. 1.3).
Рис. 1.3. Схема технической системы передачи информации
Работу такой схемы можно пояснить на знакомом всем процессе разговора по телефону. Источник информации — говорящий человек. Кодирующее устройство — микрофон телефонной трубки, с помощью которого звуковые волны (речь) преобразуются в электрические сигналы. Канал связи — телефонная сеть (провода, коммутаторы телефонных узлов, через которые проходит сигнал). Декодирующее устройство — телефонная трубка (наушник) слушающего человека — приемника информации. Здесь пришедший электрический сигнал превращается в звук.
Здесь передача информации производится в форме непрерывного электрического сигнала. Это аналоговая связь.
Кодирование и декодирование информации
Под кодированием понимается любое преобразование информации, идущей от источника, в форму, пригодную для ее передачи по каналу связи.
На заре эры радиосвязи применялся код азбуки Морзе. Текст преобразовывался в последовательность точек и тире (коротких и длинных сигналов) и передавался в эфир. Принимавший на слух такую передачу человек должен был суметь декодировать код обратно в текст. Еще раньше азбука Морзе использовалась в телеграфной связи. Передача информации с помощью азбуки Морзе — пример дискретной связи.
В настоящее время широко используется цифровая связь, когда передаваемая информация кодируется в двоичную форму (0 и 1 — двоичные цифры), а затем декодируется в текст, изображение, звук. Цифровая связь, очевидно, тоже является дискретной.
Шум и защита от шума. Теория кодирования Шеннона
Информация по каналам связи передается посредством сигналов различной физической природы: электрических, электромагнитных, световых, акустических. Информационное содержание сигнала заключается в значении или в изменении значения его физической величины (силы тока, яркости света и пр.). 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, передаваемых по одним и тем же каналам. Часто, беседуя по телефону, мы слышим шум, треск, мешающие понять собеседника, или на наш разговор накладывается разговор других людей. В таких случаях необходима защита от шума.
В первую очередь применяются технические способы защиты каналов связи от воздействия шумов. Такие способы бывают самыми разными, иногда простыми, иногда очень сложными. Например, использование экранированного кабеля вместо «голого» провода; применение разного рода фильтров, отделяющих полезный сигнал от шума, и пр.
К. Шеннон разработал специальную теорию кодирования, дающую 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. Например, если при разговоре по телефону вас плохо слышно, то, повторяя каждое слово дважды, вы имеете больше шансов на то, что собеседник поймет вас правильно.
Однако нельзя делать избыточность слишком большой. Это приведет к задержкам и удорожанию связи. Теория кодирования Шеннона как раз и позволяет получить такой код, который будет оптимальным. При этом избыточность передаваемой информации будет минимально возможной, а достоверность принятой информации — максимальной.
В современных системах цифровой связи часто применяется следующий прием борьбы с потерей информации при передаче. Все сообщение разбивается на порции — пакеты. Для каждого пакета вычисляется контрольная сумма (сумма двоичных цифр), которая передается вместе с данным пакетом. В месте приема заново вычисляется контрольная сумма принятого пакета, и если она не совпадает с первоначальной, то передача данного пакета повторяется. Так происходит до тех пор, пока исходная и конечная контрольные суммы не совпадут.
Коротко о главном
Любая техническая система передачи информации состоит из источника, приемника, устройств кодирования и декодирования и канала связи.
Под кодированием понимается преобразование информации, идущей от источника, в форму, пригодную для ее передачи по каналу связи. Декодирование — это обратное преобразование.
Шум — это помехи, приводящие к потере информации.
В теории кодирования разработаны методы представления передаваемой информации с целью уменьшения ее потерь под воздействием шума.
Вопросы и задания
1. Назовите основные элементы схемы передачи информации, предложенной К. Шенноном.
2. Что такое кодирование и декодирование при передаче информации?
3. Что такое шум? Каковы его последствия при передаче информации?
4. Какие существуют способы борьбы с шумом?
ЕК ЦОР: Часть 2, заключение, дополнение к главе 1, § 1.1. ЦОР № 1.
Передача информации — Википедия
Материал из Википедии — свободной энциклопедии
У этого термина существуют и другие значения, см. Связь.Передача информации — физический процесс, посредством которого осуществляется перемещение знаков (сведений, способных предоставлять информацию) в пространстве или осуществляется физический доступ субъектов к знакам.
Передача информации — заблаговременно организованное техническое мероприятие, результатом которого становится воспроизведение информации, имеющейся в одном месте (так называемый источник информации), в другом месте (приёмник информации). Данное мероприятие предполагает предсказуемый срок получения указанного результата; «информация» здесь понимается в техническом аспекте, как осмысленное множество символов, чисел, параметров абстрактных или физических объектов, без достаточного «объёма» которого не могут быть решены задачи управления, выживания, развлечения, совершения финансовых операций, каких-либо действий, в т.ч. преступных, и т.д.
Для осуществления передачи информации необходимо наличие, с одной стороны, так называемого «запоминающего устройства», или «носителя», обладающего возможностью перемещения в пространстве и времени между «источником» и «приёмником». С другой стороны, необходимы заранее известные «источнику» и «приемнику» правила и способы нанесения и снятия информации с «носителя». С третьей стороны, «носитель» должен продолжать существовать как таковой к моменту прибытия в пункт назначения (к моменту окончания снятия с него информации «приёмником»).
В качестве «носителей» на современном этапе развития техники используются как вещественно-предметные, так и волново-полевые объекты физической природы. Носителями могут быть при определённых условиях и сами передаваемые «информационные объекты» (виртуальные носители).
Передача информации в повседневной практике осуществляется по описанной схеме как «вручную», так и с помощью различных автоматов, со множеством разновидностей технических реализаций.
При построении систем передачи информации может «передаваться» не только информация о физических объектах, но и информация о подготовленных к передаче носителях. Таким образом, организуется иерархическая «среда передачи» с любой глубиной вложенности (не путать со средой распространения волновых носителей).
Виды:
- и пр. виды.
Первое упоминание о передаче информации на дальние расстояния описано в древнегреческом мифе о Тесее (в случае победы над минотавром Тесей должен был поднять белый парус на своём корабле). Кроме таких визуальных сигналов, как дым, маяки, гелиограф, сигналы семафоров и флажков, использовались и аудиосигналы (бой барабанов, звуковые рожки и свистки). Сторожевые посты стали первыми системами неэлектрической связи[1].
Необходимость передавать не только сигналы тревоги, но и сообщения различного характера привела к созданию специальных кодов и обозначений.
В настоящее время передача информации на дальние расстояния осуществляется с использованием таких электрических устройств, как телеграф, телефон, телетайп, с использованием радио и СВЧ-связи, а также ВОЛС, спутниковой связи и глобальной сети Интернет.
- ↑ Румпф, К. Г. Барабаны, телефон, транзисторы. — Москва: Мир, 1974. — 232 с.
- Ричард Рид (Richard Read). Основы теории передачи информации = The Essence of Communication Theory (Essence of Engineering). — М.: «Вильямс», 2004. — С. 304. — ISBN 0-13-521022-4.
НОУ ИНТУИТ | Лекция | Передача информации
Аннотация: Передача информации является одним из основных информационных процессов. Передача информационных сообщений происходит при устном общении людей, при разговоре по телефону, при использовании визуальных сигналов (жесты, специальные сигналы с использованием флажков, световых приборов), а также с применением различных технических средств связи (телеграф, радио и т.п.).
Модель процесса передачи. Двоичный симметричный канал
Обработка информации в вычислительных системах невозможна без передачи сообщений между отдельными элементами (оперативной памятью и процессором, процессором и внешними устройствами). Примеры процессов передачи данных приведены в следующей таблице.
| Передатчик | Канал | Приемник | |
|---|---|---|---|
| Разговор людей | Голосовой аппарат человека | Воздушная среда. Акустические колебания | Слуховой аппарат человека |
| Телефонный разговор | Микрофон | Проводник. Переменный электрический ток | Динамик |
| Передача данных в сети Интернет | Модулятор | Проводник. Оптоволоконный кабель. Переменный электрический ток. Оптический сигнал | Демодулятор |
| Радиотелефон, рация | Радиопередатчик | Эфир. Электромагнитные волны | Радиоприемник |
В перечисленных выше процессах передачи можно усмотреть определенное сходство. Общая схема передачи информации [31], [33], [32] показана на рис.7.1.
В канале сигнал подвергается различным воздействиям, которые мешают процессу передачи. Воздействия могут быть непреднамеренными (вызванными естественными причинами) или специально организованными (созданными) с какой-то целью некоторым противником. Непреднамеренными воздействиями на процесс передачи (помехами) могут являться уличный шум, электрические разряды (в т. ч. молнии), магнитные возмущения (магнитные бури), туманы, взвеси (для оптических линий связи) и т.п.
Рис. 7.1. Общая схема передачи информации
Для изучения механизма воздействия помех на процесс передачи данных и способов защиты от них необходима некоторая модель. Процесс возникновения ошибок описывает модель под названием двоичный симметричный канал (ДСК) [32], [33], схема которой показана на рис.7.2.
Рис. 7.2. Схема двоичного симметричного канала
При передаче сообщения по ДСК в каждом бите сообщения с вероятностью может произойти ошибка, независимо от наличия ошибок в других битах. Ошибка заключается в замене знака 0 на 1 или 1 на 0.
Некоторые типы ошибок:
- замена знака 0 на 1 или 1 на 0 ;
- вставка знака ;
- пропуск знака .
Чаще других встречается замена знака. Этот тип ошибок исследован наиболее полно.
Способы повышения надежности передачи сообщений
Если при кодировании сообщений используются оптимальные коды, то при появлении всего лишь одной ошибки все сообщение или его значительная часть может быть искажена. Рассмотрим пример. Пусть кодирование элементарных сообщений источника осуществляется с использованием кодовой таблицы
Тогда закодированное сообщение имеет вид 011011100110. Если в первом знаке произойдет ошибка, то будет принято сообщение 111011100110, которое декодируется в слово . Полное искажение сообщения из-за одной ошибки происходит вследствие того, что одно кодовое слово переходит в другое кодовое слово в результате замены одного или нескольких знаков. Пример показывает, что оптимальное кодирование плохо защищает сообщения от воздействия ошибок.
На практике необходим компромисс между экономностью кода и защитой от ошибок.
Сначала удаляется «бесполезная» избыточность (в основном статистическая), а затем добавляется «полезная» избыточность, которая помогает обнаруживать и исправлять ошибки.
Рассмотрим некоторые методы повышения надежности передачи данных. Широко известными методами борьбы с помехами являются следующие [34]:
- передача в контексте;
- дублирование сообщений;
- передача с переспросом.
Рассмотрим подробней каждый из этих способов.
- Передача в контексте. С этим хорошо известным и общепринятым способом сталкивался каждый, кто, пытаясь передать по телефону с плохой слышимостью чью-либо фамилию, называл вместо букв, ее составляющих, какие-нибудь имена, первые буквы которых составляют данную фамилию. В данном случае правильному восстановлению искаженного сообщения помогает знание его смыслового содержания.
- Дублирование сообщений. Этот способ тоже широко применяется в житейской практике, когда для того, чтобы быть правильно понятым, нужное сообщение повторяют несколько раз.
- Передача с переспросом. В случае, когда получатель имеет связь с источником сообщений, для надежной расшифровки сообщений пользуются переспросом, т. е. просят повторить все переданное сообщение или часть его.
Общим во всех этих способах повышения надежности является введение избыточности, то есть увеличение тем или иным способом объема передаваемого сообщения для возможности его правильной расшифровки при наличии искажений.
Следует отметить, что введение избыточности уменьшает скорость передачи информации, так как только часть передаваемого сообщения представляет интерес для получателя, а избыточная его доля введена для предохранения от шума и не несет в себе полезной информации.
Естественно выбирать такие формы введения избыточности, которые позволяют при минимальном увеличении объема сообщения обеспечивать максимальную помехоустойчивость.
Принципы обнаружения и исправления ошибок с использованием кодов
Способы введения избыточности, позволяющие обнаруживать и исправлять ошибки, можно разделить на два класса, один из которых соответствует блоковым кодам, а другой — сверточным кодам [33]. Обе схемы кодирования применяются на практике. При блоковом кодировании последовательность, составленная из полученных в результате коди-рования источника кодовых слов, разбивается на блоки одинаковой длины. Каждый блок перед отправкой в канал обрабатывается независимо от других. Выход устройства, выполняющего сверточное кодирование, напротив, зависит не только от обрабатываемых в данный момент знаков, но и от предыдущих знаков. Остановимся более подробно на блоковом кодировании.
Как было показано ранее, ошибка в одном лишь разряде может испортить все сообщение. Чтобы избежать таких тяжелых последствий, сообщения, закодированные каким-либо экономным кодом, перед направлением в канал делятся на блоки одинаковой длины и каждый блок передается отдельно. При этом методы, позволяющие обнаруживать и исправлять ошибки, применяются к каждому блоку. Такой прием напоминает разделение большого судна на несколько изолированных друг от друга отсеков, что позволяет при пробоине в одном отсеке сохранить судно и груз в других отсеках.
Рассмотрим схему передачи данных, показанную на рис.7.3.
С кодирующего устройства в канал поступают закодированные блоки (кодовые слова) одинаковой длины . В канале в результате действия различных помех в некоторых битах передаваемого сообщения могут происходить ошибки. Процедуру кодирования при передаче и
Рис. 7.3. Схема передачи данных
декодирования при приеме с использованием одной и той же кодовой таблицы иллюстрируем рис.7.4. Предполагается, что появление ошибок описывается моделью дискретного симметричного канала
Рис. 7.4. Использование кодовой таблицы для кодирования и декодирования
В геометрической интерпретации эти блоки можно рассматривать как точки n-мерного пространства , где . Точки этого пространства представляют собой последовательности чисел 0 и 1 длины . Пространства для можно представить в виде угловых точек единичного интервала (), вершин квадрата со стороной, равной 1 (), и вершин куба с ребрами длины 1 (). Эти пространства условно изображены на рис.7.5.
Код, используемый для обнаружения и исправления ошибок, представляет собой некоторое подмножество пространства . В качестве примера можно привести код . Кодовые слова этого кода как точки пространства изображены на рис. 7.6 белыми кружками. Если представить куб расположенным в трехмерном пространстве, то словам данного кода соответствуют вершины тетраэдра. Более полезным
Рис. 7.5. Геометрическое представление пространства Bn для n = 1, 2 и 3
с практической точки зрения является то, что каждое слово кода содержит четное число единиц. Если при передаче кодового слова через канал произойдет одна ошибка, то число единиц в слове станет нечетным. Проверяя свойство четности числа единиц в слове после получения его из канала на приемном конце, можно обнаружить одну ошибку. В данном случае для кодирования четырех знаков используется 3 двоичных разряда, хотя достаточно двух. Однако благодаря такой избыточности удается обнаружить одну ошибку.
Рис. 7.6. Код в B3, обнаруживающий одну ошибку
В соответствии с общей схемой передачи сообщений в кодирующем и декодирующем устройствах используется одна и та же кодовая таблица и, следовательно, множество кодовых слов. При передаче кодового слова через канал возможны следующие ситуации.
Передавалось и было получено некоторое кодовое слово . Эта ситуация, которая показана в верхней части рис.7.7, соответствует отсутствию ошибок при передаче.
Передавалось кодовое слово ci, а получено было сообщение, которое не является кодовым словом. При попытке декодировать это сообщение будет обнаружено, что такого слова в кодовой таблице нет. Это означает, что ошибка, произошедшая при передаче и исказившая кодовое слово, обнаружена. Эта ситуация изображена в средней части рис.7.7.
Рис. 7.7. Возможные варианты передачи кодового слова через канал
В процессе передачи кодовое слово может так исказиться из-за ошибок, что оно превратится в другое кодовое слово . В этом случае ошибка не обнаруживается, поскольку полученное сообщение также является кодовым словом, и декодирование будет выполнено неверно. Такая ситуация показана в нижней части рис.7.7.
