61

Министерство образования и науки

Украины

Севастопольский национальный технический

университет

Методические указания

к лабораторному практикуму

по дисциплине

«Кодирование и защита информации»

для студентов дневной и заочной форм обучения

специальности 7.080401

«Информационные управляющие системы и технологии»

Севастополь

2001

УДК 004. 056. 053

Методические указания к лабораторному практикуму по дисциплине «Кодирование и защита информации» / Сост. А.Л. Овчинников, В.А. Василенко, Л.П. Старобинская. – Севастополь: Изд-во СевГТУ, 2001. – 55 с./ Целью методических указаний является обеспечение возможности самостоятельного выполнения лабораторных работ по дисциплине «Кодирование и защита информации» студентами дневной и заочной форм обучения.

Методические указания рассмотрены и утверждены на заседании кафедры Информационных систем, протокол №1 от 13.10.2001 г.

Допущено учебно-методическим центром СевГТУ в качестве методических указаний.

Рецензент Чернега В.С.

Содержание

1. Цели и задачи лабораторного практикума…………………...………..4

2. Порядок выполнения лабораторных работ…………………………….4

Лабораторная работа №1……………………..…………………………….6

Лабораторная работа №2……………………….………………………….20

Лабораторная работа №3…………………………….…………………….28

Лабораторная работа №4………………………………….……………….37

Лабораторная работа №5……………………………………….………….43

Лабораторная работа №6………………………………………….……….52

Библиография………………………………………………………………61

Общие методологические указания к выполнению лабораторного практикума

1 Цели и задачи лабораторного практикума

Основная цель выполнения лабораторного практикума - получение практических навыков построения простых, эффективных, избыточных, обнаруживающих и исправляющих ошибки кодов. В результате выполнения лабораторных работ студенты должны углубить знания раздела курса, посвящённого разработке и применению различных типов кодов при кодировании дискретных сообщений в зависимости от статических свойств сообщения и характеристики шумов в канале связи.

2 Порядок выполнения лабораторных работ

При изучении данного раздела дисциплины «Кодирование и защита информации» выполняется шесть лабораторных работ. На каждую из них отводится 4 часа аудиторных занятий и 2 часа самостоятельных работ.

Каждая из лабораторных работ связана с построением и исследованием определённого двоичного кода. Для исследования помехоустойчивости кодов исследуется программная модель информационной системы, в которой осуществляется передача дискретной информации от источника к приёмнику через канал связи с помехами.

В качестве исходных данных к лабораторным работам выступают:

• осмысленный фрагмент текста, являющийся исходным сообщением, подлежащим кодированию (текст выдаётся на первом занятии и используется им в течение всего семестра);

• метод кодирования, подлежащий исследованию в конкретной лабораторной работе.

На первом этапе необходимо определить информационные характеристики сообщения: состав символов (алфавит), частоты появления символов в сообщении, энтропию сообщения (указанные характеристики являются общими для всех лабораторных работ и поэтому рассчитываются только в первой лабораторной работе)

Исследуя информационные характеристики сообщения для заданного в каждой лабораторной работе метода кодирования производится разработка кода вручную. В результате построения данного этапа лабораторной работы должны быть построены полные таблицы кодов для эффективных либо неразделимых кодов, либо получены порождающая и проверочная матрицы для систематических и блочных кодов.

Затем рассчитываются информационные характеристики кодов. Данная операция выполняется один раз в пределах каждой лабораторной работы.

Используя файл как исходное сообщение и таблицу кодов или порождающую матрицу кода как программную модель производится построение кодовой последовательности на выходе канала связи. Данная операция также производится однократно в пределах выполнения каждой лабораторной работы.

Далее для различных значений вероятности искажения одиночного разряда или нескольких разрядов производится имитация прохождения сообщения через канал связи с шумами. В результате на выходе канала связи получается искажённое сообщение (кодовая последовательность).

Кодовая последовательность, прошедшая через канал связи, подвергается декодированию без исправления ошибок, с обнаружением или коррекцией ошибок, в зависимости от используемого в лабораторной работе метода кодирования.

Заключительным этапом является этап измерения характеристик эффективности и помехоустойчивости кода. Определяются следующие количественные оценки:

• коэффициент сжатия;

• количество искажённых разрядов;

• количество искажённых символов;

• количество обнаруженных ошибок (для кодов с обнаружением ошибок);

• количество исправленных ошибок (для корректирующих кодов), а так же доля неверно исправленных;

Данные операции выполняются для каждого значения вероятностей.

По завершении выполнения лабораторной работы студент оформляет и защищает отчёт по лабораторной работе.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

Исследование помехоустойчивости информационной

системы при простом кодировании

1 ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Построение простого табличного кода и экспериментальное определение достоверности передачи закодированного этим кодом сообщения по каналу связи с шумами.

Определение зависимости энтропии сообщения от уровня шумов в канале связи.

2 ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Введение в теорию информации и кодирования

Информация наряду с энергией является первичным понятием нашего мира и поэтому в строгом смысле не может быть определена. Можно лишь перечислить её основные свойства, например такие как:

1. информация приносит сведения, об окружающем мире, которых не было до её рассмотрения или получения;

2. информация нематериальна, но она проявляется в форме материальных носителей дискретных знаков или первичных сигналах;

3. знаки и первичные сигналы несут информацию только для получателя способного их распознать;

В узком практическом смысле под информацией понимают отражение состояния и свойств окружающей среды в сигналах различной физической природы, которые могут быть объектами хранения, отображения, обработки, передачи информации и т.д.

Знаки или первичные сигналы, организованные в последовательности, несут информацию не потому, что они повторяют объекты реального времени, а по общественной договорённости об однозначной связи знаков и объектов, например: предметы и слова для их обозначения. Кроме того, первичные сигналы могут быть порождены естественными законами реального мира, например: напряжение на выходе термопары под действием температуры. Информация, основанная на однозначной связи знаков или сигналов с объектами реального мира, называется семантической или смысловой. Информация, заключённая в характере (порядке и взаимосвязи) следования знаков сообщающей, называется синтаксической. Также в общей науке о знаках, кроме перечисленных выделяют сигматический и прагматический аспекты информации. В первом случае изучается вопрос о выборе знаков для обозначения объектов реального мира, во втором случае о ценности информации для достижения поставленных целей.

Очевидно, что наибольший практический интерес представляют смысловой и прагматический аспекты. Однако до сих пор не определены объективные количественные критерии меры ценности и полезности информации. В теории информации изучают проблемы синтаксического уровня, касающиеся создания теоретических основ построения систем связи, основные показатели функционирования, которых были бы близки к предельным возможностям. Иначе говоря, рассмотрению подлежат вопросы доставки получателю информации как совокупности из знаков. При этом последовательность игнорируется смысловое и прагматическое содержание.

Синтаксическая мера информации имеет практическую ценность, потому что интересующая в конечном итоге получателя информация заключена в заданной последовательности знаков или первичных сигналов. Чем больше знаков передаются в определенный интервал времени, тем, в среднем, больше передается и смысловой информации.

Введем некоторые понятия и определения. Информация передается и хранится в виде сообщений.

Под сообщением понимают совокупность знаков или первичных сигналов, содержащих информацию. Иначе говоря, сообщение - это информация представленная в какой-либо форме.

Для того, чтобы сообщение можно было передать получателю, нужно воспользоваться некоторым физическим процессом, способным с той или иной скоростью распространяться от источника к получателю сообщения. Изменяющийся во времени физический процесс, отражающий передаваемое сообщение, называется сигналом.

Сообщения могут быть функциями времени - непрерывные сообщения; и не являться ими - дискретные сообщения.