Схема передачи информации показывает отношения. Передача информации. Пропускная способность канала связи
Специфика различных областей применения систем передачи информации требует различного подхода к реализации таких систем. Система передачи по телефонным каналам связи, например, совершенно не похожа на систему космической связи или тропосферной ни по техническому исполнению, ни по параметрам. Однако в принципах построения и назначении отдельных устройств самых разных систем много общего. В общем случае схема системы передачи информации показана на рис. 2 .
Можно передавать самые различные по физической природе сообщения: цифровые данные, полученные от ЭВМ, речь, тексты телеграмм, команды управления, результаты измерений различных физических величин. Естественно, что все эти сообщения предварительно должны быть преобразованы в электрические колебания, сохраняющие все свойства исходных сообщений, а затем унифицированы, т. е. представлены в форме, удобной
для последующей передачи. Под источником информации на рис. 2 понимается устройство, в котором выполнены все названные нами ранее операции.
Для более экономного использования линии связи, а также для уменьшения влияния различных помех и искажений передаваемая от источника информация может быть в дальнейшем преобразована с помощью кодирующего устройства.
Рис. 2. Структурная схема передачи информации.
Это преобразование, как правило, состоит из ряда операций, включающих учет статистики поступающей информации для устранения избыточности (статистическое кодирование), а также введение дополнительных элементов для уменьшения влияния помех и искажений (помехоустойчивое кодирование).
В результате ряда преобразований на выходе кодирующего устройства образуется последовательность элементов, которая с помощью передатчика преобразуется в форму, удобную для передачи по линии связи. Линия связи - это среда, по которой происходит передача сигналов от передатчика к приемнику. Учет влияния среды необходим. В теории передачи информации часто встречается понятие «канал связи» - это совокупность средств, обеспечивающих передачу сигналов.
На вход приемника, кроме сигналов, прошедших среду, попадают также различные помехи. Приемник выделяет из смеси сигнала и помех последовательность, которая должна соответствовать последовательности на выходе кодирующего устройства. Однако из-за действия помех, влияния среды, погрешностей различных преобразований полное соответствие получить невозможно. Поэтому такая последовательность вводится в декодирующее устройство, которое выполняет операции по ее преобразованию в последовательность, соответствующую переданной. Полнота этого соответствия зависит от ряда факторов: корректирующих возможностей кодированной последовательности, уровня сигнала и помех, а также их статистики, свойств декодирующего устройства. Сформированная в результате декодирования последовательность поступает к получателю информации. Естественно, что при проектировании систем передачи информации всегда стремятся обеспечить такие условия работы, чтобы отличие информации, получаемой от источника, от информации, передаваемой получателю, было невелико и не превышало некоторой допустимой величины. В данном случае основным показателем качества передачи является достоверность передачи информации - степень соответствия принятого сообщения переданному .
Общая схема передачи информации в линии связи
Ранее источник информации был определен как объект или субъект, порождающий информацию и имеющий возможность представить ее в виде сообщения, т.е. последовательности сигналов в материальном носителе. Другими словами, источник связывает информацию с ее материальным носителем. Передача сообщения от источника к приемнику всегда связана с некоторым нестационарным процессом, происходящим в материальной среде. Это условие является обязательным, поскольку сама информация материальным объектом или формой существования материи не является. Способов передачи информации существует множество: почта, телефон, радио, телевидение, компьютерные сети и пр. Однако при всем разнообразии конкретной реализации способов связи в них можно выделить общие элементы, представленные на схеме (рис. 9).
Возможна ситуация, когда кодирующее устройство оказывается внешним по отношению к источнику информации, например, телеграфный аппарат или компьютер по отношению к работающему на нем оператору. Далее коды должны быть переведены в последовательность материальных сигналов, т. е. помещены на материальный носитель - эту операцию выполняет преобразователь. Преобразователь может быть совмещен с кодирующим устройством (например, телеграфный аппарат),
Рис. 9.
связи может являться и самостоятельным элементом линии связи (например, модем, преобразующий электрические дискретные сигналы с частотой компьютера в аналоговые сигналы с частотой, на которой их затухание в телефонных линиях будет наименьшим). К преобразователям относят также устройства, которые переводят сообщение с одного носителя на другой, например, мегафон или телефонный аппарат, преобразующие голосовые сигналы в электрические; радиопередатчик, преобразующий голосовые сигналы в радиоволны; телекамера, преобразующая изображение в последовательность электрических импульсов. В общем случае при преобразовании выходные сигналы не полностью воспроизводят все особенности сообщения на входе, а лишь его существенные стороны, т. е. при преобразовании часть информации теряется. Например, полоса пропускания частот при телефонной связи от 300 до 3400 Гц, в то время как частоты, воспринимаемые человеческим ухом, лежат в интервале - 16-20 000 Гц (т. е. телефонные линии «обрезают» высокие частоты, что приводит к искажениям звука); в черно-белом телевидении при преобразовании теряется цвет изображения. Именно в связи с этим встает задача выработки такого способа кодирования сообщения, который обеспечивал бы возможно более полное представление исходной информации при преобразовании и в то же время был бы согласован со скоростью передачи информации по данной линии связи.
После преобразователя сигналы поступают и распространяются по каналу связи. Понятие «канал связи» включает в себя материальную среду, а также физический или иной процесс, посредством которого осуществляется передача сообщения, т. е. распространение сигналов в пространстве с течением времени. В таблице 10 приведены примеры некоторых каналов связи.
Любой реальный канал связи подвержен внешним воздействиям, в нем также могут происходить внутренние процессы, в результате которых искажаются передаваемые сигналы и, следовательно, связанное с ними сообщение. Такие воздействия называются шумами (помехами). Источники помех могут быть внешними,
Каналы связи
Таблица 10
|
Канал связи |
Среда |
Носитель сообщения |
Процесс, используемый для передачи сообщений |
|
Почта, курьеры |
Среда обитания человека |
Механическое перемещение носителя |
|
|
Телефон, компьютерные сети |
Проводник |
Электрический ток |
Перемещение электрических зарядов |
|
Радио, телевидение |
Электромагнитное |
Электромагнитные |
Распространение электромагнитных волн |
|
Световые волны |
Распространение световых волн |
||
|
Звуковые волны |
Распространение звуковых волн |
||
|
Обоняние, вкус |
Воздух, пища |
Химические вещества |
Химические реакции |
|
Осязание |
Поверхность кожи |
Объект, воздействующий на органы осязания |
Теплопередача, давление |
После прохождения сообщения по каналу связи сигналы с помощью приемного преобразователя переводятся в последовательность кодов, которые декодирующим устройством представляются в форме, необходимой приемнику информации. На этапе приема, как и при передаче, преобразователь может быть совмещен с декодирующим устройством (например, радиоприемник или телевизор) или существовать самостоятельно (например, модем).
Понятие «линия связи» объединяет все элементы, представленные на схеме, - от источника до приемника информации. Характеристиками любой линии связи являются скорость, с которой возможна передача сообщения в ней, а также степень искажения сообщения в процессе передачи. Из этих параметров вычленим те, что относятся непосредственно к каналу связи, т. е. характеризуют среду и процесс передачи.
Характеристики канала связи
Далее рассмотрим каналы связи, передача сообщений по которым осуществляется за счет электрических импульсов. С практической точки зрения, а также для компьютерных линий связи эти каналы представляют наибольший интерес.
Ширина полосы пропускания
Любой преобразователь, работа которого основана на использовании колебаний (электрических или механических) может формировать и пропускать сигналы из ограниченной области частот. (Пример с телефонной связью приводился выше.) То же следует отнести к радио и телевизионной связи: весь частотный спектр разделен на диапазоны (ДВ, СВ, KBI, КВП, УКВ, ДМ В), в пределах которых каждая станция занимает свой поддиапазон, чтобы не мешать вещанию других.
Интервал частот, используемый данным каналом связи для передачи сигналов, называется шириной полосы пропускания.
Для построения теории важна не сама ширина полосы пропускания, а максимальное значение частоты из данной полосы (v m), поскольку именно ей определяется возможная скорость передачи информации по каналу.
Длительность элементарного импульса может быть определена из следующих соображений. Если параметр сигнала меняется синусоидально, то, как видно из рисунка, за один период колебания Т сигнал будет иметь одно максимальное значение и одно минимальное.
Рис. 10.
Если аппроксимировать синусоиду прямоугольными импульсами и сместить начало отсчета на уровень минимального значения, получится, что сигнал принимает всего два значения: максимальное (обозначим его «1») - импульс, минимальное (можно обозначить «О») - пауза. Импульс и паузу можно считать элементарными сигналами; при выбранной аппроксимации их длительности очевидно одинаковы и равны:
Если же импульсы порождаются тактовым генератором, имеющим частоту v m , то
Таким образом, каждое т 0 секунд можно передавать импульс или паузу, связывая с их последовательностью определенные коды. Использовать сигналы большей длительности, чем т 0 , в принципе, возможно (например, 2т 0) - это не приведет к потере информации, хотя снизит скорость ее передачи по каналу. Использование же сигналов более коротких, чем т 0 , может привести к информационным потерям, поскольку сигналы тогда будут принимать какие-то промежуточные значения между минимальным и максимальным, что затруднит их интерпретацию.
Таким образом, v m определяет длительность элементарного сигнала т 0 , используемого для передачи сообщения.
Пропускная способность канала связи
Если с передачей одного импульса связано количество информации 1. тр, а передается оно за время т 0 , отношение I к т 0 , очевидно, будет отражать среднее количество информации, передаваемое по каналу за единицу времени, - эта величина является характеристикой канала связи и называется пропускной способностью канала С:
Если Г тр выражено в битах, а т 0 - в секундах, то единицей измерения С будет бит/с. Раньше такая единица называлась бод, однако название не прижилось, и по этой причине пропускная способность канала связи измеряется в бит/с. Производными единицами являются:
- 1 Кбит/с = 10 3 бит/с,
- 1 Мбит/с = 10 6 бит/с,
- 1 Гбит/с = 10 9 бит/с.
Скорость передачи информации
Пусть по каналу связи за время t передано количество информации I. Можно ввести величину, характеризующую быстроту передачи информации, - скорость передачи информации J:
Размерностью J, как и С, является бит/с. Каково соотношение этих характеристик? Поскольку т 0 - минимальная длительность элементарного сигнала, очевидно, что С соответствует максимальной скорости передачи информации по данной линии связи, т. е. J J max Таким образом, максимальная скорость передачи информации по каналу связи равна его пропускной способности.
Энтропия и информация
Случайные события могут быть описаны с использованием понятия «вероятность». Соотношения теории вероятностей позволяют найти (вычислить) вероятности как одиночных случайных событий, так и сложных опытов, объединяющих несколько независимых или связанных между собой событий. Однако описать случайные события можно не только в терминах вероятностей.
То, что событие случайно, означает отсутствие полной уверенности в его наступлении, что, в свою очередь, создает неопределенность в исходах опытов, связанных с данным событием. Безусловно, степень неопределенности различна для разных ситуаций. Например, если опыт состоит в определении возраста случайно выбранного студента 1-го курса дневного отделения вуза, то с большой долей уверенности можно утверждать, что он окажется менее 30 лет; хотя по положению на дневном отделении могут обучаться лица в возрасте до 35 лет, чаще всего очно учатся выпускники школ ближайших нескольких выпусков. Гораздо меньшую определенность имеет аналогичный опыт, если проверяется, будет ли возраст произвольно выбранного студента меньше 18 лет. Для практики важно иметь возможность произвести численную оценку неопределенности разных опытов. Попробуем ввести такую количественную меру неопределенности.
Начнем с простой ситуации, когда опыт имеет п равновероятных исходов. Очевидно, что неопределенность каждого из них зависит от п, т. е. мера неопределенности является функцией числа исходов f(n).
Можно указать некоторые свойства этой функции:
- 1. f(l) = 0, поскольку при п = 1 исход опыта не является случайным и, следовательно, неопределенность отсутствует;
- 2. f(n) возрастает с ростом п, поскольку чем больше число возможных исходов, тем более затруднительным становится предсказание результата опыта.
Единица измерения неопределенности при двух возможных равновероятных
исходах опыта называется бит.
Установлен явный вид функции, описывающей меру неопределенности опыта, имеющего п равновероятных исходов:
Эта величина получила название энтропия. В дальнейшем будем обозначать ее Н. Утверждение. Энтропия равна информации относительно опыта, которая содержится в нем самом.
Можно уточнить:
Энтропия опыта равна той информации, которую получаем в результате его осуществления.
Свойства информации:
- 1. /(а,Р) > 0, причем /(а,|3) = 0 опыты аир независимы.
- 2. /(а,р) = /(Р,а), т. е. информация симметрична относительно последовательности опытов.
3.
5 т. е. информация опыта равна среднему значению количества информации, содержащейся в каком-либо одном его исходе.
Легко получить следствие формулы
для случая, когда
все п исходов равновероятны. В этом случае все и, следовательно,
Эта формула была выведена в 1928 г. американским инженером Р. Хартли и носит его имя. Она связывает количество равновероятных состояний (п) и количество информации в сообщении (/), что любое из этих состояний реализовалось. Ее смысл в том, что, если некоторое множество содержит п элементов и х принадлежит данному множеству, то для его выделения (однозначной идентификации) среди прочих требуется количество информации, равное log 2 «.
Частным случаем применения формулы Хартли является ситуация, когда п = 2 к. Подставляя это значение в формулу Хартли, очевидно, получим:
Формула Шеннона
Известны вероятности
, с которыми система принимает одно из своих состояний
- формула Шеннона - энтропия системы - формула измерения количества информации.
Свойства энтропии
2.
. (Формула Хартли)
Это случай максимальной энтропии.
Первая теорема Шеннона.
При отсутствии помех всегда возможен такой вариант кодирования сообщения, при котором избыточность кода будет сколь угодно близкой к нулю.
Вторая теорема Шеннона.
При передаче информации по каналу с шумом всегда имеется способ кодирования, при котором сообщение будет передаваться со сколь угодно высокой достоверностью, если скорость передачи не превышает пропускной способности канала.
Используя ресурсы Интернет, найти ответы на вопросы:
Задание 1
1. Что представляет из себя процесс передачи информации?
Передача информации - физический процесс, посредством которого осуществляется перемещение информации в пространстве. Записали информацию на диск и перенесли в другую комнату. Данный процесс характеризуется наличием следующих компонентов:
2. Общая схема передачи информации
3. Перечислите известные вам каналы связи
По типу среды распространения каналы связи делятся на:
4. Что такое телекоммуникации и компьютерные телекоммуникации?Телекоммуникации
(греч. tele - вдаль, далеко и
лат. communicatio - общение) - это передача и прием любой информации
(звука, изображения, данных, текста) на расстояние по различным
электромагнитным системам (кабельным и оптоволоконным каналам,
радиоканалам и другим проводным и беспроводным каналам связи).
Телекоммуникационная сеть
- это система технических средств, посредством которой осуществляются телекоммуникации.
К телекоммуникационным сетям относятся:
1. Компьютерные сети (для передачи данных)
2. Телефонные сети (передача голосовой информации)
3. Радиосети (передача голосовой информации - широковещательные услуги)
4. Телевизионные сети (передача голоса и изображения - широковещательные услуги)
Компьютерные телекоммуникации - телекоммуникации, оконечными устройствами которых являются компьютеры.
Передача информации с компьютера на компьютер называется синхронной связью, а через промежуточную ЭВМ, позволяющую накапливать сообщения и передавать их на персональные компьютеры по мере запроса пользователем, - асинхронной.
Компьютерные телекоммуникации начинают внедряться в образование. В высшей школе их используют для координации научных исследований, оперативного обмена информацией между участниками проектов, обучения на расстоянии, проведения консультаций. В системе школьного образования - для повышения эффективности самостоятельной деятельности учащихся, связанной с разнообразными видами творческих работ, включая и учебную деятельность, на основе широкого использования исследовательских методов, свободного доступа к базам данных, обмена информацией с партнерами как внутри страны, так и за рубежом.
5. Что такое пропускная способность канала передачи информации?Пропускная способность - метрическая характеристика , показывающая соотношение предельного количества проходящих единиц (информации , предметов, объёма) в единицу времени через канал, систему, узел.
В информатике определение пропускной способности обычно применяется к каналу связи и определяется максимальным количеством переданной/полученной информации за единицу времени.
Пропускная способность - один из важнейших с точки зрения пользователей факторов. Она оценивается количеством данных, которые сеть в пределе может передать за единицу времени от одного подсоединенного к ней устройства к другому.
Скорость передачи информации зависит в значительной степени от скорости её создания (производительности источника), способов кодирования и декодирования. Наибольшая возможная в данном канале скорость передачи информации называется его пропускной способностью. Пропускная способность канала, по определению, есть скорость передачи информации при использовании «наилучших» (оптимальных) для данного канала источника, кодера и декодера, поэтому она характеризует только канал.
Ранее источник информации был определен как объект или субъект, порождающий информацию и имеющий возможность представить ее в виде сообщения, т.е. последовательности сигналов в материальном носителе. Другими словами, источник связывает информацию с ее материальным носителем. Передача сообщения от источника к приемнику всегда связана с некоторым нестационарным процессом, происходящим в материальной среде - это условие является обязательным, поскольку сама информация материальным объектом или формой существования материи не является. Способов передачи информации существует множество: почта, телефон, радио, телевидение, компьютерные сети и пр. Однако при всем разнообразии конкретной реализации способов связи в них можно выделить общие элементы, представленные на рис.5.1.
Понимать схему нужно следующим образом. Источник, порождающий информацию, для передачи должен представить ее в виде сообщения, т.е. последовательности сигналов. При этом для представления информации он должен использовать некоторую систему кодирования. Устройство, выполняющее операцию кодирования информации, может являться подсистемой источника (например, наш мозг порождает информацию и он же кодирует эту информацию с помощью языка, а затем представляет в виде речевого сообщения посредством органов речи; компьютер обрабатывает и хранит информацию в двоичном представлении, но при выводе ее на экран монитора производит ее перекодировку к виду, удобному пользователю).
Возможна ситуация, когда кодирующее устройство оказывается внешним по отношению к источнику информации, например, телеграфный аппарат или компьютер по отношению к работающему на нем оператору. Далее коды должны быть переведены в последовательность материальных сигналов, т.е. помещены на материальный носитель - эту операцию выполняет преобразователь. Преобразователь может быть совмещен с кодирующим устройством (например, телеграфный аппарат), но может быть и самостоятельным элементом линии связи (например, модем, преобразующий электрические дискретные сигналы с частотой компьютера в аналоговые сигналы с частотой, на которой их затухание в телефонных линиях будет наименьшим). К преобразователям относят также устройства, которые переводят сообщение с одного носителя на другой, например, мегафон или телефонный аппарат, преобразующие голосовые сигналы в электрические; радиопередатчик, преобразующие голосовые сигналы в радиоволны; телекамера, преобразующая изображение в последовательность электрических импульсов. В общем случае при преобразовании выходные сигналы не полностью воспроизводят все особенности сообщения на входе, а лишь его существенные стороны, т.е. при преобразовании часть информации теряется. Например, полоса пропускания частот при телефонной связи от 300 до 3400 Гц, в то время как частоты, воспринимаемые человечески ухом, лежат в интервале 16 - 20000 Гц (т.е. телефонные линии «обрезают» высокие частоты, что приводит к искажениям звука); в черно-белом телевидении при преобразовании теряется цвет изображения. Именно в связи с этим встает задача выработки такого способа кодирования сообщения, который обеспечивал бы возможно более полное представление исходной информации при преобразовании и, в то же время, был согласован со скоростью передачи информации по данной линии связи.
После преобразователя сигналы поступают и распространяются по каналу связи. Понятие канала связи включает в себя материальную среду, а также физический или иной процесс, посредством которого осуществляется передача сообщения, т.е. распространение сигналов в пространстве с течением времени. Ниже приведены примеры некоторых каналов связи.
После прохождения сообщения по каналу связи сигналы с помощью приемного преобразователя переводятся в последовательность кодов, которые декодирующим устройством представляются в форме, необходимой приемнику информации. На этапе приема, как и при передаче, преобразователь может быть совмещен с декодирующим устройством (например, радиоприемник или телевизор) или существовать самостоятельно (например, модем).
Понятие линия связи объединяет все элементы представленной на рис.5.1. схемы от источника до приемника информации. Характеристиками любой линии связи являются скорость, с которой возможна передача сообщения в ней, а также степень искажения сообщения в процессе передачи. Из этих параметров вычленим те, что относятся непосредственно к каналу связи, т.е. характеризуют среду и процесс передачи.
Схема передачи информации по сотовой связи в форме SMS-сообщения. Кодирование и декодирование заключаются в преобразовании письменного текста в последовательности электромагнитных сигналов и обратном преобразовании. Передача по каналам сотовой связи. Набор текста на клавиатуре с отражением на экране телефона и сохранение в его памяти. Сохранение в памяти принимающего аппарата. Преобразование в радиосигнал определенной частоты. Прием сигнала аппаратом адресата. Перевод во внутренний код. Передача радиосигнала. Хранение исходного текста. Кодирование – обработка текста. Декодирование – обработка радиосигнала. Хранение полученного текста.
Слайд 7 из презентации ««Передача информации» информатика» . Размер архива с презентацией 1318 КБ.Передача информации
краткое содержание других презентаций«Беспроводные технологии передачи данных» - Содержание КИМ. Выпускная аттестационная работа. Беспроводные сети датчиков. Содержание УМК. Объём программы. Практические и теоретические знания. Форма обучения. Основы технологий. Образовательные технологии. Кадровое обеспечение программы. Беспроводные технологии передачи данных. Методическое и материально-техническое обеспечение. Современные технологии.
««Передача информации» информатика» - Компьютерные сети. Распространение информации. Модель процесса передачи информации. Схема передачи информации по сотовой связи. Пропускная способность канала связи. Шум, защита от шума. Кодирование. Передача информации. Пропускная способность канала. Модель передачи информации К. Шеннона. Шеннон разработал специальную теорию кодирования. Котельников.
«Передача информации в компьютерных сетях» - Основные характеристики каналов обмена информации. Схемы могут, в свою очередь, быть организованы двумя способами. Соединить компьютеры можно двумя способами - последовательно и звездой. Глобальная компьютерная сеть. Преимущества компьютерных сетей. Тип соединения - «шина». Одноранговая локальная сеть. Тип соединения - «звезда». Передача информации. Компьютерные сети. Локальная сеть. Назовите общую характеристику каналов передачи информации.
«Процесс передачи информации» - В 1876 году в Америке был изобретен телефон. В 1895 году русский изобретатель А.С. Попов открыл радиосвязь. В 1969 году в США начала функционировать первая компьютерная сеть. Специальный код. Гонцы заучивали послания наизусть. Как передавали информацию в прошлом. Передача информации. Вопросы на засыпку. Любой процесс передачи информации. Звук барабана, особенно популярный среди африканских племен.
«Технические системы передачи информации» - Телефонные линии. Защита от шума. Шум. Пример работы модели. Современные компьютерные системы. Контрольная сумма. Модель передачи информации К. Шеннона. Теория кодирования. Передача информации по техническим каналам. Потери информации при передаче. Технические системы передачи информации. Владимир Александрович Котельников. Система основных понятий. Кодирование информации. Скорость передачи информации.