3. Модель системы передачи информации.
Процесс передачи информации представим посредством модели в виде схемы, приведенной на рисунке 3.
Рис. 3. Обобщенная модель системы передачи информации
Рассмотрим основные элементы, входящие в состав данной модели, а также преобразования информации, которые в ней происходят.
1. Источник информации или сообщения (ИИ)– это материальный объект или субъект информации, способный накапливать, хранить, преобразовывать и выдавать информацию в виде сообщений или сигналов различной физической природы. Это может быть клавиатура компьютера, человек, аналоговый выход видеокамеры и т. п.
Мы будем рассматривать два типа источников информации: если в конечном интервале времени источник информации будет создавать конечное множество сообщений, он является дискретным, а в противном случае - непрерывным. Более подробно остановимся на рассмотрении источников на следующем занятии.
Информация в виде исходного сообщения с выхода источника информации поступает на вход кодера, включающего кодер источника (КИ) и кодера канала (КК).
2. Кодер.
2.1. Кодер источника обеспечивает преобразование сообщения в первичный сигнал- множество элементарных символов.
Отметим, что код- это универсальный способ отображения информации при ее хранении, передаче и обработке в виде системы однозначных соответствий между элементами сообщений и сигналами, при помощи которых эти элементы можно зафиксировать. Кодирование всегда может быть сведено к однозначному преобразованию символов одного алфавита в символы другого. При этом код есть правило, закон, алгоритм, по которому осуществляется это преобразование.
Код представляет собой полный набор всех возможных комбинаций символов вторичного алфавита, построенных по данному закону. Комбинации символов, принадлежащие данному коду, называются кодовыми словами. В каждом конкретном случае могут быть использованы все либо часть кодовых слоев, принадлежащих данному коду. Тем более, что существуют «мощные коды», все комбинации которых практически невозможно отобразить. Поэтому под словом «код» подразумеваем прежде всего закон, по которому производится преобразование, в результате которого получаем кодовые слова, полный набор которых принадлежит данному коду, а не какому-то другому, построенному по иному закону.
Символы вторичного алфавита независимо от основания кода являются лишь переносчиками сообщений. Сообщением при этом является буква первичного алфавита безотносительно конкретного физического либо смыслового содержания, которое она отражает.
Таким образом, цель кодера источника - представление информации в наиболее компактной форме. Это нужно для того, чтобы эффективно использовать ресурсы канала связи либо запоминающего устройства. Более подробно вопросы кодирования источников будут рассмотрены в теме № 3.
2.2. Кодер канала. При передаче информации по каналу связи с помехами в принятых данных могут возникать ошибки. Если такие ошибки имеют небольшую величину или возникают достаточно редко, информация может быть использована потребителем. При большом числе ошибок полученной информацией пользоваться нельзя.
Кодирование в канале, или помехоустойчивое кодирование, представляет собой способ обработки передаваемых данных, обеспечивающий уменьшение количества ошибок, возникающих в процессе передачи по каналу с помехами.
На выходе кодера канала в результате формируется последовательность кодовых символов, называемая кодовой последовательностью. Более подробно вопросы канального кодирования будут рассмотрены в теме № 5, а также в курсе «Теории электрической связи».
Нужно отметить, что как помехоустойчивое кодирование, так и сжатие данных не являются обязательными операциями при передаче информации. Эти процедуры (и соответствующие им блоки в структурной схеме) могут отсутствовать. Однако это может привести к очень существенным потерям в помехоустойчивости системы, значительному уменьшению скорости передачи и снижению качества передачи информации. Поэтому практически все современные системы (за исключением, быть может, самых простых) должны включать и обязательно включают и эффективное и помехоустойчивое кодирование данных.
3. Модулятор. В случае необходимости передачи сообщений символам вторичного алфавита ставятся в соответствие конкретные физические качественные признаки. Процесс воздействия на закодированное сообщение с целью превращения его в сигнал называется модуляцией. Функции модулятора - согласование сообщения источника или кодовых последовательностей, вырабатываемых кодером, со свойствами линии связи и обеспечение возможности одновременной передачи большого числа сообщений по общему каналу связи.
Поэтому модулятор должен преобразовать сообщения источника или соответствующие им кодовые последовательности в сигналы, (наложить сообщения на сигналы), свойства которых обеспечивали бы им возможность эффективной передачи по существующим каналам связи. При этом сигналы, принадлежащие множеству систем передачи информации, работающих, например, в общем радиоканале, должны быть такими, чтобы обеспечивалась независимая передача сообщений от всех источников ко всем получателям информации. Подробно различные методы модуляции изучаются в курсе «Теории электрической связи».
Можно сказать, что назначением кодера и модулятора является согласование источника информации с линией связи.
4. Линия связи — это среда, в которой распространяются сигналы, несущие информацию. Не следует путать канал связи и линию связи. Канал связи — совокупность технических средств, предназначенных для передачи информации от источника к получателю.
В зависимости от среды распространения существуют радиоканалы, проводные, волоконно-оптические, акустические и т.п. каналы. Существует множество моделей, описывающих каналы связи с большей или меньшей степенью детализации, однако в общем случае сигнал , проходя по каналу связи, подвергается ослаблению, приобретает некоторую временную задержку (или фазовый сдвиг) и зашумляется.
Для повышения пропускной способности линий связи по ним могут передаваться сообщения от нескольких источников одновременно. Такой прием называется уплотнением. В этом случае сообщения от каждого источника передаются по своему каналу связи, хотя линия связи у них общая.
Математические модели каналов связи будут рассмотрены в курсе «Теории электрической связи». Информационные характеристики каналов связи будут подробно рассмотрены в рамках нашей дисциплины при изучении темы № 4.
5. Демодулятор. Принятое (воспроизведенное) сообщение из-за наличия помех в общем случае отличается от посланного. Принятое сообщение будем называть оценкой (имеется в виду оценкой сообщения).
Для воспроизведения оценки сообщения приемник системы в первую очередь должен по принятому колебанию и с учетом сведений об использованных при передаче виде сигнала и способе модуляции получить оценку кодовой последовательности, называемую принятой последовательностью. Эта процедура называется демодуляцией, детектированием или приемом сигнала. При этом демодуляция должна выполняться таким образом, чтобы принятая последовательность в минимальной степени отличалась от переданной кодовой последовательности. Вопросы оптимального приема сигналов в радиотехнических системах являются предметом изучения курса ТЭС.
6. Декодер.
6.1. Декодер канала. Принятые последовательности в общем случае могут отличаться от переданных кодовых слов, то есть содержать ошибки. Количество таких ошибок зависит от уровня помех в канале связи, скорости передачи, выбранного для передачи сигнала и способа модуляции, а также от способа приема (демодуляции). Задача декодера канала - обнаружить и, по возможности, исправить эти ошибки. Процедура обнаружения и исправления ошибок в принятой последовательности называется декодированием канала. Результатом декодирования является оценка информационной последовательности. Выбор помехоустойчивого кода, способа кодирования, а также метода декодирования должен производиться так, чтобы на выходе декодера канала осталось как можно меньше неисправленных ошибок.
Вопросам помехоустойчивого кодирования/декодирования в системах передачи (и хранения) информации в настоящее время уделяется исключительное внимание, поскольку этот прием позволяет существенно повысить качество ее передачи. Во многих случаях, когда требования к достоверности принимаемой информации очень велики (в компьютерных сетях передачи данных, в дистанционных системах управления и т.п.), передача без помехоустойчивого кодирования вообще невозможна.
6.2. Декодер источника. Поскольку информация источника в процессе передачи подвергалась кодированию с целью ее более компактного (или более удобного) представления (сжатие данных, экономное кодирование, кодирование источника), необходимо восстановить ее к исходному (или почти исходному виду) по принятой последовательности. Процедура восстановления называется декодированием источника и может быть либо просто обратна операции кодирования (неразрушающее кодирование/декодирование), либо восстанавливать приближенное значение исходной информации. К операции восстановления будем относить также восстановление, если в этом есть необходимость, непрерывной функции по набору дискретных значений оценок.
Нужно сказать, что в последнее время экономное кодирование занимает все более заметное место в системах передачи информации, поскольку, вместе с помехоустойчивым кодированием, это оказалось самым эффективным способом увеличения скорости и качества ее передачи.
7. Получатель информации - материальный объект или субъект, воспринимающий информацию во всех формах ее проявления с целью дальнейшей ее обработки и использования.
Получателями информации могут быть как люди, так и технические средства, которые накапливают, хранят, преобразуют, передают или принимают информацию.