Носители информации. Знаки и сигналы

Какой бы мы позиции на происхождение информации ни придерживались, прежде чем оперировать информацией, ею надо располагать. Распространение же информации всегда связано с материальным носителем, то есть средой для её записи, хранения, передачи.

Носителем информации может быть:

• любой материальный предмет (бумага, камень, дерево, стол, классная доска, звездная пыль);

• волны различной природы: акустическая (звук), электромагнитная (свет, радиоволна), гравитационная (давление, притяжение):

• вещество в различных состояниях (жидкий раствор — информацией может быть, в частности, концентрация молекул; газ — информацией в этом случае могут являться его температура и давление

В соответствии с избранным носителем, технические устройства передачи информации могут работать используя механическое движение, давление жидкостей и газов (гидравлика и пневматика), электрические напряжения и токи, свободные электромагнитные волны ( от10² кГц до 10⁶ МГц ), пучки электромагнитных волн (светосигнальная аппаратура, лазеры ).

Для хранения информации, которая будет обрабатываться с помощью компьютера, используются специальные машинные носители информации: электронные схемы, перфокарты (использовались раньше), магнитные ленты, магнитные диски, оптические компакт-диски и т. п.

Каким же образом представляется информация на носителях той или иной природы? Имеются ли отличия в формах представления информации в зависимости от природы носителя. Что имеется общего и каковы отличия?

Человек всегда стремился доступным ему способом зафиксировать сведения о том, что больше всего его волновало. Наши давние предки оставили нам информацию о себе в виде наскальных росписей. Отсюда и произошло идеографическое письмо, в основу которого положены идеограммы — письменные знаки (условное изображение или рисунок), соответствующие не отдельным звукам, а словам или словосочетаниям.

Позже информация о волнующих людей событиях наносилась на поверхности искусственных, как правило, монументальных сооружений, которые донесли ее до наших дней (гробницы, стелы, ритуальные сооружения). Однако монументальные сооружения не были транспортабельны. Чтобы получить необходимую информацию, которая там хранилась, люди были вынуждены совершать путешествия к этим сооружениям. Это было крайне неудобно. Постепенно формировалось понятие знака, как представление объекта, он стал играть все возрастающую роль, возникали предпосылки возникновения письменности.

. В то же время люди использовали звук и свет для передачи сообщений на расстоянии. Свет костра, звук барабана несли определенную информацию для человека.. Изменение цвета листьев комнатного цветка, их поникший вид сигнализируют о необходимости позаботиться о поливе и подкормке растения.

Итак, можно констатировать, что в ходе исторического развития человек научился передавать и сохранять информацию с помощью знаков и сигналов, именно они становятся основными формами передачи и хранения информации в социотехнических системах.

Чтобы подчеркнуть, что носителем информации является физический предмет (лист бумаги, классная доска, камень, картина) с какими-либо изображениями на нем, говорят, что информация записана в виде знаков. А если носителем информации является волна или вещество, то говорят, что информация переносится в виде сигналов.

Как мы уже отмечали в процессе энергообмена и переходов энегии из одной формы в другую появляются сигналы. Процессы эти разворачиваются во времени, поэтому в качестве носителей информации заслуживают внимания такие физические величины, которые изменяются во времени, а это чаще всего связано либо с волнами, либо с веществом. В этой связи сигналом мы называем изменение некоторой физической величины во времени, обеспечивающее передачу информации. Та характеристика, которая используется для представления сообщения, называется параметром сигнала.

В качестве примера рассмотрим радио. Носителем здесь являются электромагнитные волны. В диапазоне средних волн параметром является амплитуда колебаний, а в диапазоне ультракоротких волн – частота колебаний. Кроме того, такими параметрами могут быть длительность, яркость, цвет и т. д.

Рис. 1. Амплитудная (слева) и частотная (справа) модуляции: 1) колебания носителя, 2) переносимые колебания, 3) модулированные колебания с амплитудой (слева) и частотой (справа) в качестве параметра сигнала.

Не обязательно, чтобы физически различные значения выбранного параметра соответствовали различной информации.

Однако, следует отметить, что сигналы, передаваемые в электрической форме (электромагнитные волны), обладают множеством достоинств:

1) не требуют движущихся механических устройств, медленных и подверженных поломкам;

2) скорость передачи электрических сигналов приближается к максимально возможной скорости — скорости света;

3) электрические сигналы легко обрабатывать, сравнивать и преобразовывать с помощью электронных устройств, отличающихся чрезвычайно высоким быстродействием.

Один и тот же знак, один и тот же сигнал может нести для воспринимающего его человека разное значение или смысл. Наполнение знаков и сигналов смыслом превращает их в символы. Символ — это знак или сигнал, наполненный смыслом.

Пример. У одних народов кивок головы снизу вверх обозначает согласие у других несогласие; один и тот же знак «А» может восприниматься как буква русского алфавита, как знак автобусной остановки, или обозначать атомную опасность. Можно привести многочисленные примеры, когда разные знаки имеют один и тот же смысл: ,·,*. Все эти три знака обозначают операцию умножения.

Сигналы могут быть непрерывными (аналоговыми) или дискретными.

Аналоговый сигнал — сигнал, параметр которого непрерывно изменяется во времени (температура воздуха, сила тока, напряжение, скорость движения), и фактически представляется функцией y(t), принимающей любые вещественные значения в диапазоне изменения аргумента t . При этом функция y(t) передает характер изменения процесса во времени.

Аналоговые сигналы используют, например, в телефонной связи, радиовещании, телевидении.

Сигнал называется дискретным, если параметр сигнала может принимать лишь конечное число значений (дискретный — не непрерывный).

Дискретные сигналы	Аналоговые сигналы
Цвет светофора Цифры, буквы, слова Знаки дорожного движения Телеграфная азбука Морзе	Скорость автомобиля Влажность воздуха Пение и игра на музыкальных инструментах Кардиограмма

Сигнал, несущий информацию, должен принимать, по крайней мере, два различных значения (в его простейшей форме), но не менее. Не бывает информационного сигнала, принимающего только одно значение.

Пример. На сторожевой башне огонь означает «опасность», огня нет — «все спокойно». Если костер на башне жгут постоянно или не зажигают вовсе, то нет никакой возможности узнать, например, когда же вторгся неприятель, то есть получить информацию.

В реальной жизни мы чаще всего воспринимаем непрерывные сигналы. Даже речь человека, по сути, представляет собой непрерывный сигнал. В этом легко убедиться, если вспомнить, что речь на незнакомом языке воспринимается слитно, в ней трудно выделить отдельные слова. Но дискретные сигналы обрабатывать легче. Благодаря сложившейся с детства привычке, мы выделяем в сигналах, непрерывно поступающих к нам из внешнего мира, отдельные элементы: лица и облака, слова и музыкальные фразы. Этот процесс называется дискретизацией непрерывного сигнала. Выделяя отдельные элементы сигнала, мы ставим им в соответствие знаки. При этом, чаще всего применяется так называемый алфавитный способ. Выбирается некоторый конечный набор различающихся между собой знаков одной природы, называемый алфавитом. При этом трактовать алфавит можно самым расширительным образом, допуская в качестве него и набор графем (знак письма), и знаков зодиака, и, даже, кивки головой.

Следует отметить, что в целях удобства применения алфавит наделяют линейным порядком. Знак же – это элемент некоторого конечного множества отличимых друг от друга “вещей”, набора знаков.

Примеры алфавитов (порядок в них – это порядок перечисления):

1. алфавит десятичных цифр {0,1,2,3,4,5,6,7,8,9};

2. алфавит знаков зодиака

3. алфавиты заглавных латинских букв {A,B,C,D,E,F,G,H,I,J,K,L,M,N,0,P,Q,R,S, T,U,V,W,X,Y,Z};

4. алфавиты заглавных букв кириллицы, а так же других национальных алфавитов {А, Б,В,Г,Д,Е,Ё,Ж,З,И,Й,К,Л,М,Н,О,П,Р,С,Т, У,Ф,Х,Ц,Ч,Ш,Щ,Ъ,Ы,Ь,Э,Ю,Я};

5. набор знаков планет

Дискретные сообщения представляют собой конечные последовательности знаков, при этом, исходя из соображений, связанных со строением органов чувств, или из чисто технических соображений, их обычно разбивают на конечные последовательности знаков, называемых словами. Каким образом это происходит, мы рассмотрим в одном из последующих параграфов, касающихся кодированию. Здесь же рассмотрим процесс дискретизации более подробно.

Рассмотрим сообщение, которое надо дискретизировать, абстрактно – как непрерывную вещественную функцию, заданную на конечном интервале. Наглядно такую функцию можно представить кривой – ее графиком. Иллюстрация представлена на рис. 2.

Рис. 2. Развертка, этапы

Процесс дискретизации пойдет в два этапа: развертки и квантования. Развертка состоит в том, что область определения функции разбивается на подинтервалы равной длины. У нас выбрана единичная длина, хотя это вовсе не обязательно. Сама функция заменяется другой, которая постоянна на каждом подинтервале, причем в качестве значения в нем берется некоторое среднее значение, но могут быть выбраны максимальное или минимальное или какое-то другое значения. Тем самым исходная функция аппроксимируется соответствующей ступенчатой функцией. Ступенчатую функцию часто изображают посредством последовательности равноотстоящих друг от друга вертикальных линий, высота которых задает среднее значение. Получающийся при этом график называют пульсом. Таким образом, развертка состоит в замене функции ее пульсом. Средние значения могут быть получены с помощью простого усреднения, либо в качестве среднего берется значение функции в определенной точке интервала, например в его середине. Чем грубее развертка, то есть чем больше шаг разбиения, тем больше свойств исходной функции теряется.

Таким образом, развертка есть этап, преобразующий функцию в последовательность ее значений. Значения функции заполняют обычно некоторый континуум вещественных чисел, именно – это те значения, которые может принимать физическая величина – параметр сигнала. В противоположность этому дискретное сообщение – это конечная последовательность знаков. В общем случае значение функции на интервале является вещественным и даже иррациональным числом. Так у нас на рисунке, на первом интервале, значением функции является смешанная десятичная дробь. Чтобы упростить форму представления значений функции выполняют следующий этап – квантование. Квантование осуществляет переход от вещественных значений функции к дискретным сообщениям.

Квантование – это отображение вещественных чисел в некоторое счетное множество чисел, а именно в множество всех кратных некоторого числа ∆, называемого шагом квантования. Отображение устроено так, что всякий из наших равных по длине интервалов чисел отображается в то кратное ∆, которое лежит в этом интервале. В случае, представленном на рис. 3, шаг квантования 1 и все числа интервала [0,5; 1,5] отображаются в единицу, следующего интервала в двойку, и так далее. Квантование переводит значения функции в конечное множество чисел, которое можно понимать как набор знаков. Таким образом, развертка и последующее квантование дают последовательность знаков – произвольное сообщение превращается в дискретное слово над некоторым набором знаков.

Квантование по середине

4,5

3,5

2,5

1.5

0,5

4

3

2

1

Рис 3

Для функций многих переменных с многомерной областью определения, графические изображения дискретизируются в соответствии с матричным принципом. Первое представление об этом принципе дает следующая схема действий: на имеющийся рисунок как бы наносится сетка и просматривается клетка за клеткой этой сетки. Если изображения в клетке нет, то ей в соответствие ставится, например, 0, если изображение в клетке есть — ставится 1. Фигура изображенная на рис.4, при таком способе дискретизации представляется в виде следующей последовательности нулей и единиц: 0000000000 0001111000 0010000001110 0111111111 0111111111 и т. д.

Рис. 4

В системах передачи и обработки информации сигналы обычно неоднократно преобразуются. При этом их физическая природа может меняться без потери информации, которую они переносят.

Пример. При телефонной связи сначала акустический сигнал (носитель — звуковая волна) от говорящего преобразуется в электрический (носитель — электромагнитная волна), который затем в телефонной трубке абонента превращается снова в акустический.

При передаче может изменяться информационный характер сигнала: непрерывный сигнал становится дискретным (такое преобразование называется дискретизацией или квантованием) и наоборот. Переход от аналоговых представлений информации к цифровым (например, ввод результатов измерения непрерывных величин в ЭВМ) и обратно в технике осуществляется специальными устройствами: аналого-цифровыми и цифро-аналоговыми преобразователями. Такие преобразователи используются в модемах, звуковых картах и пр.

Виды и свойства информации

Виды информации

В науке очень часто изучаемые объекты разбивают на группы, классы с тем ,чтобы выделив общие свойства элементов группы, применять к ним схожие методы исследования. То же самое происходит и в информатике. Определив некоторые общие свойства информации, используют общие приемы работы с ней. Так работа с печатным текстом отличается от работы над музыкальным клавиром, а проведение расчета по формулам имеет мало общего с созданием мультфильма. То есть существуют особенности протекания информационных процессов для информации разных видов. Знание того, к какому виду относится информация, поможет выбрать наиболее подходящие средства и методы для работы с ней.

Какие виды информации можно выделить? Какие признаки можно выбрать в качестве оснований деления?

Поскольку в наибольшей степени информацию мы связываем с восприятием и осознанием поступающих сигналов человеком, то её можно разделить по тому, каким образом информация воспринимается людьми. У человека пять органов чувств:

• зрение, с помощью которого люди различают цвета, воспринимают зрительные образы; информация — визуальная:

• слух, с помощью которого воспринимается звуковая информация — речь, музыка, звуковые сигналы, шум; информация — аудиальная;

• обоняние, с помощью которого люди получают информацию о запахах окружающего мира; информация — обонятельная;

• вкус — с помощью вкусовых рецепторов языка можно получить информацию о том, каков предмет — горький, кислый, сладкий, соленый; информация — вкусовая;

• осязание — кончики пальцев (и весь кожный покров) дают человеку информацию о температуре предмета — горячий он или холодный, о качестве его поверхности — гладкий или шероховатый; информация — тактильная.

Следует отметить, что органы чувств человека получили название анализаторов, поскольку именно через эти органы сигналы внешнего мира поступают в головной мозг для анализа и осмысливания.

Около 80-90% информации человек получает при помощи органов зрения (визуально}, примерно 8-15% — при помощи органов слуха (аудиалъно) и только 1-5% — при помощи остальных органов чувств (обоняния, вкуса, осязания).

А вот, например, многие животные основную часть информации получают с помощью носа. У них хорошо развито обоняние. Для летучих же мышей главная информация — звуковая, они воспринимают ее своими большими, чуткими ушами.

В социальных системах, вряд ли имеет смысл разделять информацию, циркулирующую в такого рода системах, по способу ее восприятия. В этом случае целесообразно рассматривать другие основания классификации. Здесь информацию делят на виды по степени значимости для общества, отдельных групп людей, отдельных индивидуумов.

Информация может быть:

• личной: это знания, опыт, интуиция, умения, планы, прогнозы, эмоции, чувства, наследственная память конкретного человека;

• специальной, значимой для определенной группы людей;

это такие виды информации, как:

• научная;

• производственная;

• техническая;

• управленческая;

• общественной, значимой для большинства членов общества; это такие виды информации, как:

• общественно-политическая (то, что мы получаем в основном из средств массовой информации);

• научно-популярная (научно осмысленный опыт всего человечества, исторические, культурные и национальные традиции и др.);

• обыденная (которой мы обмениваемся в процессе повседневного общения);

• эстетическая (изобразительное искусство, музыка, театр и др.).

Другое дело технические, или социотехнические системы. В этом случае главную роль играет форма представления информации. Для технического устройства, да, в общем-то и для человека важнейшим является то, как передаваемая информация выражена, зафиксирована с помощью знаков или сигналов, оформлена в соответствии с правилами, понятными всем сторонам процесса общения.

Рассмотрим некоторые виды информации в зависимости от формы ее представления.

Текстовая информация: текст в учебнике, сочинение в тетради, реплика телеведущего, прогноз погоды, переданный по радио.

Заметим, что в устном общении (личная беседа, разговор по телефону, радиопостановка спектакля) информация может быть представлена преимущественно в словесной, текстовой форме.

Числовая информация: таблица умножения, арифметический пример, счет в хоккейном матче, время прибытия поезда, статистические данные о населении страны и др.

В «чистом» виде числовая информация встречается редко, разве что в научных работах, записи результатов опытов или измерений. Чаще всего используется комбинированная форма представления информации.

Пример. Вы получили телеграмму: «Встречайте двенадцатого. Поезд прибывает в восемь вечера». В данном тексте «двенадцатого» и «восемь» мы понимаем как числа, хотя они и выражены словами.

Графическая информация: рисунки, схемы, чертежи, фотографии.

Такая форма представления информации наиболее наглядна и доступна для восприятия и осознания, так как сразу передает необходимый образ, а словесная и числовая требует мысленного воссоздания образа. В то же время графическая форма представления часто не дает исчерпывающих разъяснений о передаваемых данных. Поэтому наиболее эффективно сочетание текста, чисел и графических изображений. Не лишним будет отметить, что образная форма свойственна мыслящим существам.

Пример. При решении задач по геометрии мы одновременно используем чертёж (графика), пояснительный, текст (текст), численные расчёты (числа и операции над ними).

Звуковая информация: речь, музыка, звуковые сигналы.

Данный вид информации также важен в процессе коммуникации. Звуковые сигналы привлекают наше внимание (звонок на перемену, вой сирены), пробуждают чувства (музыкальные произведения), создают определенный настрой (тембр голоса собеседника).

Некоторое представление о разнообразии подходов к выделению видов информации может дать определение информации, приведенное в энциклопедическом словаре, где говорится, что информация — это общенаучное понятие, включающее обмен сведениями между людьми, человеком и автоматом, автоматом и автоматом, обмен сигналами в животном и растительном мире; передачу признаков от клетки к клетке, от организма к организму.

В приведенном определении выделены четыре вида информации по различным способам (субъектам) обмена:

• социальная (человек — человек);

• техническая (человек — автомат, автомат — автомат);

• биологическая (информация в животном и растительном мире);

• генетическая (передача признаков от клетки к клетке, от организма к организму).

Существуют и другие варианты классификации информации по видам:

• по сфере применения информации (экономическая, географическая, социологическая и пр.);

• по характеру источников информации (первичная, вторичная, обобщающая и пр.);

• по характеру носителя информации (информация, «зашифрованная» в молекулах ДНК или в длинах световых волн; информация на бумажном или магнитном носителе и пр.).

Конкретный исследователь выбирает для себя ту или иную классификацию в зависимости от стоящей перед ним проблемы, от тех взаимосвязей, которые он изучает.

Пример. Химики, физики, биологи используют классификацию по характеру носителя информации. В теории информации прежде всего рассматриваются источники информации. В социологии наиболее интересным является сфера применения и общественное значение информации.

Когда речь идет о компьютере, то наиболее часто выделяются виды информации в зависимости от формы ее представления.

Компьютер помогает человеку, хранить, передавать, преобразовывать информацию текстового, числового, звукового, графического и комбинированного вида.

В настоящее время мультимедийная (многосредовая, комбинированная) форма представления информации становится основной в вычислительной технике. Цветная графика сочетается в этих системах со звуком и текстом, с движущимися видеоизображением и трехмерными образами.