Часть 1 №3

Передача и восприятие информации.

При передаче данных в электронном виде по физической среде необходимо, как минимум, два узла - передатчик (отправитель или источник информации) и приемник (получатель - информации). Для соединения передатчика и приемника используется канал передачи данных, который состоит из физической среды передачи и соответствующих приемо-передающих устройств, подключенных к источнику и приемнику данных. Задача передатчика состоит в кодировании и передаче информации, а задача приемника - в их приеме и декодировании. Кодирование данных может включать в себя специальные операции - например, сжатие (для устранения избыточности) или шифрование (для предотвращения несанкционированного доступа или перехвата информации).

Структура системы передачи информации.

• Прямая (межузловая) передача (point-to-point, direct): осуществляется по каналу прямой передачи данных, который непосредственно соединяет передатчик с приемником. Передача такого типа часто встречается в небольших локальных сетях, а также при использовании выделенных линий связи.

• Косвенная (mediated) передача: осуществляется посредством одного или нескольких промежуточных узлов. Такая передача используется в том случае, если прямое соединение между приемником и передатчиком отсутствует. В этом случае, все передаваемые данные будут идти по одному и тому же маршруту.

• Коммутируемая (switched) передача: непрямая передача, осуществляемая посредством нескольких промежуточных узлов и (возможно) - по нескольким маршрутам. Для коммутации передаваемых данных и маршрутов могут использоваться различные элементы передаваемых данных - блоки фиксированной длины, пакеты переменной длины или целые сообщения.

• Широковещательная (broadcast) передача: выполняется на все, предназначенные для приёма подобной информации станции или узлы. Примером широковещательной передачи данных может служить система радиовещания.

• Групповая (multicast) передача: выполняется на все узлы, находящиеся в определенном списке адресов. Примерами такой передачи могут служить рассылка сообщений подписчикам электронной конференции или электронная почта специализированных групп, рассылаемая только подписчикам.

• Передача с промежуточным хранением (stored and forwarded): состоит в передаче данных на промежуточный узел, где они хранятся до получения запроса или до истечения определенного промежутка времени.

• Временное мультиплексирование (TDM, time-division multiplexed): применяется в сочетании с другими способами передачи и позволяет организовать параллельную передачу данных от различных источников по одной линии связи. Блоки данных, относящиеся к различным сообщениям, чередуются и направляются в линию через определенные временные промежутки. Методика временного мультиплексирования основана на последовательной передаче небольших участков от каждого входного канала, отправляющего информационную последовательность таким образом, что каждому входному каналу выделяется определенное количество временных интервалов в выходном канале. Если общий выходной канал передачи данных разделен между мутиплексируемыми каналами, то каждый из них получает в свое распоряжение 1/n часть времени общего выходного канала. Методику временного мультиплексирования иногда используют для организации вторичного канала, который работает на границах полосы пропускания основного канала, то есть в областях которые, обычно, не используются для передачи данных. При мультиплексировании с временным разделением отдельные куски

сообщений квантуются, взаимосмещаются во времени и отправляются в определенном порядке

• Частотное мультиплексирование (FDM, frequency-division multiplexed): применяется в сочетании с другими способами передачи и позволяет организовать параллельную передачу данных от различных источников. В отличие от ТDМ общая магистраль разделяется на несколько узкополосных частотных каналов, по каждому из которых пересылается информация соответствующего источника разделенных несколькими частотными диапазонами, Для передачи данных одного канала, ему выделяется несущая частота и индивидуальный диапазон частот внутри широкого канала передачи. При мультиплексировании с частотным разделением каждому каналу выделяется собственная полоса частот, каждая из которых представляет часть общей полосы пропускания. Каждая полоса частот данных отделена от соседних полос защитными полосами.

• Мультиплексирование с разделением длин волн: длина волны и частота электромагнитных и оптических сигналов обратно пропорциональны друг другу. Мультиплексирование с разделением длин волн аналогично частотному с тем отличием, что для одновременной передачи мультиплексируемых сигналов по одному кабелю или оптоволокну используются волны различных длин.

Классификация видов сигналов.

Под аналоговым сигналом понимают сигнал, непрерывный во времени и принимающий значение из какого-то промежутка значений

Дискретный сигнал представляется в виде последовательности значений, взятых в дискретные моменты времени.

В квантовом сигнале область значений сигнала разбивается на уровни, количество которых должно быть представлено в числах заданной разрядности.

Под цифровым сигналом понимается сигнал, полученный из аналогового путем квантования по амплитуде и дискретизации по времени.

Детерминированными сигналами называются сигналы, значения которых в любые моменты времени является известными величинами или могут быть заранее вычислены.

Случайным сигналом является такой, значения параметра которого случайны и заранее не известны и могут быть определены с некоторой степенью вероятности.

Сущность временного и спектрального представления сигнала.

Спектральная(частотная) форма представления сигналов использует расположение сигнальных функций на гармонические составляющие. Это представление параметров сигнала в виде 2х графиков: графика спектра амплитуд и графика спектра фаз.

Ширина полосы сигнала – это разность между его самой высокой и самой низкой частотами, при которых амплитуды превышают заданное значение.

Спектр (частотный) сигнала отображает его частотный состав. ширина полосы не дает информации о значениях частот, содержащихся в сигнале. Спектр же сигнала позволяет их увидеть.

Временная форма представления сигнала- это описание изменения его параметров в функции времени. Такая форма описания позволяет определить энергию, мощность и длительность сигнала.

Вторая теорема Шеннона.

Поток информации c=2*f _m*H где f частота Н энтропия.

максимальный поток информации по передающему каналу, или пропускную способность канала: c_max=2*f_m*H_max=f_m*log₂(1 +N_s/N_r)

Полосой пропускания (пропускной способностью) оценивается количество информации, которое может быть передано по каналу. Ширина полосы пропускания измеряется в битах в секунду (бит/с) - для цифровых сигналов или в герцах (Гц) - для аналоговых сигналов, например, звуковых волн. Ширина полосы пропускания для аналоговой системы равна разности вычитания наинизшей передаваемой частоты из наивысшей.

Теорема Шеннона для канала связи с шумом: для канала с помехами всегда можно найти такую систему кодирования, при которой сообщения будут переданы со сколь угодно большой степенью верности, если только скорость передачи сообщения не превышает пропускную способность канала.

Сравнение задач оптимального кодирования, шифрации и помехоустойчивого кодирования с точки зрения роли избыточности.

Оценить оптимальность, криптостойкость и помехоустойчивость кодирования можно с помощью избыточности. Из определения оптимального кода следует, что кодирование будет более оптимально при наименьшей избыточности. Также при наименьшей избыточности криптостойкость зашифрованной информации будет выше, так как труднее будет восстановить исходную информацию. Поэтому шифруемую информацию сначала сжимают, используя алгоритмы Хаффмэна, Шеннона, Фано, а уже потом шифруют. А вот помехоустойчивость будет выше при более высокой избыточности, которая появляется при добавлении проверочных и исправляющих кодов, не несущей смысловой нагрузки. Поэтому наиболее оптимальны коды не помехоустойчивые.

Идея помехоустойчивого кодирования.

Физическая среда, по которой передаются данные не может быть абсолютно надёжной. Более того, уровень шума бывает очень высоким, например в беспроводных системах связи и телефонных системах. Ошибки при передаче — это реальность, которую надо обязательно учитывать.

Для надёжной передачи кодов было предложено два основных метода.

Первый — добавить в передаваемый блок данных нескольких «лишних» бит так, чтобы, анализируя полученный блок, можно было бы сказать есть в переданном блоке ошибки или нет. Это, так называемые, коды с обнаружением ошибок. Второй — внести избыточность настолько, чтобы, анализируя полученные данные, можно не только замечать ошибки, но и указать, где именно возникли искажения. Это коды, исправляющие ошибки.

В обоих методах используется принцип добавления дополнительных битов. Количество добавленных битов можно найти из неравенства:(2^х>= m+x+1),где х- это количество доп.битов, а m-длина исходного сообщения.

Расстояние Хэмминга.

Расстояние Хемминга показывает насколько «далеко» расположены разрешённые кодовые комбинации друг от друга. Расстояние Хемминга между двумя разрешёнными комбинациями определяется количеством различных двоичных разрядов между этими комбинациями. Минимальное из этих расстояний называется Минимальным расстоянием Хемминга и обозначается «d_min». d_min является важной характеристикой линейного блокового кода. Она определяет другую не менее важную характеристику- корректирующую способность:2t<d_min. Корректирующая способность определяет, сколько ошибок передачи кода можно гарантированно исправить.

d min> 2t+S t-кратность ошибок которые можно исправить ,s-которые можно обнаружить. Количество исправленных ошибок=1,2,…t, количество обнаруженых= t+1… t+S

Особенности зрительного и слухового восприятия информации, источники избыточности и пути ее устранения.

Можно указать на следующие особенности зрительного восприятия человека:

- Психофизические эксперименты подтверждают тот факт, что человеческое зрение менее чувствительно к утрате высокочастотных компонент в спектре, нежели низкочастотных.

- Для человеческого глаза низкочастотные компоненты содержат больше информации, чем высокочастотные, которые очень часто соответствуют малозначительным деталям или вообще шуму.

Данные особенности активно используются в алгоритмах сжатия, которые приводят к потерям (в смысле невозможности абсолютно точного восстановления), в частности, в стандартах сжатия JPEG (для статических изображений) и MPEG (для видео).

Особенности слухового восприятия информации:

- Частотный спектр воспринимаемый человеком (примерно) от 20 Гц до 20 кГц, наибольшая чувствительность в диапазоне от 2 до 4 Гц.

- Общеизвестно, что человек в состоянии различить изменение частоты на 0.3% на частоте порядка 1 кГц.

- Если два сигнала различаются менее чем на 1 дБ по амплитуде - они трудноразличимы.

- Человек не в состоянии заметить внезапное исчезновение высоких частот, если оно не превышает порядка 2 мс.

Эти особенности используются для сжатия акустических сигналов, например, в таком широко известном формате звуковых файлов как MP3 (MPEG-1 Audio part, Layer 3). Высокая степень сжатия достигается за счет того, что частотные компоненты, которые находятся ниже порога слышимости или порога маскирования квантуются с меньшим разрешением, что, в свою очередь, позволяет сократить количество двоичных разрядов, необходимых для их кодирования.