Защита от шума

Работу этой схемы можно объяснить на примере телефонной связи. Источником информации в этой системе является говорящий человек, приемником, соответственно – слушающий. Кодирующее устройством является телефонная трубка, с помощью которой звуковые сигналы преобразуются в электромагнитные. Каналом связи является телефонная сеть. Декодирующим устройством, также является телефонная трубка.

Кодированием сигнала , при передачи информации, является любое преобразование информации, идущей от источника, в форму, пригодную для ее передачи по каналу связи. В настоящее время наиболее широко используется цифровая связь, которая, это по своему определению является дискретной. Кроме этого существует еще и аналоговая связь, это связь, при которой передача информации производится в форме непрерывного сигнала (старые стандарты телефонных сетей).

Под «Шумом» подразумеваются разного рода помехи искажающие передаваемый сигнал или приводящий к его потери. Такие помехи чаще всего возникают по техническим причинам: плохое качество линий связи, незащищенность друг от друга различных потоков информации, передаваемых по одному и тому же каналу связи.

Методы борьбы с «шумом»:

1. Повторение сигнала

2. Оцифровка сигнала

3. Усиление сигнала

4. Механические средства (витая пара, оптоволокно, экранирование и т.д.)

Кроме этого в теории кодирования разработаны методы представления передаваемой информации с целью уменьшения ее потерь под воздействием шума.

5.2. Компьютерные сети

Компьютерная сеть – это соединение двух и более компьютеров между собой для совместного доступа к общим ресурсам. Ресурсы бывают трех типов: аппаратные, программные и информационные

Под аппаратными ресурсами подразумевается техническое обеспечение общего доступа: принтера, увеличенная емкость жесткого диска (файл-сервер), хост-машина и т.д.

Обобщенно компьютерную сеть можно представить совокупностью узлов, связанных между собой средами распространения сигналов (передающими средами, магистралями, линиями связи). В узлах компьютерной сети размещаются элементы сети связи и компьютерные системы.

Сети связи. Основными элементами традиционных сетей связи являются оконечные устройства (терминалы), системы передачи и коммутации.

Терминалы предназначены для подключения источников и приёмников информации к сети связи. Например, по выделенной двухпроводной линии или через модем к ним могут быть подключены компьютеры.

Система передачи обеспечивает транспортировку информации на расстояние. В настоящее время они поддерживают многоканальную передачу сигналов по одной магистрали.

Система коммутации предназначена для обеспечения связи множества пространственно разнесенных источников и приемников информации. Благодаря связанным друг с другом системам коммутации формируется составной (сквозной) канал связи для участников

Каждая из сетей общего пользования имеет собственные протоколы, обеспечивающие доступ определённого вида услуг.

Протоколы. Под протоколом понимается совокупность соглашений, которыми руководствуются компоненты при взаимодействии. В нашем случае протокол есть стандартный свод правил, определяющих представление (в частном случае форматы) данных и процедуры обмена

Слайд 2

Технические системы передачи информации

Из истории: первой технической системой передачи стал телеграф (1837 г.); затем был изобретен телефон (1876 г. американец Александр Белл); изобретение радио (1895 г. Русский инженер Александр Степанович Попов.1896 г. итальянский инженер Г. Маркони) в 20 веке появились телевидение и Интернет

Слайд 3

Модель передачи информации К. Шеннона

Все перечисленные способы передачи информационной связи основаны на передаче на расстояние физического (электрического или электромагнитного) сигнала и подчиняются некоторым общим законам. Исследованием этих законов занимается теория связи, возникшая в 1920-х годах. Математический аппарат теории связи – математическую теорию связи, разработал ученый Клод Шеннон.

Слайд 4

Модель передачи информации по техническим каналам связи

ШУМ КАНАЛ СВЯЗИ ЗАЩИТА от ШУМА КОДИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ПРИЕМНИК ИНФОРМАЦИИ ДЕКОДИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ИСТОЧНИК ИНФОРМАЦИИ

Слайд 5

Пример работы модели передачи информации по техническим каналам

КОДИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО МИКРОФОН КАНАЛ СВЯЗИ ДЕКОДИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ПРИЕМНИК

Слайд 6

Кодирование информации

это любое преобразование информации, идущей от источника, в форму, пригодную для её передачи по каналу связи. Формы закодированного сигнала, передавае-мого по техническим каналам связи: электрический ток радиосигнал

Слайд 7

Современные компьютерные системы передачи информации – это компьютерные сети.

В компьютерных сетях кодирование – это процесс преобразования двоичного компьютерного кода в физический сигнал того типа, который передается по каналу связи, декодирование – это обратный процесс, преобразования передаваемого сигнала в компьютерный код.

Слайд 8

Задачи, решаемые разработчиками технических систем передачи информации:

как обеспечить наибольшую скорость передачи информации; как уменьшить потери информации при передаче. К. Шеннон был первым, взявшимся за решение этих задач и создавшим науку – теорию информации.

Слайд 10

зависит от его технической реализации. В компьютерных сетях используются следующие средства связи: телефонные линии (10÷100 Кбит/с); электрическая кабельная связь; оптоволоконная кабельная связь (10÷100 Мбит/с); радиосвязь (10÷100 Мбит/с).

Слайд 11

Скорость передачи информации

зависит не только от пропускной способности канала связи, но и от разрядности кодировки информации. Длину кода сообщения надо делать минимально возможной.

Слайд 12

Шум

Термином «шум» называют разного помехи, искажающие передаваемый сигнал и приводящие к потере информации. Технические причины возникновения помех: плохое качество линий связи; незащищенность друг от друга различных потоков информации, передаваемой по одним и тем же каналам. Наличие шума приводит к потере информации

Слайд 13

Защита от шума

Шеннон разработал специальную теорию кодирования, дающую методы борьбы с шумом. Одна из важнейших идей этой теории состоит в том, что передаваемый по линии связи код должен быть избыточным. Избыточность кода – это многократное повторение передаваемых данных.

| 8 классы | Планирование уроков на учебный год | Работа в локальной сети компьютерного класса в режиме обмена файлами

Урок 2
Работа в локальной сети компьютерного класса в режиме обмена файлами

Передача информации по техническим каналам связи

Передача информации по техническим каналам связи

Схема Шеннона

Американский ученый, один из основателей теории информации, Клод Шеннон предложил схему процесса передачи информации по техническим каналам связи (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Схема технической системы передачи информации

Работу такой схемы можно пояснить на знакомом всем процессе разговора по телефону. Источник информации - говорящий человек. Кодирующее устройство - микрофон телефонной трубки, с помощью которого звуковые волны (речь) преобразуются в электрические сигналы. Канал связи - телефонная сеть (провода, коммутаторы телефонных узлов, через которые проходит сигнал). Декодирующее устройство - телефонная трубка (наушник) слушающего человека - приемника информации. Здесь пришедший электрический сигнал превращается в звук.

Здесь передача информации производится в форме непрерывного электрического сигнала. Это аналоговая связь .

Кодирование и декодирование информации

Под кодированием понимается любое преобразование информации, идущей от источника, в форму, пригодную для ее передачи по каналу связи.

На заре эры радиосвязи применялся код азбуки Морзе . Текст преобразовывался в последовательность точек и тире (коротких и длинных сигналов) и передавался в эфир. Принимавший на слух такую передачу человек должен был суметь декодировать код обратно в текст. Еще раньше азбука Морзе использовалась в телеграфной связи. Передача информации с помощью азбуки Морзе - пример дискретной связи.

В настоящее время широко используется цифровая связь, когда передаваемая информация кодируется в двоичную форму (0 и 1 - двоичные цифры), а затем декодируется в текст, изображение, звук. Цифровая связь, очевидно, тоже является дискретной.

Шум и защита от шума. Теория кодирования Шеннона

Информация по каналам связи передается посредством сигналов различной физической природы: электрических, электромагнитных, световых, акустических . Информационное содержание сигнала заключается в значении или в изменении значения его физической величины (силы тока, яркости света и пр.). Термином «шум» называют разного рода помехи, искажающие передаваемый сигнал и приводящие к потере информации. Такие помехи прежде всего возникают по техническим причинам: плохое качество линий связи, незащищенность друг от друга различных потоков информации, передаваемых по одним и тем же каналам. Часто, беседуя по телефону, мы слышим шум, треск, мешающие понять собеседника, или на наш разговор накладывается разговор других людей. В таких случаях необходима защита от шума.

В первую очередь применяются технические способы защиты каналов связи от воздействия шумов. Такие способы бывают самыми разными, иногда простыми, иногда очень сложными. Например, использование экранированного кабеля вместо «голого» провода; применение разного рода фильтров, отделяющих полезный сигнал от шума, и пр.

К. Шеннон разработал специальную теорию кодирования , дающую методы борьбы с шумом. Одна из важных идей этой теории состоит в том, что передаваемый по линии связи код должен быть избыточным. За счет этого потеря какой-то части информации при передаче может быть компенсирована. Например, если при разговоре по телефону вас плохо слышно, то, повторяя каждое слово дважды, вы имеете больше шансов на то, что собеседник поймет вас правильно.

Однако нельзя делать избыточность слишком большой. Это приведет к задержкам и удорожанию связи. Теория кодирования Шеннона как раз и позволяет получить такой код, который будет оптимальным. При этом избыточность передаваемой информации будет минимально возможной, а достоверность принятой информации - максимальной.

В современных системах цифровой связи часто применяется следующий прием борьбы с потерей информации при передаче. Все сообщение разбивается на порции - пакеты . Для каждого пакета вычисляется контрольная сумма (сумма двоичных цифр), которая передается вместе с данным пакетом. В месте приема заново вычисляется контрольная сумма принятого пакета, и если она не совпадает с первоначальной, то передача данного пакета повторяется. Так происходит до тех пор, пока исходная и конечная контрольные суммы не совпадут.

Коротко о главном

Любая техническая система передачи информации состоит из источника, приемника, устройств кодирования и декодирования и канала связи .

Под кодированием понимается преобразование информации, идущей от источника, в форму, пригодную для ее передачи по каналу связи. Декодирование - это обратное преобразование.

Шум - это помехи, приводящие к потере информации.

В теории кодирования разработаны методы представления передаваемой информации с целью уменьшения ее потерь под воздействием шума.

Вопросы и задания

1. Назовите основные элементы схемы передачи информации, предложенной К. Шенноном.

2. Что такое кодирование и декодирование при передаче информации?

3. Что такое шум? Каковы его последствия при передаче информации?

4. Какие существуют способы борьбы с шумом?

ЕК ЦОР: Часть 2, заключение, дополнение к главе 1, § 1.1. ЦОР № 1.

Передача информации - термин, объединяющий множество физических процессов перемещения информации в пространстве. В любом из этих процессов задействованы такие компоненты, как источник и приемник данных, физический носитель информации и канал (среда) ее передачи.

Процесс передачи информации

Исходными вместилищами данных являются различные сообщения, передаваемые от их источников к приёмникам. Между ними и расположены каналы передачи информации. Специальные технические устройства-преобразователи (кодеры) формируют на основе содержания сообщений физические носители данных - сигналы. Последние подвергаются целому ряду преобразований, включая кодирование, сжатие, модуляцию, а затем направляются в линии связи. Пройдя через них, сигналы проходят обратные преобразования, включая демодуляцию, распаковывание и декодирование, в результате чего из них выделяются исходные сообщения, воспринимаемые приемниками.

Информационные сообщения

Сообщение - это некое описание явления или объекта, выраженное в виде совокупности данных, имеющей признаки начала и конца. Некоторые сообщения, например, речь и музыка, представляют собой непрерывные функции времени звукового давления. При телеграфной связи сообщение - это текст телеграммы в виде буквенно-цифровой последовательности. Телевизионное сообщение - это последовательность сообщений-кадров, которые «видит» объектив телекамеры и фиксирует их с частотой следования кадров. Подавляющая часть передаваемых в последнее время через системы передачи информации сообщений представляют собой числовые массивы, текстовые, графические, а также аудио- и видеофайлы.

Информационные сигналы

Передача информации возможна, если у нее имеется физический носитель, характеристики которого изменяются в зависимости от содержания передаваемого сообщения таким образом, чтобы они с минимальными искажениями преодолели канал передачи и могли быть распознаны приемником. Эти изменения физического носителя данных образуют информационный сигнал.

Сегодня передача и обработка информации происходят при помощи электрических сигналов в проводных и радиоканалах связи, а также благодаря оптическим сигналам в ВОЛС.

Аналоговые и цифровые сигналы

Широко известным примером аналогового сигнала, т.е. непрерывно изменяющегося во времени, является напряжение, снимаемое с микрофона, которое несет речевое или музыкальное информационное сообщение. Оно может быть усилено и передано по проводным каналам на звуковоспроизводящие системы концертного зала, которые донесут речь и музыку со сцены до зрителей на галерке.

Если в соответствии с величиной напряжения на выходе микрофона непрерывно во времени изменять амплитуду или частоту высокочастотных электрических колебаний в радиопередатчике, то можно осуществить передачу в эфир аналогового радиосигнала. Телепередатчик в системе аналогового телевидения формирует аналоговый сигнал в виде напряжения, пропорционального текущей яркости элементов изображения, воспринимаемого объективом телекамеры.

Однако если аналоговое напряжение с выхода микрофона пропустить через цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), то на его выходе получится уже не непрерывная функция времени, а последовательность отсчетов этого напряжения, взятых через равные промежутки времени с частотой дискретизации. Кроме того, ЦАП выполняет еще и квантование по уровню исходного напряжения, заменяя весь возможный диапазон его значений конечным набором величин, определяемых числом двоичных разрядов своего выходного кода. Получается, что непрерывная физическая величина (в данном случае это напряжение) превращается в последовательность цифровых кодов (оцифровывается), и далее уже в цифровом виде может храниться, обрабатываться и передаваться через сети передачи информации. Это существенно повышает скорость и помехоустойчивость подобных процессов.

Каналы передачи информации

Обычно под этим термином понимаются комплексы технических средств, задействованных в передаче данных от источника к приемнику, а также среда между ними. Структура такого канала, использующая типовые средства передачи информации, представлена следующей последовательностью преобразований:

ИИ - ПС - (КИ) - КК - М - ЛПИ - ДМ - ДК - ДИ - ПС

ИИ - источник информации: человек либо иное живое существо, книга, документ, изображение на неэлектронном носителе (холст, бумага) и т.д.

ПС - преобразователь информсообщения в информсигнал, выполняющий первую стадию передачи данных. В качестве ПС могут выступать микрофоны, теле- и видеокамеры, сканеры, факсы, клавиатуры ПК и т. д.

КИ - кодер информации в информсигнале для сокращения объема (сжатия) информации с целью повысить скорость ее передачи или сократить полосу частот, требуемую для передачи. Данное звено необязательно, что показано скобками.

КК - канальный кодер для повышения помехозащищённости информсигнала.

М - сигнальный модулятор для изменения характеристик промежуточных сигналов-носителей в зависимости от величины информсигнала. Типичный пример - амплитудная модуляция сигнала-носителя высокой несущей частоты в зависимости от величины низкочастотного информсигнала.

ЛПИ - линия передачи информации, представляющая совокупность физической среды (например, электромагнитное поле) и технических средств для изменения ее состояния с целью передачи сигнала-носителя к приемнику.

ДМ - демодулятор для отделения информсигнала от сигнала-носителя. Присутствует только при наличии М.

ДК - канальный декодер для выявления и/или исправления ошибок в информсигнале, возникших на ЛПИ. Присутствует только при наличии КК.

ДИ - декодер информации. Присутствует только при наличии КИ.

ПИ - приемник информации (компьютер, принтер, дисплей и т. д.).

Если передача информации двусторонняя (канал дуплексный), то по обе стороны ЛПИ имеются блоки-модемы (МОдулятор-ДЕМодулятор), объединяющие в себе звенья М и ДМ, а также блоки-кодеки (КОдер-ДЕКодер), объединяющие кодеры (КИ и КК) и декодеры (ДИ и ДК).

Характеристики каналов передачи

К основным отличительным чертам каналов относятся пропускная способность и помехозащищенность.

В канале информсигнал подвергается действию шумов и помех. Они могут вызываться естественными причинами (например, атмосферными для радиоканалов) или быть специально созданными противником.

Помехозащищенность каналов передачи повышают путем использования разного рода аналоговых и цифровых фильтров для отделения информсигналов от шума, а также спецметодов передачи сообщений, минимизирующих влияние шумов. Одним из таких методов является добавление лишних символов, не несущих полезного содержания, но помогающих контролировать правильность сообщения, а также исправлять в нем ошибки.

Пропускная способность канала равна максимальному количеству двоичных символов (кбит), передаваемых им при отсутствии помех за одну секунду. Для различных каналов она варьируется от нескольких кбит/с до сотен Мбит/с и определяется их физическими свойствами.

Теория передачи информации

Клод Шеннон является автором специальной теории кодирования передаваемых данных, открывшим методы борьбы с шумами. Одна из основных идей этой теории заключается в необходимости избыточности передаваемого по линиям передачи информации цифрового кода. Это позволяет при потере какой-то части кода в процессе его передачи восстановить потерю. Такие коды (цифровые информсигналы) называются помехоустойчивыми. Однако избыточность кода нельзя доводить до слишком большой степени. Это ведёт к тому, что передача информации идет с задержками, а также к удорожанию систем связи.

Цифровая обработка сигналов

Другой важной составляющей теории передачи информации является система методов цифровой обработки сигналов в каналах передачи. Эти методы включают алгоритмы оцифровывания исходных аналоговых информсигналов с определенной частотой дискретизации, определяемой на основе теоремы Шеннона, а также способы формирования на их основе помехозащищенных сигналов-носителей для передачи по линиям связи и цифровой фильтрации принятых сигналов с целью отделения их от помех.

Используя ресурсы Интернет, найти ответы на вопросы:

Задание 1

1. Что представляет из себя процесс передачи информации?

Передача информации - физический процесс, посредством которого осуществляется перемещение информации в пространстве. Записали информацию на диск и перенесли в другую комнату. Данный процесс характеризуется наличием следующих компонентов:

2. Общая схема передачи информации

3. Перечислите известные вам каналы связи

Канал связи (англ. channel, data line ) - система технических средств и среда распространения сигналов для передачи сообщений (не только данных) от источника к получателю (и наоборот). Канал связи, понимаемый в узком смысле (тракт связи ), представляет только физическую среду распространения сигналов, например, физическую линию связи.

По типу среды распространения каналы связи делятся на:

4. Что такое телекоммуникации и компьютерные телекоммуникации?

Телекоммуникации (греч. tele - вдаль, далеко и лат. communicatio - общение) - это передача и прием любой информации (звука, изображения, данных, текста) на расстояние по различным электромагнитным системам (кабельным и оптоволоконным каналам, радиоканалам и другим проводным и беспроводным каналам связи).

Телекоммуникационная сеть - это система технических средств, посредством которой осуществляются телекоммуникации.

К телекоммуникационным сетям относятся:
1. Компьютерные сети (для передачи данных)
2. Телефонные сети (передача голосовой информации)
3. Радиосети (передача голосовой информации - широковещательные услуги)
4. Телевизионные сети (передача голоса и изображения - широковещательные услуги)

Компьютерные телекоммуникации - телекоммуникации, оконечными устройствами которых являются компьютеры.

Передача информации с компьютера на компьютер называется синхронной связью, а через промежуточную ЭВМ, позволяющую накапливать сообщения и передавать их на персональные компьютеры по мере запроса пользователем, - асинхронной.

Компьютерные телекоммуникации начинают внедряться в образование. В высшей школе их используют для координации научных исследований, оперативного обмена информацией между участниками проектов, обучения на расстоянии, проведения консультаций. В системе школьного образования - для повышения эффективности самостоятельной деятельности учащихся, связанной с разнообразными видами творческих работ, включая и учебную деятельность, на основе широкого использования исследовательских методов, свободного доступа к базам данных, обмена информацией с партнерами как внутри страны, так и за рубежом.

5. Что такое пропускная способность канала передачи информации?
Пропускная способность - метрическая характеристика , показывающая соотношение предельного количества проходящих единиц (информации , предметов, объёма) в единицу времени через канал, систему, узел.
В информатике определение пропускной способности обычно применяется к каналу связи и определяется максимальным количеством переданной/полученной информации за единицу времени.
Пропускная способность - один из важнейших с точки зрения пользователей факторов. Она оценивается количеством данных, которые сеть в пределе может передать за единицу времени от одного подсоединенного к ней устройства к другому.

Скорость передачи информации зависит в значительной степени от скорости её создания (производительности источника), способов кодирования и декодирования. Наибольшая возможная в данном канале скорость передачи информации называется его пропускной способностью. Пропускная способность канала, по определению, есть скорость передачи информации при использовании «наилучших» (оптимальных) для данного канала источника, кодера и декодера, поэтому она характеризует только канал.