Рис.1.3. классификация аис по направлению деятельн

^

Рис.1.3. Классификация АИС по направлению деятельности

Объектом информатики выступают автоматизированные, основанные на ЭВМ и телекоммуникационной технике, информационные системы (ИС) различного класса и назначения. Информатика изучает все стороны их разработки, проектирования, создания, анализа и использования на практике.

Со второй половины ХХ века большинство вычислительных задач стали решаться комплексами вычислительных машин – информационными системами (ИС). ИС – взаимосвязанная совокупность средств, методов и персонала, используемых для хранения, обработки и выдачи информации. Автоматизированные ИС (АИС), позволяют выполнять ряд операций (циклов) информационного процесса в автоматизированном режиме, то есть без участия человека.

Информационные технологии (ИТ) – это процессы, использующие совокупность средств и методов сбора, обработки и передачи первичной информации для получения информации нового качества. Они представляют собой машинизированные (инженерные) способы обработки семантической информации – данных и знаний, которые реализуются посредством автоматизированных информационных систем (АИС). В настоящее время АИС получили широчайшее распространение.

Классификация АИС осуществляется по ряду признаков, и в зависимости от решаемой задачи можно выбрать разные признаки классификации. При этом одна и та же АИС может характеризоваться одним или несколькими признаками. В качестве признаков классификации АИС используются: область применения, охватываемая территория, организация информационных процессов, направление деятельности, назначение, структура и др. Пример классификации АИС по направлению деятельности показан на следующем рисунке (рис.1.3).

Информатика делится на две части: теоретическую и прикладную

^ Теоретическая информатика рассматривает все аспекты разработки автоматизированных информационных систем: их проектирования, создания и использования не только формально-технической, но и содержательной

стороны, а также комплекс экономического политического и культурного воздействия на социальную динамику.

В орбиту анализа теоретической информатики попадают и традиционные системы преобразования информации и распространения знаний: средства и системы массовой информации, система лекционной пропаганды, кино, театры, справочные службы, и т.д. Но теоретическая информатика рассматривает их с определенной стороны – с позиции получения и использования информационного ресурса (ИР), то есть совокупности знаний и технических средств их обновления и совершенствования, форм и способов воздействия указанных систем на общественный прогресс, возможной их технологизации.

Теоретическая информатика изучает ИР, законы его функционирования и использования как движущей силы социального прогресса, а также общие, фундаментальные проблемы информационной технологии (ИТ).

^ Прикладная информатика изучает конкретные разновидности ИТ, которые формируются с помощью специальных информационных систем (ИС) (управленческих, медицинских, обучающих, военных и других).

1. 
   ^ Кибернетические аспекты информатики. Информация и её свойства. Формы и методы представления информации
   

Информатика как научная дисциплина занимается изучением информационных процессов.

Информационные процессы характерны не только для живой природы, человека и общества, но и для техники.

^ Информационными процессами называются процессы, связанные с получением, хранением, преобразованием и передачей информации. Получение и хранение информации необходимы для ее ис­пользования.

^ Хранилища информации:

память человека — быстрая, оперативная, внутренняя память;

записные книжки, справочники — внешняя память. Чтобы вос­пользоваться ею, надо сначала перевести ее в оперативную.

^ Передача информации - двусторонний процесс, осуществляется от источника информации к ее приемнику через канал связи.

Преобразование информации, ее обработка — это процесс измене­ния либо формы представления информации, либо ее содержа­ния. Обработка информации производится человеком либо в уме, либо с помощью вспомогательных средств (счеты, калькулятор, компьютер). В результате изменения содержания информации получается новая информация — математические вычисления, логические рассуждения. Изменение формы без изменения со­держания — это кодирование или структурирование информации (ее упорядочение, сортировка).

Преобразование, анализ информации — основа выбора реше­ний, процессов управления в любой области.

Основы близкой к информатике технической науки кибернетики были заложены трудами по математической логике американского математика Норберта Винера, опубликованными в 1948 году, а само название происходит от греческого слова (kyberneticos — искусный в управлении).

Впервые термин кибернетика ввел французский физик Андре Мари Ампер в первой половине XIX веке. Он занимался разработкой единой системы классификации всех наук и обозначил этим термином гипотетическую науку об управлении, которой в то время не существовало, но которая, по его мнению, должна была существовать.

Сегодня предметом кибернетики являются принципы построения и функционирования систем автоматического управления, а основными задачами — методы моделирования процесса принятия решений техническими средствами, связь между психологией человека и математической логикой, связь между информационным процессом отдельного индивидуума и информационными процессами в обществе, разработка принципов и методов искусственного интеллекта. На практике кибернетика во многих случаях опирается на те же программные и аппаратные средства вычислительной техники, что и информатика, а информатика, в свою очередь, заимствует у кибернетики математическую и логическую базу для развития этих средств.

Кибернетика – это наука об общих принципах управления в различных системах – технологических, биологических, социальных. Кибернетику интересуют процессы взаимодействия между сложными объектами. Такие взаимодействия рассматриваются как процессы управления. Основной целью управления является приведение объектов управления в требуемое состояние, через реализацию принятых органом управления решений. Главные характеристики кибернетической системы это входная и выходная информация. Информация между кибернетическими системами передаётся в виде некоторых последовательностей сигналов. Выходные сигналы одних участников обмена являются входными для других.

Информационные обмены происходят везде и всюду: между людьми, между животными, между работающими совместно техническими устройствами. Во всех этих случаях информация передаётся в виде последовательностей сигналов разной природы: акустических, световых, графических, электрических и других.

С точки зрения кибернетики информацией является содержание передаваемых сигнальных последовательностей.

Передача сигналов требует определённых материальных и энергетических затрат. Например, при использовании электрической связи нужны провода и источники электроэнергии. Однако содержание сигналов не зависит от затрат вещества или энергии. В последовательностях сигналов закодированы определённые смысловые элементы, в которых и заключается их содержание.

В любом процессе управления всегда происходит взаимодейст­вие двух объектов — управляющего и управляемого, которые соеди­нены каналами прямой и обратной связи (рис.1.4).




КПС


КОС


Рис. 1.4. Замкнутая система управления


По каналу прямой связи передаются управляющие сигналы, а по каналу обратной связи передается информация о состоянии управляемого объекта. Если объекты соединены каналами прямой и обратной связи, то такую систему называют замкнутой, или системой управления с обратной связью.

Орган

управления

Управляемый

объект


КПС


Рис. 1.5. Разомкнутая система управления

Примеры замкнутых систем — взаимодействие дисковода и же­сткого диска при проведении операции записи информации, ра­бота термостата.

Если процесс не учитывает состояние управляемого объекта и обеспечивает управление по прямому каналу, то система называ­ется разомкнутой (рис. 1.5)

Пример такого взаимодействия — процесс записи информации на дискету.





- числовая; - детерминированная; - статическая;

- тестовая; - случайная; - динамическая;

- графическая; - вероятностная. - квазидинамическая.

- аудио;

- видео. - политическая;

- техническая;

Растровая; Логическая; - экономическая.

Матричная; Символьная.

Векторная.


Рис. 1.6. Классификация информации


Для теоретической информатики информация играет такую же роль, как и вещество в физике. И подобно тому, как веществу можно приписывать довольно большое количество характеристик: массу, заряд, объем и т.д., так и для информации имеется пусть и не столь большой, но достаточно представительный набор характеристик. Как и для характеристик вещества, так и для характеристик информации имеются единицы измерения, что позволяет некоторой порции информации приписывать числа – количественные характеристики информации. Так как информация очень разнообразна по содержанию и виду обслуживаемой ею человеческой деятельности (политическая, научная, производственная, управленческая, медицинская, экономическая, экологическая и правовая и др.), то каждый вид информации (рис.1.6) имеет свои особенные технологии обработки, смысловую ценность, формы представления и отображения на физическом носителе, требования к точности, достоверности, оперативности отражения фактов, явлений, процессов.

Наверное, каждый согласится, что в этом перечне приведены далеко не все виды информации, также как и с тем, что от приведенного перечня мало проку. Этот перечень не систематизирован. Для того чтобы классификация по видам была полезной, она должна быть основана на некоторой системе. Обычно при классификации объектов одной природы в качестве базы для классификации используется то или иное свойство (может быть набор свойств) объектов. В классической теории систем даётся следующее понятие свойства, как сторона объекта, определяющая его сходство или различие с другими объектами. Как правило, свойства объектов можно разделить на два больших класса: внешние и внутренние свойства.

Внутренние свойства – это свойства, органически присущие объекту. Они обычно «скрыты» от изучающего объект и проявляют себя косвенным образом при взаимодействии данного объекта с другими.

Внешние свойства – это свойства, характеризующие поведение объекта при взаимодействии с другими объектами.

Обзор приведенных ситуаций позволяет сформулировать следующие определения основных внешних свойств информации:

Релевантность – способность информации соответствовать нуждам (запросам) потребителя.

Полнота – свойство информации исчерпывающе (для данного потребителя) характеризовать отображаемый объект или процесс.

Своевременность – способность информации соответствовать нуждам потребителя в нужный момент времени.

Достоверность – свойство информации не иметь скрытых ошибок.

Доступность – свойство информации, характеризующее возможность её получения данным потребителем.

Защищённость – свойство информации, характеризующее невозможность несанкционированного использования или изменения.

Эргономичность – свойство информации, характеризующее удобство формы или объёма информации с точки зрения данного потребителя.

Наиболее важным внутренним свойством информации является - адекватность, которое обобщенно характеризует качество информации, Логическая, адекватно отображающая объективные закономерности природы, общества и мышления – это есть научная информация. Заметим, что последнее определение характеризует не взаимоотношение «информация-потребитель» (не зависит от потребителя), а взаимоотношение «информация - отражаемый объект/явление».

Адекватность - свойство информации, характеризующее её способность однозначно соответствовать отображаемому объекту или явлению. Адекватность оказывается для потребителя внутренним свойством информации, проявляющим себя через релевантность и достоверность.

^ Среди других внутренних свойств1 информации важнейшими являются:

- объём (количество) информации;

- внутренняя организация, структура.

По способу внутренней организации информацию делят на две группы:

1. 
   Данные или простой, логически неупорядоченный набор сведений.
   
2. 
   Логически упорядоченные, организованные наборы данных.
   

Упорядоченность данных достигается наложением на данные некоторой структуры (отсюда часто используемый термин - структура данных).

Наконец, вне поля нашего зрения оказались свойства информации, связанные с процессом её хранения. Здесь, важнейшим свойством является живучесть – это способность информации сохранять своё качество с течением времени. К этому ещё можно добавить свойство уникальности. Уникальной называют информацию, хранящуюся в единственном экземпляре.

Информация, как мы убедились ранее, может быть по своему виду: числовой, текстовой, графической, звуковой, видео и др. Она также может быть постоянной (неменяющейся), переменной, случайной, вероятностной. Наибольший интерес при решении задач обработки и анализа представляет переменная информация, так как она позволяет выявлять причинно-следственные связи в исследуемых процессах и явлениях.

Любая информация, обрабатываемая в ЭВМ, должна быть представлена в двоичном виде {0;1}, то есть должна быть закодирована комбинацией этих цифр. Различные виды информации (числа, тексты, графика, звук) имеют свои правила кодирования. Коды отдельных значений, относящиеся к различным видам информации, могут совпадать. Поэтому расшифровка кодированных данных осуществляется по контексту при выполнении команд реализуемой программы.

В теории информации и кибернетики при обработке, передаче и приёме информации осуществляется кодирование (декодирование) информации. Это комплекс преобразований состоящих из ряда отдельных самостоятельных операций, основными из которых являются:

• 
  кодирование источника сообщения – когда символы естественного языка заменяются символами абстрактного алфавита;
  
• 
  канальное кодирование – когда полученная цифровая последовательность, преобразуется к виду удобному для защищенной передачи информации по каналу связи. Это обеспечивает определение и устранение ошибок в информационном потоке, появившихся в результате воздействия помех в дискретном канале связи (защита от шума).
  

Работа по обработке и передаче информации может иметь огромную трудоёмкость, и её надо автоматизировать. Для этого очень важно унифицировать форму представления данных – для этого обычно используется приём кодирования, то есть выражение данных одного типа через данные другого типа. 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). Проблема универсального средства кодирования достаточно успешно реализуется в отдельных отраслях техники, науки и культуры. В качестве примеров можно привести систему записи математических выражений, телеграфную азбуку, морскую флажковую азбуку, систему Брайля для слепых и многое другое.

^ Символы естественного Символы кодового (абстрактного)

алфавита алфавита




А 000

Б 123 Код

В 301

. .

Я 111


m=4 ( кодовый алфавит: 0,1,2,3), n=3.


В результате кодирования последовательность элементов сообщения на естественном языке, заменяется по определённому правилу последовательностью кодовых символов. Множество всех кодовых последовательностей (кодовых комбинаций) образуют код. Совокупность символов, из которых составляются кодовые последовательности, называют кодовым алфавитом, а их число m (объём кодового алфавита) – основанием кода. Число символов n в кодовой комбинации называется значностью кода или длиной кодовой комбинации.

Таким образом, чтобы привести символы сообщения к виду удобному для передачи и ввода в ЭВМ их кодируют, то есть заменяют символами абстрактного алфавита. При приёме (выводе информации) сообщения производится обратная операция – декодирование.

Своя система существует и в вычислительной технике – она называется двоичным кодированием и основана на представлении данных последовательностью всего двух знаков 0 и 1. Эти знаки называются двоичными цифрами (англ. binary digit – bit (бит)). Одним битом могут быть выражены два понятия: 0 или 1 (да или нет, чёрное или белое, истина или ложь и т.п.). При увеличении количества битов, происходит увеличения количества выражаемых понятий:

*до 2-х - 00 01 10 11 (четыре);

*до 3-х - 000 001 010 011 100 101 110 111 (восемь).

Увеличивая на единицу количество разрядов в системе двоичного кодирования, мы увеличиваем в два раза количество значений, которое может быть определено по формуле, которая имеет вид:

n

N = 2 ,

где: N – количество независимых кодируемых значений;

n - разрядность двоичного кодирования, принятая в данной системе.

Если поставить в соответствие по определённому правилу каждому символу алфавита естественного языка определённое число (например порядковый номер), то с помощью двоичного кода можно кодировать любую информацию (текстовую, числовую и т.д.). Чтобы устранить неопределённости в национальных системах кодирования, в качестве международного стандарта в вычислительной технике был принят код ASCII (Американский стандартный код для информационного обмена). Его значность 8. Таким образом, с его помощью можно закодировать 256 символов (2 в 8 степени). Он содержит две таблицы кодирования: базовую (символы от 0 до 127) и расширенную (символы от 128 до 255).

В результате выполнения операций кодирования каждый символ естественного алфавита заменяется в соответствии с присвоенным ему номером в двоичный цифровой код (кодируется номер). При выводе информация производится обратная операция – номер преобразуется в изображение знака (буквы, символа) и проецируется на экран монитора (выводится на печать).

В практическом плане различные виды информации могут быть классифицированы как статические и динамические (квазидинамические). Числовая, текстовая и символьная информация, как правило, – статическая. Аудио- и видеоинформация – динамическая. Эти виды существуют в режиме реального времени, их нельзя остановить для более подробного изучения. Видеоинформация может быть статической в виде текстов, рисунков, графиков. Динамическая видеоинформация – это видео-, мульт- и слайд - фильмы. В их основе лежит последовательное экспонирование на экране в реальном масштабе времени отдельных кадров в соответствии со сценарием.

Динамическая видеоинформация используется либо для передачи движущихся изображений (анимация), либо для последовательной демонстрации отдельных кадров вывода (слайд-фильмы).

Для демонстрации анимационных и слайд-фильмов используются различные принципы. Анимационные фильмы демонстрируются так, чтобы зрительный аппарат человека не смог зафиксировать отдельных кадров. В современных высококачественных мониторах и в телевизорах с цифровым управлением электронно-лучевой трубкой кадры сменяются до 70 раз в секунду, что позволяет высококачественно передавать движущиеся изображения.

При демонстрации слайд-фильмов каждый кадр экспонируется на экран столько времени, сколько необходимо для восприятия его человеком (обычно от 30 с до 1 мин). Слайд-фильмы можно отнести к статической видеоинформации.

Для кодирования символьной и текстовой информации применяются различные системы: при вводе информации с клавиатуры кодирование происходит при нажатии клавиши, на которой изображен требуемый символ, при этом в клавиатуре вырабатывается так называемый scan-код, представляющий собой двоичное число, равное порядковому номеру клавиши.

Номер нажатой клавиши никак не связан с формой символа, нанесённого на клавише, Опознание символа и присвоение ему внутреннего кода ЭВМ производятся специальной программой по специальным таблицам: ДКОИ, КОИ-7, ASCII (Американский стандартный код для информационного обмена).

Всего с помощью таблицы кодирования ASCII можно закодировать 256 различных символов (табл.2.1). Монитор по каждому коду символа должен обеспечить вывод на экран изображение символа – не просто цифровой код, а соответствующую ему картинку, так как каждый символ имеет свою форму.

Описание формы каждого символа хранится в специальной памяти монитора – знакогенераторе.

Высвечивание символа на экране осуществляется с помощью точек, образующих символьную матрицу.

Каждый пиксель в такой матрице является элементом изображения и может быть ярким или тёмным. Тёмная точка кодируется цифрой – 0, светлая (яркая) – 1.

Если изображать в матричном поле знака тёмные пиксели точкой, а светлые – звёздочкой, то можно графически изобразить форму символа.

Кодирование аудиоинформации – процесс более сложный, поскольку такая информация является аналоговой. Для преобразования её в цифровую форму используют аппаратурные средства: аналого-цифровые преобразователи (АЦП), в результате работы которых аналоговый сигнал – оцифровывается – представляется в виде числовой последовательности. Для вывода оцифрованного звука на аудиоустройства необходимо проводить обратное преобразование, которое осуществляется с помощью цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП).

Таким образом, различные виды информации кодируются по разному. Статические виды кодируются по номерам, присвоенным им, динамические – подлежат оцифровке, с последующим цифровым кодированием полученных мгновенных значений сигнала.

1. 
   ^ Кодирование динамической информации
   

Попробуем разобраться, как звуковые колебания можно представить в цифровом виде.

Как видно из амплитудно-временного графика звукового сигнала (волновой фор-мы), в любой момент звучания амплитуда сигнала имеет конкретное значение, которое может быть измерено и выражено некоторым числом. Таким образом, если мы точно измерим амплитуду сигнала в каждый момент времени и выразим ее в числовом виде, полученный ряд чисел будет точной записью исходного звукового сигнала. Эта последовательность чисел может быть преоб-разована в двоичную форму и записана на любой носитель, в том числе в память компьютера.

Однако здесь мы сталкиваемся с большой проблемой, поскольку звуковой сигнал, вообще говоря, непрервен, то есть количество точек на его графике бесконечно. Следовательно, для получения действительно точной цифровой записи звукового сигнала измерять его амплитуду нужно через бесконечно малые промежутки вре-мени (и, следовательно, бесконечное количество раз, а полученный числовой мас-сив будет бесконечно велик). Более того, на “линейке” шкалы измерения ампли-туды должно быть бесконечное количество градаций, то есть весь динамический диапазон должен выражаться числами от - до + (или “хотя бы” от 0 до + ). Естественно, в действительности мы можем провести измерения лишь конечное число раз, используя конечное количество амплитудных градаций (этот параметр называют амплитудным разрешением). Возникает вопрос: через какие промежут-ки времени и с каким амплитудным разрешением следует проводить измерения, чтобы звук на выходе не сильно отличался от исходного сигнала (рис. 1.7).





Рис.1.7. Дискретизация сигнала 440 Гц с частотой 5000 Гц


Согласно известной теореме Котельникова (иногда её называют теоремой Найквиста), для отображения сигнала некоторой частоты f необходима дискретизация (сканирование и измерение амплитуд сигнала) с частотой не менее 2f. Поскольку человеческий слух может воспринимать звуковые колебания с частотой до 18 кГц, по-лучается, что частота дискретизации любого звукового сигнала должна быть не менее 36 кГц. На практике обычно используются частоты дискретизации от 11 025 до 48 000 Гц (например, на звуковых компакт-дисках она составляет 44 100 Гц), а в последнее время стала использоваться частота 96 кГц (она определена как стан-дартная для DVD-дисков).

Что касается амплитудного разрешения, то можно заметить, что точность воспро-изведения повышается с увеличением количества градаций амплитудной шкалы. В звуковых компакт-дисках используется 65 536 амплитудных града-ций. Как известно, для представления чисел в диапазоне от 0 до 65 535 необходи-мо 16 бит информации, поэтому часто бывает удобнее говорить о 16-битном раз-решении (а в просторечии - о 16-битном звуке). Ранее часто использовались 8-битное разрешение (256 градаций) и 12-битное (4096 градаций), звучащие с боль-шими искажениями. На современном этапе звук обрабатывается, как правило, при 24-битном или 32-битном разрешении (16 777 216 или 4 294 967 296 амплитуд-ных градаций).

Для того чтобы преобразовать звук в цифровую форму, используются специаль-ные устройства - аналого-цифровые преобразователи (АЦП). От качества АЦП зависит качество полученного цифрового сигнала, и если преобразование произ-ведено плохо, то впоследствии придется затратить массу сил и времени на то, чтобы исправить положение. Поэтому рекомендую пользоваться только качественными АЦП.

Несмотря на все преимущества цифрового сигнала, его нельзя услышать напря-мую. Для того чтобы его услышать, перед подачей на усилитель и колонки сигнал необходимо преобразовать в аналоговый, для чего используются цифро-аналого-вые преобразователи (ЦАП). ЦАП должен быть также высокого качества, посколь-ку все достоинства цифрового сигнала и его гибкой компьютерной обработки мо-гут превратиться в ничто, если звук будет воспроизведен через некачественный ЦАП. АЦП и ЦАП установлены на любой звуковой карте.

Теперь поговорим немного о том таким же образом происходит запись звука в компьютер. Компьютер представляет собой сложный цифровой аппарат. Вся информация в нем содержится в цифровом виде. Таким образом, и все процессы происходящие в компьютере - это обработка цифровых сигналов. По этой причине звуковую информацию, с которой мы бы хотели работать в дальнейшем, необходимо оцифровать. Итак, что же такое оцифровка и какие устройства и какие устройства обеспечивают этот процесс.




Уровень

-

9



































































































































































8

7

6

5

4

3

2

1

0



t Время

Рис 1.8. Процесс оцифровки сигнала


Оцифровка является одной из основных функций звуковых карт. Изъясняясь научным языком, она включает в себя два процесса - процесс дискретизации по времени (осуществление выборки, сэмплирование) и процесс квантования по уровням.

^ Процесс дискретизации - это процесс получения значений величин преобразуемого сигнала в определенные промежутки времени. Квантование - процесс замены реальных значений сигнала приближенными с определённой точностью. Попробуем разобраться. Итак, мы выяснили, что для записи сигнала в компьютер его необходимо преобразовать в цифровые значения. Для этого поступают следующим образом. Выбирается ка-кой-то временной шаг (интервал), с которым берутся значения уровня сиг-нала. Этот шаг называется шагом дискретизации. Естественно, чем шаг меньше, тем большее количество значений сигнала мы можем взять в оп-ределенный промежуток времени, и, соответственно, тем с большей точ-ностью будет “взят” сигнал. Процесс дискретизации во времени представ-лен на рисунке 1.8.

Казалось бы, что для записи значений сигнала мы сделали все необходимое. Теперь осталось лишь записать численные значения сигнала в файл. Однако, здесь мы сталкиваемся с проблемой: ведь значения сигнала не могут быть записаны с бесконечной точностью. Поэтому значения сигнала квантуют по уровню. Это значит, что полученные в процессе дискретизации значения сиг-нала делятся на уровни квантования (quantization levels) и каждое значение ок-ругляется до ближайшего уровня. Таким способом получают конечные значе-ния амплитуд сигнала. Отметим снова, что и в данном случае чем больше уровней квантования, тем более точно будут записаны численные значения уровня сигнала.

-Чем меньше шаг дискрети-зации (другими словами, чем выше частота выборки) и чем больше уровней квантования, тем с большей точностью происходит оцифровка сигнала и тем более приближенно к оригиналу он будет звучать при воспроизведении (т.е. при цифро-аналоговом преобразовании). Чтобы избе-жать искажений при оцифровке, нужно следить за тем, чтобы динамический диапазон сигнала соответствовал динамическому диапазону АЦП, или, други-ми словами, чтобы значения сигнала не выходили за рамки максимального и минимального уровней квантования.

Вспомним, что человеческое ухо способно слышать звук на частотах при-близительно от 30 Гц до 20 КГц. Выше располагается спектр неслышимых для человека частот. В связи с этим важно отметить, что максимальная частота дис-кретизации (выборки) определяет максимальную частоту оцифровываемого сигнала. Точнее говоря, максимальная частота сигнала будет примерно равна половине максимальной частоты дискретизации. Такая зависимость, как уже говорилось выше доказана в теореме Котельникова-Найквиста. В ней говорится о том, что для достижения баланса между качеством и полосой пропускания системы, необходимо, чтобы частота выборки вдвое превышала частоту звукового сигнала. Вернее, чтобы произвести успешную дискретизацию чисто синусоидального сигнала, часто-та дискретизации действительно должна быть ровно в два раза больше частоты синусоиды, в то время как оцифровку реального звукового сигнала нужно про-изводить на частоте немного большей, чем удвоенная частота самого сигнала, то есть с запасом.. Приведем конкретный пример. Если, скажем, вы оцифровали звук с частотой дискретизации 20 КГц, то это будет означать, что фактически оцифрованный звук содержит частоты до 10 КГц, т.е. низкие и средние частоты.

Следует обратить внимание на то, что в процессе оцифровки к полезному сигналу прибавляются различные шумы. Один из таких шумов - джиттер (jitter). Джиттер появляется в результате того, что осуществление выборки сигнала происходит не через абсолютно равные промежутки времени, а с какими-то отклонениями. То есть если, скажем, дискретизация проводится с частотой 44.1 КГц, то отсчеты берутся не точно каждые 1/44100 секунды. А так как входной сигнал постоянно меняется, то такая ошибка приводит к “захвату” не совсем верного уровня сигнала. В результате во время проигрывания оцифрованного сигнала чувствуется некоторое дрожание. Появление джиттера является результатом неабсолютной стабильности АЦП. Для борьбы с этим явлением применяют высокостабильные тактовые генераторы.

Как же происходит оцифровка с точки зрения пользователя? Оказывается, всё намного проще, чем могло показаться на первый взгляд. Для оцифровки какого-либо сигнала его необходимо подать на вход звуковой карты (то есть фактически соединить вход звуковой карты с выходом того устройства, с которого будет подан сигнал), запустить специальную программу, выбрать параметры записи, нажать кнопку записи и сохранить результат (грубо говоря, набор байтов) в файле. Процесс оцифровки происходит в режиме реального времени. Например, вы хотите оцифровать с аудиокассеты какую-то песню продолжительностью 2 минуты, то для этого необходимо подключить магнитофон ко входу звуковой карты, запустить упо-мянутую выше программу, перевести ее в режим записи (оцифровки) и вклю чить магнитофон на воспроизведение. По окончании песни нужно остановить процесс оцифровки и записать результат в файл. Вот и все!

Итак, что же следует запомнить из вышесказанного? По сути, совсем не-много - оцифрованная аудиоинформация всегда характеризуется тремя пара-метрами:

• частотой дискретизации или sampling rate где (например, 8, 11, 44, 48 КГц и т.д.);

• уровнем квантования (разрядностью) или quantization level (8, 16, 18, 20, 24 или 32 бита);

• количеством каналов (1 - моно, 2 - стерео и т.д.).

Очевидно, что проигрывать оцифрованный звук нужно с теми же парамет-рами, с которыми его оцифровывали. Можно, конечно, поэкспериментировать и, например, звук, оцифрованный с частотой дискретизации 22 КГц, проиграть на частоте 44 КГц. Тогда вы получите точно такой же результат, что и при уско-ренном воспроизведении аудиозаписи на магнитной ленте.

Такие же действия производятся и при оцифровке аналогового видеосигнала


^ Лекция 2/1 Системы передачи данных и их основные характеристики.


«Если где-то в мире есть полезная информация, предназначенная для вас, она
должна быть доставлена вам незамедлительно» — одно из условий успешной
предпринимательской деятельности.

Электронные коммуникации приобретают в современном мире все большее значение. Сегодня, в условиях ежегодного многократного увеличения информационных потоков, уже практически невозможно вообразить четкое взаимодействие предпринимательских фирм, банковских структур, государственных предприятий, других организаций и их сотрудников без современных средств телекоммуника­ции и связи. Без наличия таких средств никакая огромная армия канцелярских работников и курьеров не может обеспечить оперативность доставки необходи­мой информации в нужный момент в нужное место. А ведь часто даже минутная задержка в получении важной информации может вылиться в весьма ощутимые финансовые потери и имиджевые крахи.

1. 
   ^ Классификация систем передачи данных. Характеристика процесса передачи данных
   

В системах административного управления информация передается как путем переноски (перевозки) информационных документов курьером (или по почте), так и с использованием систем автоматизированной передачи информации по каналам связи.

Ручная переноска и механическая перевозка документов являются весьма рас­пространенными способами передачи информации в учреждениях. Этот способ, при минимальных капитальных затратах, полностью обеспечивает достоверность передачи информации, предварительно зафиксированной на документах и про­контролированной

Совокупность средств, служащих для передачи информации, будем называть системой передачи информации (СП).



Рис. 1. Блок схема автоматизированной системы передачи информации


На рис.1 представлена обобщенная блок-схема автоматизированной системы передачи информации, про­контролированной непосредственно в пунктах ее регистрации. Оперативность (скорость) передачи низкая и может удовлетворить лишь очень непритязатель­ного пользователя. Для оперативной доставки информации используют системы автоматизированной передачи информации.

Источник и потребитель информации непосредственно в СП не входят — они являются абонентами системы передачи. Абонентами могут быть компьютеры, маршрутизаторы ЛВС, системы хранения информации, телефонные аппараты, пейджеры, различного рода датчики и исполнительные устройства, а также люди. В составе структуры СП можно выделить:

• 
  канал передачи (канал связи — КС);
  
• 
  передатчик информации;
  
• 
  приемник информации.
  

Передатчик служит для преобразования полученного от абонента сообщения в сигнал, передаваемый по каналу связи, приемник — для обратного преобразо­вания сигнала в сообщение, поступающее абоненту.

В идеальном случае при передаче должно быть однозначное соответствие между передаваемым и получаемым сообщениями. Однако под действием помех, воз­никающих в канале связи, в приемнике и передатчике, это соответствие может быть искажено, и тогда говорят о недостоверной передаче информации.

Основными качественными показателями системы передачи информации яв­ляются:

• 
  пропускная способность,
  
• 
  достоверность,
  
• 
  надежность работы.
  

Пропускная способность системы (канала) передачи информации — наибольшее теоретически достижимое количество информации, которое может быть переда­но по системе за единицу времени. Пропускная способность системы определя­ется физическими свойствами канала связи и сигнала. От пропускной способно­сти канала зависит максимально возможная скорость передачи данных по этому каналу. Для определения максимально возможной скорости надо знать три основ­ных параметра канала связи и три основных параметра сигнала, по нему переда­ваемого.

1. Параметры канала:

• 
  Fk, — полоса пропускания капала связи, или, иначе, полоса частот, которую канал способен пропустить, не внося заметного нормированного затуха­ния сигнала;
  
• 
  Hk — динамический диапазон, равный отношению максимально допустимо­го уровня сигнала в канале к уровню помех, нормированному для этого типа каналов;
  
• 
  Тk, — время, в течение которого канал используется для передачи данных.
  

Объем канала связи:

Vk = Fk Hk Тk

2. Параметры сигнала:

Fc — ширина спектра частот сигнала, под которой понимается интервал

по шкале частотного спектра, занимаемый сигналом;

Нс — динамический диапазон, представляющий собой отношение средней

мощности сигнала к средней мощности помехи в канале;

Тс — длительность сигнала, то есть время его существования. Произведение трех названных параметров определяет, соответственно:

^ Объем сигнала:

Vk = Fc Hc Тc

Один из создателей теории информации К. Шеннон показал, что количество ин­формации на синтаксическом уровне (по Шеннону), которое несет сигнал, про­порционально объему этого сигнала; с другой стороны, выполнение неравенства Vk > Fc является необходимым условием возможности неискаженной передачи данного сигнала по данному каналу, то есть в этом случае принципиально допус­тима такая передача.

Для непосредственной реализации означенной возможности требуется выполне­ние необходимых и достаточных условий «неискаженной передачи»: Vk Fc, Нk НС VkТС.

Согласование сигнала с каналом связи и уплотнение каналов при передаче по ним сигналов от разных источников как раз и заключается в таком преобразова­нии параметров сигналов, чтобы необходимое условие возможности передачи превратить в достаточное.

Существует еще одно доказанное Шенноном соотношение, вытекающее кз выше­приведенных, оно позволяет рассчитать непосредственно максимально возможную скорость передачи данных по каналу:

C = F log2 (1+ Pc/ Pш)

где ^ С — максимально возможная скорость в битах/с, F — ширина полосы про­пускания канала связи в герцах, Рс — мощность сигнала, Рш — мощность шума.

Из этого соотношения (так же как из предыдущих) следует, что увеличить ско­рость передачи данных в канале связи можно или увеличив мощность сигнала, или снизив мощность помех. Увеличение мощности сигнала ограничено вели­чиной допустимого уровня мощности сигнала в канале и мощностью передатчи­ка (мощные передатчики имеют большие габариты и стоимость). Уменьшения мощности помех можно достигнуть, применяя хорошо экранированные от помех кабели (что тоже не дешево). Но и это еще не все трудности — главное, что скорость зависит от логарифма соотношения сигнал/шум, поэтому, напри­мер, увеличение мощности передатчика в два раза при типичном соотношении pc / рш = 100 даст увеличение максимально возможной скорости только на 15%. Скорость передачи информации измеряется в бит/с и в бодах. Количество изменений информационного параметра сигнала в секунду измеряется в бодах. Бод — это такая скорость, когда передается один сигнал (например, импульс) в секунду, независимо от величины его изменения. Единица измерения бит/с соответствует единичному изменению сигнала в канале связи и при простых методах кодирования сигнала; когда любое изменение бывает только единичным, можно принять, что: 1 бод = 1 бит/с; 1 Кбод = 103 бит/с; 1 Мбод = 106 бит/с и т. д. В случае если элемент данных может быть представлен не двумя, а большим ко­личеством значений какого-либо параметра сигнала, то есть изменение сигнала может быть не единичным, значение 1 бод > 1 бит в секунду. Например, если измеряемыми (информационными) параметрами сигнала явля­ются фаза и амплитуда синусоиды, причем различаются четыре значения фазы и два значения амплитуды, то информационный сигнал может иметь 23 = 8 раз­личимых состояний. Тогда скорость передачи данных СП с тактовой частотой 9600 Гц будет 9600 бод, но 9600 • 3 = 28 800 бит/с.

Достоверность передачи информации — передача информации без ее искажения. Надежность работы — полное и правильное выполнение системой всех своих функций.

Передатчик и приемник, или иначе — аппаратура передачи данных (АПД), непосредственно связывают терминальные устройства — оконечные устройства (источник и приемник информации) с каналом связи. Примерами АПД могут служить модемы, терминальные адаптеры, сетевые карты и т. д. АПД работает на физическом уровне, отвечая за передачу и прием сигнала нужной формы и мощ­ности в физическую среду (линию связи).

В составе СП большой протяженности может использоваться и дополнительная аппаратура для улучшения качества сигнала («усиления» сигнала) и для форми­рования непрерывного физического или логического канала между абонентами. В качестве этой аппаратуры выступают повторители, коммутаторы, концен­траторы, маршрутизаторы, мультиплексоры. Промежуточная аппаратура ино­гда образует достаточно сложную так называемую первичную сеть, но никакой функциональной нагрузки не несет — она должна быть незаметна (прозрачна) для абонента.

Линия связи и канал связи — это не одно и то же.

^ Линия связи (ЛС) — это физическая среда, по которой передаются информаци­онные сигналы. В одной линии связи могут быть организованы несколько кана­лов связи путем временного, частотного кодового и других видов разделения — тогда говорят о логических (виртуальных) каналах. Если канал полностью моно­полизирует линию связи, то он может называться физическим каналом, и в этом случае совпадает с линией связи. Хотя допустимо, например, говорить об анало­говом или цифровом канале связи, но абсурдно заявлять об аналоговой или цифровой линии связи, раз линия — лишь физическая среда, в которой могут быть образованы каналы связи разного типа. Тем не менее, даже говоря о физи­ческой многоканальной линии, ее часто называют каналом связи. ЛС являются обязательным звеном любой системы передачи информации.

Каналы связи могут быть:

По физической природе:

• 
  Механические
  
• 
  Акустические
  
• 
  Оптические
  
• 
  Электрические
  

По форме:

По направлению передачи информации:

• 
  Симплексные
  
• 
  Полудуплексные
  
• 
  Дуплексные
  

По пропускной способности:

• 
  Низкоскоростные
  
• 
  Среднескоростные
  
• 
  Высокоскоростные
  

По наличию коммутации:

• 
  Коммутируемые
  
• 
  Выделенные
  

По физической при­роде ЛС и КС на их основе делятся на:

• 
  механические — используются для передачи материальных носителей инфор­мации;
  
• 
  акустические — переносят звуковой сигнал;
  
• 
  оптические — передают световой сигнал;
  
• 
  электрические — передают электрический сигнал.
  

Электрические и оптические КС могут быть:

• 
  проводными, где для передачи сигналов служат проводниковые линии связи (электрические провода, кабели, световоды и т. д.);
  
• 
  беспроводными (радиоканалы, инфракрасные каналы и т. д.), использующи­ми для передачи сигналов электромагнитные волны, распространяющиеся по эфиру.
  

По форме представления передаваемой информации КС делятся на:

• 
  аналоговые — по аналоговым каналам передается информация, представлен­ная в непрерывной форме, то есть в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины;
  
• 
  цифровые — по цифровым каналам пересылается информация, представлен­ная в виде цифровых (дискретных, импульсных) сигналов той или иной фи­зической природы.
  

В зависимости от возможных направлений передачи информации различают:

• 
  симплексные КС, позволяющие передавать информацию только в одном на­правлении;
  
• 
  полудуплексные КС, обеспечивающие попеременную передачу информации в прямом и в обратном направлениях;
  
• 
  дуплексные КС, позволяющие вести передачу информации одновременно
  
• 
  и в прямом, и в обратном направлениях.
  

Каналы связи могут быть, наконец:

• 
  Коммутируемые каналы создаются из отдельных участков (сегментов) только на время передачи по ним информации; по окончании сеанса связи такой канал ликвидируется (разрывается).
  
• 
  Некоммутируемые (выделенные) каналы организуются на длительное время и имеют постоянные характеристики по длине, пропускной способности, поме­хозащищенности.
  

По пропускной способности их можно разделить на:

• 
  низкоскоростные КС, скорость передачи информации в которых составляет от 50 до 200 бит/с; это телеграфные КС, как коммутируемые (абонентский телеграф), так и некоммутируемые;
  
• 
  среднескоростные КС, например аналоговые (телефонные) КС; скорость передачи в них от 300 до 9600 бит/с, а в новых стандартах v90-v.92 Междуна­родного консультативного комитета по телеграфии и телефонии (МККТТ) и до 56 000 бит/с;
  
• 
  высокоскоростные (широкополосные) КС, обеспечивающие скорость пере­дачи информации выше 56 000 бит/с.
  

Следует особо отметить, что телефонный КС является более узкополосным, чем телеграфный, но скорость передачи данных по нему выше благодаря обяза­тельному наличию модема, существенно снижающего Fc передаваемого сигнала. При простом кодировании максимально достижимая скорость передачи данных по аналоговым каналам не превосходит 9600 бод = 9600 бит/с. Применяемые в настоящее время сложные протоколы кодирования передаваемых данных ис­пользуют не два, а несколько значений параметра сигнала для отображения эле­мента данных, и позволяют достичь скорости передачи данных по аналоговым телефонным линиям связи 56 Кбит/с = 9600 бод.

По цифровым КС, организованным на базе телефонных линий, скорость переда­чи данных благодаря уменьшению Fc и увеличению Нk оцифрованного сигнала также может быть выше (до 64 Кбит/с), а при мультиплексировании нескольких цифровых каналов в один в таком составном КС скорость передачи способна удваиваться, утраиваться и т. д.; существуют подобные каналы со скоростями в десятки и сотни мегабитов в секунду.

^ Физической средой передачи информации в низкоскоростных и среднескорост-ных КС обычно являются проводные линии связи: группы либо параллельных, либо скрученных («витая пара») проводов.

Для организации широкополосных КС используются различные кабели, в част­ности:

• 
  неэкранированные с витыми парами из медных проводов (Unshielded Twisted Pair - UTP);
  
• 
  экранированные с витыми парами из медных проводов (Shielded Twisted Pair - STP);
  
• 
  волоконно-оптические (Fiber Optic Cable — FOC); CD коаксиальные (Coaxial Cable — CC);
  
• 
  беспроводные радиоканалы.
  

Витая пара — это изолированные проводники, попарно свитые между собой для уменьшения перекрестных наводок между проводниками. Такой кабель, состоящий обычно из небольшого количества витых пар (иногда даже двух), характеризуется меньшим затуханием сигнала при передаче на высоких частотах и меньшей чувствительностью к электромагнитным наводкам, чем параллельная пара проводов.

UTP-кабели чаще других используются в системах передачи данных, в частно­сти в вычислительных сетях. Выделяют пять категорий витых пар UTP: первая и вторая категории используются при низкоскоростной передаче данных; третья, четвертая и пятая — при скоростях передачи соответственно до 16,25 и 155 Мбит/с (а при использовании стандарта технологии Gigabit Ethernet на витой паре, введенного в 1999 году, и до 1000 Мбит/с). При хороших технических характе­ристиках эти кабели сравнительно недороги, они удобны в работе, не нуждаются в заземлении.

STP-кабели обладают хорошими техническими характеристиками, но имеют вы­сокую стоимость, жестки и неудобны в работе и требуют заземления экрана. Они делятся на типы: Type 1A, Туре 2А, Туре ЗА, Туре 5А, Туре 9А. Из них Туре ЗА определяет характеристики неэкранированного телефонного кабеля, a Type 5A — волоконно-оптического кабеля. Наиболее популярен кабель Type 1A стандарта IBM, состоящий из двух пар скрученных проводов, экранированных проводящей оплеткой, которую положено заземлять. Его характеристики примерно соответ­ствуют характеристикам UTP-кабеля категории 5.

Коаксиальный кабель представляет собой медный проводник, покрытый диэлек­триком и окруженный свитой из тонких медных проводников экранирующей за­щитной оплеткой. Коаксиальные кабели для телекоммуникаций делятся на две группы:

• 
  «толстые» коаксиалы;
  
• 
  «тонкие» коаксиалы.
  

Толстый коаксиальный кабель имеет наружный диаметр 12,5 мм и достаточно толстый проводник (2,17 мм), обеспечивающий хорошие электрические и меха­нические характеристики. Скорость передачи данных по толстому коаксиально­му кабелю достаточно высокая (до 50 Мбит/с), но, учитывая определенное не­удобство работы с ним и его значительную стоимость, рекомендовать его для использования в сетях передачи данных можно далеко не всегда. Тонкий коакси­альный кабель имеет наружный диаметр 5-6 мм, он дешевле и удобнее в работе, но тонкий проводник в нем (0,9 мм) обусловливает худшие электрические (пе­редает сигнал с допустимым затуханием на меньшее расстояние) и механические характеристики. Рекомендуемые скорости передачи данных по «тонкому» коаксиалу не превышают 10 Мбит/с.

Основу волоконно-оптического кабеля составляют «внутренние подкабели» — стеклянные или пластиковые волокна диаметром 8-10 (одномодовые — однолу-чевые) и 50-60 (многомодовые — многолучевые) микрон, окруженные твердым заполнителем и помещенные в защитную оболочку диаметром 125 мкм. В одном кабеле может содержаться от одного до нескольких сотен таких «внутренних подкабелей». Кабель, в свою очередь, окружен заполнителем и покрыт более толстой защитной оболочкой, между которыми проложены кевларовые волокна, принимающие на себя обеспечение механической прочности кабеля. По одномодовому волокну (диаметр их 8-10 мкм) оптический сигнал распростра­няется, почти не отражаясь от стенок волокна (входит в волокно параллельно его стенкам), чем обеспечивается очень широкая полоса пропускания (до сотен гигагерц на километр). По многомодовому волокну (его диаметр 40-100 мкм) рас