§ 3. Информационные процессы

Информация может быть, совокупность которых называют информационными процессами.

Понятие «информационные процессы», так же как и понятие «информация», является базовым в курсе информатики.

Информация может не только быть воспринята познающим субъектом или техническим устройством, но и отделена от своего первоисточника. В результате информация может быть подвергнута операциям (перенесена в пространстве, сохранена во времени, передана другому познающему субъекту или техническому устройству (например, ЭВМ) и т.д.), совокупность которых назы­вают информационными процессами. Примеры информационных процессов, с которыми нам приходится постоянно иметь дело: получение информации из средств СМИ, обучение, принятие управляющих решений, разработка технического проекта, документооборот на предприятии, сдача экзаменов и многие другие. Существуют три основных типа информационных процессов, которые как составляющие присутствуют в любых других более сложных процессах.

Информационные процессы — это процессы восприятия, нако­пления, обработки, передачи и хранения информации.

Процесс передачи информации — многоступенчатый процесс, сиг­нал может на каждом из промежуточных этапов менять свою физи­ческую природу.

Прием информации — вторичное ее восприятие другим субъек­том или принимающим устройством.

Обработка информации осуществляется человеком или техни­ческим устройством, в частности ЭВМ. Сущность обработки ин­формации компьютером — аналоговое или цифровое преобразо­вание поступающих данных по жесткой программе или алгоритму обработки.

Завершается информационный процесс представлением инфор­мации потребителю, т.е. демонстрацией на индикаторах различно­го вида изображений и принятием решения.

Управление — это информационный процесс. Управление — изменение состояния системы, ведущее к достижению поставленной цели. При этом реализуется принцип прямой и обратной связи, что позволяет не только получать желаемые результаты, но и вести учет и контроль действительного хода процесса и воздей­ствовать на него в направлении желательных изменений с целью получения наименьших отклонений системы от расчетных пара­метров.

3.1. Процесс передачи информации

Как уже было отмечено ранее, в интуитивном, житейском плане мы понимаем под информацией совокупность интересующих нас сведений, знаний, набор используемых данных и т.п.

Ключевыми понятиями в описании процесса передачи информации являются источник информации, приемник информации, информационный канал.

В процессе передачи информация представляется и передается в форме некоторой последовательности сигналов, символов, знаков. Например, при непосредственном разго­воре между людьми происходит передача звуковых сигналов — речи, при чтении текста человек воспринимает буквы — графические символы. Передаваемая последовательность называется сообщением. При этом подразумевается, что существует источник информа­ции и ее потребитель (получатель). От источника к приемнику сообщение передается через некоторую материальную среду (звук — акустические волны в атмосфере, изображение — световые электромагнитные волны). Протяженную в пространстве среду, «через» которую носитель сообщения передается от передатчика к приемнику, называют каналом (связи). Пути и процессы, обеспечивающие передачу сообщений от источника информации к ее потребителю, называются информационными коммуникациями.

В качестве примера мы можем рассмотреть информацию о предстоящем приезде родственника. Сообщение, содержащее указанную информацию, может быть представлено полученной от родственника телеграммой. В такой ситуации каналом связи будет являться и заполненный родственником от руки телеграфный бланк, и телеграфная линия, по которой передается текст, и лента с отпечатанными на ней буквами телеграммы.

Современная техника в качестве носителей при передаче сообщений по каналам связи чаще всего использует:

- механическое движение,

- механическое давление жидкостей и газов (гидравлика, пневматика),

- волны давления в жидкостях и газах (до 1 МГц, включая звуковые волны),

- электрические напряжения и токи,

- свободные электромагнитные волны (от 10² кГц до 10⁶ МГц), в том числе световые волны,

- пучки электромагнитных волн (светосигнальные аппараты, лазеры).

Если в процессе передачи используются технические средства связи, то их называют каналами передачи информации (информационными каналами). К ним относятся телефон, радио, телевидение.

Внешне устройство связи, или, точнее, «приемопередающее устройство», состоит из приемника (получателя) и передатчика (отправителя). Может случиться, что для сообщений на входе и на выходе используется один и тот же носитель. Такие устройства служат лишь для возможного усиления или регенерации сообщения, связанной с устранением помех, и называются релейными линиями. Примерами таких устройств являются рупор, слуховая трубка, а также их современные электронные варианты - мегафон и слуховой аппарат. Если для сообщений на входе и выходе устройства используются различные физические носители, то устройство связи называют преобразователем.

Можно говорить о том, что органы чувств человека выполняют роль биологических информационных каналов. С их помощью информационное воздействие на человека доносится до памяти.

Схематично процесс передачи информации изображен на рисунке 7.2.

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.

При этом для воспроизведения сообщения могут использоваться различные свойства сигнала. Та характеристика сигнала, которая служит для представления сообщения, называется параметром сигнала.

Связь, при которой передача производится в форме непрерывного электрического сигнала, называется аналоговой связью.

Для автоматизации работы с данными (хранения, обработки, передачи и ввода-вывода), относящимися к различным типам, очень важно унифицировать их форму представления — для этого обычно используется прием кодирования, то есть выражение данных одного типа через данные другого типа (процедура присвоения объекту кодового обозначения – кода).

Система кодирования — совокупность правил кодового обозначения объектов.

Кодом называется правило, описывающее отображение одного набора знаков в другой набор знаков (или слов); так же называют и множество образов при этом отображении.

Код строится на базе алфавита, состоящего из букв, цифр и других символов. Код характеризуется:

• длиной — число позиций в коде;

• структурой — порядок расположения в коде символов, используемых для обозначения классификационного признака.

Если каждый образ при кодировании является отдельным знаком, то такое отображение называется шифровкой (кодированием), а образы шифрами (англ. cipher). Поскольку здесь имеется криптографический аспект, обращение этого отображения, когда оно однозначно - называется декодированием или дешифровкой.

Естественные человеческие языки — это не что иное, как системы кодирования понятий для выражения мыслей посредством речи. К языкам близко примыкают азбуки (системы кодирования компонентов языка с помощью графических символов).

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 — это пример дискретной связи. Сигнал называется дискретным, если параметр сигнала может принимать лишь конечное число значений. Дискретными сообщениями называются такие сообщения, которые могут быть переданы с помощью дискретных сигналов.

Сообщения, которые не являются дискретными, — например, такие неязыковые сообщения, как рисунки, карты, кривые, диаграммы, — часто приближенно представляют дискретизациями, после чего с ними можно работать как с дискретными. Применяются два метода приближения: развертка и квантование.

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.

Указанный способ кодирования называется двоичным кодированием и основан на представлении данных последовательностью всего двух знаков: 0 и 1. Эти знаки называются двоичными цифрами, по-английски — binary digit или сокращенно bit (бит).

Одним битом могут быть выражены два понятия: 0 или 1 (да или нет, черное или белое, истина или ложь и т. п.). Если количество битов увеличить до двух, то уже можно выразить четыре различных понятия:

00 01 10 11

Тремя битами можно закодировать восемь различных значений:

000 001 010 011 100 101 110 111

Увеличивая на единицу количество разрядов в системе двоичного кодирования, мы увеличиваем в два раза количество значений.

Т.о., под кодированием понимается любое преобразование информации, идущей от источника, в форму, пригодную для ее передачи по каналу связи.

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, передаваемой по одним и тем же каналам. Часто, беседуя по телефону, мы слышим шум, треск, мешающие понять собеседника, или на наш разговор накладывается разговор совсем других людей. В таких случаях необходима защита от шума.

В первую очередь применяются технические способы зашиты каналов связи от воздействия шумов. Такие способы бывают самые разные, иногда простые, иногда — очень сложные. Например, использование экранированного кабеля вместо «голого» провода; применение разного рода фильтров, отделяющих полезный сигнал от шума и пр.

Клодом Шенноном была разработана специальная 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 подорожанию связи. Теория кодирования К. 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 — блоки. Для каждого блока вычисляется контрольная сумма (сумма двоичных цифр), которая передается вместе с данным блоком. В месте приема заново вычисляется контрольная сумма принятого блока, и если она не совпадает с первоначальной, то передача данного блока повторяется. Так будет происходить до тех пор, пока исходная и конечная контрольные суммы не совпадут.

Вопрос об измерении скорости передачи информации можно рассмотреть по аналогии. Аналог — процесс перекачки воды по водопроводным трубам. Здесь каналом передачи воды являются трубы. Интенсивность (скорость) этого процесса характеризуется расходом воды, т.е. количеством литров или кубометров, перекачиваемых за единицу времени (л/с или куб. м/с). В процессе передачи информации каналами являются технические линии связи. А если информацию непосредственно принимает человек, то его органы чувств — внутренние информационные каналы человека. По аналогии с водопроводом можно говорить об информационном потоке, передаваемом по каналам. Скорость передачи информации — это информационный объем сообщения, передаваемого в единицу времени (бит/с, байт/с и др.). Скорость передачи информации по линиям связи оценивается в бодах и килободах. Скорость в один бод — это передача одного бита в секунду: 1 бод = 1 бит/секунда; 1 Кбод = 1024 бод.

Еще одно понятие — пропускная способность информационных каналов — также может быть объяснено с помощью «водопроводной» аналогии. Увеличить расход воды через трубы можно путем увеличения давления. Но этот путь не бесконечен. При слишком большом давлении трубу может разорвать. Поэтому техническими условиями использования водопровода всегда определяется предельное давление и как результат — предельный расход воды, который можно назвать пропускной способностью водопровода. Аналогичный предел скорости передачи данных имеют и технические линии информационной связи (телефонные лини, радиосвязь, оптико-волоконный кабель). Причины этому также носят физический характер.