ІС та технології. Частина 1

21

зелених листків на одному дереві і двох абсолютно однакових звуків - це інформація аналогова. Якщо ж різним кольорам дати номери, а різним звукам

- ноти, то аналогову інформацію можна перетворити у цифрову.

Передача великих інформаційних потоків на значні відстані здійснюється з допомогою кабельних, радіорелейних і супутникових ліній зв'язку. Сьогодні вже маємо широке застосування оптичного зв'язку по оптичним кабелям. Сучасні системи зв'язку здатні передавати повідомлення в будь-якій формі: телеграфні, телефонні, телевізійні, масиви даних, друкарські матеріали, фотографії тощо.

Відповідно до специфіки переданих повідомлень організується канал,

що являє собою комплекс технічних засобів, який забезпечує передачу сигналів від джерела до споживача (Рис. 1.1.).

Рис. 1.1. Структура системи передачі інформації.

Інформація передається у вигляді повідомлень від деякого джерела інформації до її приймача за допомогою каналу зв'язку між ними. Джерело посилає передане повідомлення, яке кодується в сигнал, що передається. Цей сигнал посилається по каналу зв'язку. У результаті в приймачі з'являється прийнятий сигнал, який декодується і стає прийнятим повідомленням.

Передача інформації через канал зв'язку часто супроводжується впливом перешкод, що викликають спотворення і втрату інформації.

До головних параметрів, що характеризують канал зв'язку, відносяться:

ширина смуги пропускання, припустимий динамічний діапазон змін амплітуди сигналу, а також рівень перешкод.

Будь-яка подія чи явище може бути виражене по-різному, різними способами, різним алфавітом. Щоб інформацію більш точно і економно передати по каналах зв'язку, її треба відповідно закодувати.

22

Інформація не може існувати без матеріального носія, без передачі енергії. Закодоване повідомлення набуває вигляду сигналів-носіїв інформації, які йдуть по каналу. Вийшовши на приймач, сигнали знову повинні бути перетворені у загальнозрозумілу форму з допомогою декодуючого пристрою. Сукупність пристроїв, предметів або об'єктів,

призначених для передачі інформації (електричних сигналів) від одного з них, що назване джерелом, до іншого, іменованого приймачем, називається

каналом передачі інформації або інформаційним каналом. Входи каналу підключаються до передавача, а виходи – до приймача. Неодмінною складовою будь-якого каналу є лінія зв'язку – дротова, кабельна, радіо,

мікрохвильова, оптична, супутникова.

Прикладом може служити телефон. При телефонної передачі джерело повідомлення - говорить. Кодуючий пристрій перетворює звуки слів в електричні імпульси – це мікрофон. Канал, по якому передається інформація, - це телефонний дріт. Частина трубки, яку ми підносимо до вуха, виконує роль декодуючого пристрою - електричні сигнали знову перетворюються на звуки. Інформація надходить в "приймаючий пристрій" – це вухо людини на іншому кінці дроту. Канал включає в себе телефонні апарати (пристрої),

дроти (предмети) і апаратуру АТС (пристрої). Особливістю цього інформаційного каналу є така обставина, що початкова інформація, подана у вигляді звукових хвиль, потім перетворюється в електричні коливання і лише потім передається. Такий канал називається каналом з перетворенням інформації. В даному випадку маємо приклад передачі аналогової інформації

(безперервного сигналу).

Комп'ютер – це вже приклад передачі цифрової інформації. Окремі його системи передають одна одній інформацію з допомогою сигналів. Комп'ютер

- пристрій для обробки інформації (як верстат - пристрій для обробки металу), він не створює з "нічого" інформацію, а перетворює те, що в нього введено. Комп'ютер є інформаційним каналом з перетворенням інформації:

інформація надходить із зовнішніх пристроїв (клавіатура, диск, мікрофон) як

23

аналоговий сигнал, далі перетворюється у внутрішній код (цифровий сигнал)

і обробляється. Після чого знову перетворюється в аналоговий сигнал,

придатний для сприйняття зовнішніми вихідними пристроями (монітором,

принтером, динаміками тощо), яким він передається.

Повідомлення для передачі повинно бути попередньо перетворене на сигнал, під яким розуміється фізична величина, що змінюється адекватно повідомленню. Процес перетворення повідомлення на сигнал називається

кодуванням.

Проходження сигналів по каналу зв'язку завжди супроводжується перекручуванням та впливом перешкод. Тому головною функцією приймача є розпізнавання переданого сигналу в прийнятих коливаннях. Цю операцію приймач робить у процесі демодуляції (детектування, англійською detection –

виявлення), тобто в процесі виділення переданого сигналу, після чого він перетворюється на повідомлення.

У сучасних цифрових системах зв'язку головні функції передавача і приймача виконує пристрій, що називається модемом. Це сукупність передавача та приймача в одному корпусі для здійснення провідного дуплексного зв'язку. Якщо термінал знаходиться на значній відстані від комп'ютера, наприклад, у сусідньому будинку чи в іншому місті, або зв'язок користувача з комп'ютером відбувається з допомогою звичайної телефонної мережі, необхідні прийомопередавачі на кінцевих пунктах лінії. Ці функції виконує модем. Модеми, що випускаються в даний час, є різноманітними за конструкцією, але, як правило, складаються з інтерфейсної частини для з'єднання з комп'ютером, кодера і декодера, модулятора та демодулятора.

Максимально можлива швидкість передачі інформації по каналу зв'язку за фіксованих обмежень називається ємністю каналу, позначається через С й має розмірність біт/с:

C=V/t (4),

де V – об'єм інформації (біт), t – час (сек).

24

Така одиниця має ще іншу назву – бод.

Сьогодні інженери створили нову технологію супершвидкої передачі інформації, що дозволяє передавати з допомогою всього одного лазерного променя до 26 терабіт даних в секунду. За словами розробників, з подібною швидкістю найбільшу бібліотеку в світі - американську Бібліотеку Конгресу

- в цифровому вигляді можна було б передати за 10 секунд.

1.4. Принципи кодування та одиниці виміру інформації

Всі цифрові технології засновані на методах кодування і передачі інформації. Розглянемо головні принципи кодування, поняття двійкового коду та одиниці виміру цифрової інформації.

До цифрових пристроїв, перш за все, відносять персональні комп'ютери,

оскільки вони працюють з цифровою формою інформації. Комп'ютер - це цифровий пристрій, тобто електронний пристрій, в якому робочим сигналом є дискретний сигнал.

Як відомо, робота комп'ютера ґрунтується на двох принципах:

двійкового кодування команд і даних та програмного управління.

1.4.1. Кодування і декодування цифрової інформації. Поняття двійкового коду. Одиниці виміру цифрової інформації

Сьогоднішні комп'ютери оперують дискретними сигналами, що несуть двійкові значення, умовно позначені як «так» і «ні» (на електричному рівні: 0

вольт і V вольт, для деякого ненульового значення V). З допомогою одного двійкового сигналу за один крок можна передати інформацію про один із двох положень: 0 («так») або 1 («ні»). З допомогою N двійкових сигналів за один крок можна передати інформацію про один з 2 N положень (2 N - це число комбінацій нулів і одиниць для N сигналів).

Взаємодія всіх складових комп'ютера відбувається шляхом обміну та обробки одного або одночасно декількох двійкових сигналів. Всі коди управління і сама інформація, що обробляється, подається у вигляді чисел.

25

Згідно з принципом двійкового кодування, всі дані та програми їх опрацювання представлені двійковими кодами. Сукупність правил, за якими виконується кодування, називається кодом Інакше кажучи, код – це правило відображення інформації. Кодування - це подання за визначеними правилами дискретних повідомлень у деяких комбінаціях, складених з визначеної кількості елементів. Ці елементи називають елементами коду, а

кількість різноманітних елементів, з яких складаються комбінації, основою коду. Правило кодування зазвичай виражається кодовою таблицею, в якій кожному сигналу повідомлення відповідає визначена кодова комбінація.

Кодове подання дискретних значень сигналу здійснюється з допомогою цифр, але не обов’язково десяткових. Якщо для подання дискретних повідомлень складають комбінації із різноманітних сполучень 0

та 1, маємо код з основою два або двійковий код. Наприклад, число 25 у

двійковій системі числення виглядатиме так: 1 х 24 + 1 х 2 3 +0 х 2 2 + 0 х 21 + 1 х 20 = 25,

і це число запишеться в послідовності розрядів як 11001.

Група двійкових знаків, що обробляється одночасно, називається машинним словом, а кількість двійкових знаків у слові довжиною слова.

Слово є базовою логічною одиницею інформації в комп’ютері. За одиницю інформації взята кількість інформації, що укладена у виборі однієї з двох рівно ймовірних подій. Ця одиниця називається двійковою одиницею, або

бітом (binary digit, binary unit) bit. Отже біт це один двійковий розряд, в

який можна записати лише 1 або 0. Подія є 1, події немає 0.

У комп'ютерній техніці біт відповідає фізичному стану носія інформації: намагнічене - не намагнічене, є отвір - немає отвору. При цьому один стан прийнято позначати цифрою 0, а інший - цифрою 1. Вибір одного з двох можливих варіантів дозволяє також розрізняти логічні істину і хибність.

Послідовністю бітів можна закодувати текст, зображення, звук або будь-яку іншу інформацію.

26

В інформатиці часто використовується величина, яка називається

байтом (byte) і дорівнює 8 бітам. І якщо біт дозволяє вибрати один варіант з двох можливих, то байт, відповідно, 1 з 256 (28).

Біт - найменша одиниця подання інформації. Байт - найменша одиниця обробки і передачі інформації.

Таким чином маємо: 8 бітів = 1 байт;

1 Кбайт (один кілобайт) = 210 байт = 1024 байта; 1 Мбайт (один мегабайт) = 210 Кбайт = 1024 Кбайта;

1 Гбайт (один гігабайт) = 210 Мбайт = 1024 Мбайта.

Отже кодування інформації - це процес формування певного уявлення про інформацію. Інформація здійснює перехід від початкової форми подання у форму, зручну для зберігання, передачі або обробки. Декодування – це процес, коли інформація здійснює зворотній перехід до її початкової форми.

Отже, з допомогою двох цифр 0 і 1 можна закодувати будь-яке повідомлення.

Інженерів такий спосіб кодування залучив простотою технічної реалізації - є сигнал чи немає сигналу. Ці стани легко розрізняти. Недолік двійкового кодування - довгі коди. Але в техніці легше мати справу з великою кількістю однотипних елементів, ніж з невеликим числом складних.

1.4.2. Кодування текстової інформації

Починаючи з 60-х років, комп'ютери в основному використовувалися для обробки текстової інформації. Сьогодні також велика частина ПК у світі зайнята обробкою саме текстової інформації.

Кодування тексту, що вводять в комп'ютер, відбувається найпростішим способом: кожному знаку (символу) відповідає двійкове число.

Для кодування одного символу потрібен один байт інформації.

Враховуючи, що кожен біт приймає значення 1 або 0, отримуємо, що з допомогою 1 байта можна закодувати 256 різних символів. (28 = 256)

Кодування полягає в тому, що кожному символу ставиться у відповідність

28

інформації в якості конкретного, досить загального випадку графічного об'єкта, виберемо зображення на екрані телевізора. Це зображення складається з деякої кількості горизонтальних ліній - рядків. А кожен рядок,

в свою чергу, складається з елементарних найдрібніших одиниць зображення

- точок, які прийнято називати пікселями (picsel - PICture'S ELement -

елемент картинки). Піксель на кольоровому дисплеї може мати різне забарвлення, тому одного біта на піксель недостатньо. Для кодування 4-

кольорового зображення потрібні два біти на піксель, оскільки два біти можуть приймати 4 різних стани. Може використовуватися, наприклад, такий варіант кодування кольорів: 00 - чорний, 10 - зелений, 01 - червоний, 11 -

коричневий. На RGB-моніторах все розмаїття кольорів виходить поєднанням базових кольорів - червоного (Red), зеленого (Green), синього (Blue), з яких можна отримати 8 основних комбінацій.

Весь масив елементарних одиниць зображення називають растром.

Ступінь чіткості зображення залежить від кількості рядків на весь екран і кількості точок у рядку, які представляють роздільну здатність екрану. Чим більше рядків і точок, тим чіткіше і краще зображення.

Розглянемо принципи кодування монохромного зображення, тобто зображення, що складається з будь-яких двох контрастних кольорів - чорного та білого, зеленого та білого, коричневого та білого тощо. Для зручності будемо вважати, що один із кольорів - чорний, а другий - білий. Тоді кожен піксель зображення може мати чорний або білий колір.

Поставивши у відповідність чорному кольору двійковий код "0", а

білому - код "1" (або навпаки), ми зможемо закодувати в одному біті стан одного пікселя цього зображення. А так, як байт складається з 8 біт, то на рядок, що складається з 640 точок, потрібно 80 байтів пам'яті, а на все зображення - 38400 байтів.

Однак отримане таким чином зображення буде надмірно контрастним.

Реальне чорно-біле зображення складається не тільки з білого і чорного кольорів – в нього входять безліч різних проміжних відтінків - сірий, світло-

29

сірий, темно-сірий і т. ін. Якщо, крім білого і чорного кольорів,

використовувати тільки дві додаткові градації, скажімо світло-сірий і темно-

сірий, то для того, щоб закодувати колірний стан одного пікселя, потрібно вже два біти. При цьому кодування може бути, наприклад, таким: чорний колір - 002, темно-сірий - 012, світло-сірий - 102, білий - 112.

1.4.4. Кодування звукової інформації

Розвиток способів кодування звукової інформації, а також рухомих зображень - анімації і відеозаписів розпочався значно пізніше розглянутих вище різновидів інформації. Аудіо сигнали в цифровий апаратурі представляють у вигляді чисел. Отже, яким же чином можна описати аналоговий аудіо сигнал в цифровій формі? Реальний аудіо сигнал - це складне за формою коливання, певна складна залежність амплітуди звукової хвилі від часу.

Для комп'ютерної обробки аналоговий сигнал потрібно певним чином перетворити в послідовність двійкових чисел. Якщо вимірювати напругу через рівні проміжки часу і записувати отримані значення в пам'ять комп'ютера, то матимемо процес, що називається дискретизацією (або оцифруванням).

Таким чином, перетворення аналогового звукового сигналу в цифрову форму називається аналогово-цифровим перетворенням. Процес такого перетворення полягає в: здійсненні вимірів величини амплітуди аналогового сигналу з деяким тимчасовим кроком (операція дискретизації) та подальшому запису отриманих значень амплітуди в числовому вигляді

(операція квантування).

Чим вища частота дискретизації (тобто кількість відліків за секунду) і

чим більше розрядів відводиться для кожного відліку, тим точніше буде представлений звук. Але при цьому збільшується і розмір звукового файлу.

Тому залежно від характеру звуку, вимог, що пред'являються до його якості і об'єму займаної пам'яті, вибирають деякі компромісні значення.

30

Пристрій, що виконує оцифрування, називають аналогово-цифровим перетворювачем (АЦП). Щоб відтворити закодований таким чином звук,

потрібно виконати зворотне перетворення (для цього служить цифро-

аналоговий перетворювач (ЦАП)), а потім згладити отриманий ступінчастий сигнал.

1.5. Інформаційні системи

Інформаційні системи ми спостерігаємо щодня, їх прикладів можна навести безліч. Наприклад, комп’ютер здійснює майже всі інформаційні процеси як система, призначена спеціально для роботи з інформацією;

телебачення забезпечує, в першу чергу, поширення інформації; цифровий фотоапарат обробляє інформацію, отриману під час зйомки, та може зберігати її; мережа мобільного зв’язку допомагає передавати інформацію.

1.5.1. Основні поняття та визначення

Термін система має грецьке походження й означає «ціле, утворене з окремих частин». Світ навколо нас сповнений системами — механізмами,

живими істотами, спільнотами людей, тобто системами механічними,

біологічними, соціальними тощо.

Одне зі значень терміну система — це сукупність елементів, які працюють разом, взаємодіючи між собою, під час виконання завдання. ІІ різновидом є інформаційна система, тобто організований набір елементів,

що здійснює збір, обробку, передачу, зберігання та надання інформації.

В більшості джерел частіше всього зустрічається досить вузьке визначення: інформацíйна система — це сукупність організаційних і технічних засобів для збереження та обробки інформації з метою забезпечення інформаційних потреб користувачів. До визначення інформаційної системи іноді включають компоненти системи, а також сфери діяльності, в яких ця система використовується.

У США, наприклад, під інформаційними системами розуміють усі письмові й електронні форми поширення інформації, обробки даних та