Лекция 1/1 Основы телекоммуникаций и компьютерных технологий

Вид материала

Лекция

Содержание Рис.1.3. Классификация АИС по направлению деятельности Теоретическая информатика Прикладная информатика Кибернетические аспекты информатики. Информация и её свойства. Формы и методы представления информации Информационными процессами Хранилища информации Передача информации Среди других внутренних свойств Символы естественного Символы кодового (абстрактного) Кодирование динамической информации

Подобный материал:

• 1. Основы безопасности сетевых информационных технологий Основы безопасности сетевых, 100.23kb.
• А. Н. Тихонов, директор Государственного научно-исследовательского института информационных, 663.72kb.
• История возникновения и развития компьютерных сетей, 341.83kb.
• Развитие рынка интеллектуально-креативных услуг (теория и методология), 667.82kb.
• Компьютерные коммуникации, 158.55kb.
• Технологии создания региональных компьютерных сетей, 206.96kb.
• Г. Н. Трофимова компьютерные технологии в филологии программа курса, 111.59kb.
• Программы: Основы логики и логические основы компьютера. Тип урока: урок объяснения, 129.96kb.
• Лекция 6 (4 часа). Основы теории нейронных сетей, 709.51kb.
• Обзор рынка спс в России. Перспективы использования компьютерных технологий для официального, 167.31kb.

Рис.1.3. Классификация АИС по направлению деятельности

Объектом информатики выступают автоматизированные, основанные на ЭВМ и телекоммуникационной технике, информационные системы (ИС) различного класса и назначения. Информатика изучает все стороны их разработки, проектирования, создания, анализа и использования на практике.

Со второй половины ХХ века большинство вычислительных задач стали решаться комплексами вычислительных машин – информационными системами (ИС). ИС – взаимосвязанная совокупность средств, методов и персонала, используемых для хранения, обработки и выдачи информации. Автоматизированные ИС (АИС), позволяют выполнять ряд операций (циклов) информационного процесса в автоматизированном режиме, то есть без участия человека.

Информационные технологии (ИТ) – это процессы, использующие совокупность средств и методов сбора, обработки и передачи первичной информации для получения информации нового качества. Они представляют собой машинизированные (инженерные) способы обработки семантической информации – данных и знаний, которые реализуются посредством автоматизированных информационных систем (АИС). В настоящее время АИС получили широчайшее распространение.

Классификация АИС осуществляется по ряду признаков, и в зависимости от решаемой задачи можно выбрать разные признаки классификации. При этом одна и та же АИС может характеризоваться одним или несколькими признаками. В качестве признаков классификации АИС используются: область применения, охватываемая территория, организация информационных процессов, направление деятельности, назначение, структура и др. Пример классификации АИС по направлению деятельности показан на следующем рисунке (рис.1.3).

Информатика делится на две части: теоретическую и прикладную

Теоретическая информатика рассматривает все аспекты разработки автоматизированных информационных систем: их проектирования, создания и использования не только формально-технической, но и содержательной

стороны, а также комплекс экономического политического и культурного воздействия на социальную динамику.

В орбиту анализа теоретической информатики попадают и традиционные системы преобразования информации и распространения знаний: средства и системы массовой информации, система лекционной пропаганды, кино, театры, справочные службы, и т.д. Но теоретическая информатика рассматривает их с определенной стороны – с позиции получения и использования информационного ресурса (ИР), то есть совокупности знаний и технических средств их обновления и совершенствования, форм и способов воздействия указанных систем на общественный прогресс, возможной их технологизации.

Теоретическая информатика изучает ИР, законы его функционирования и использования как движущей силы социального прогресса, а также общие, фундаментальные проблемы информационной технологии (ИТ).

Прикладная информатика изучает конкретные разновидности ИТ, которые формируются с помощью специальных информационных систем (ИС) (управленческих, медицинских, обучающих, военных и других).

3. Кибернетические аспекты информатики. Информация и её свойства. Формы и методы представления информации
   

Информатика как научная дисциплина занимается изучением информационных процессов.

Информационные процессы характерны не только для живой природы, человека и общества, но и для техники.

Информационными процессами называются процессы, связанные с получением, хранением, преобразованием и передачей информации. Получение и хранение информации необходимы для ее ис­пользования.

Хранилища информации:

память человека — быстрая, оперативная, внутренняя память;

записные книжки, справочники — внешняя память. Чтобы вос­пользоваться ею, надо сначала перевести ее в оперативную.

Передача информации - двусторонний процесс, осуществляется от источника информации к ее приемнику через канал связи.

Преобразование информации, ее обработка — это процесс измене­ния либо формы представления информации, либо ее содержа­ния. Обработка информации производится человеком либо в уме, либо с помощью вспомогательных средств (счеты, калькулятор, компьютер). В результате изменения содержания информации получается новая информация — математические вычисления, логические рассуждения. Изменение формы без изменения со­держания — это кодирование или структурирование информации (ее упорядочение, сортировка).

Преобразование, анализ информации — основа выбора реше­ний, процессов управления в любой области.

Основы близкой к информатике технической науки кибернетики были заложены трудами по математической логике американского математика Норберта Винера, опубликованными в 1948 году, а само название происходит от греческого слова (kyberneticos — искусный в управлении).

Впервые термин кибернетика ввел французский физик Андре Мари Ампер в первой половине XIX веке. Он занимался разработкой единой системы классификации всех наук и обозначил этим термином гипотетическую науку об управлении, которой в то время не существовало, но которая, по его мнению, должна была существовать.

Сегодня предметом кибернетики являются принципы построения и функционирования систем автоматического управления, а основными задачами — методы моделирования процесса принятия решений техническими средствами, связь между психологией человека и математической логикой, связь между информационным процессом отдельного индивидуума и информационными процессами в обществе, разработка принципов и методов искусственного интеллекта. На практике кибернетика во многих случаях опирается на те же программные и аппаратные средства вычислительной техники, что и информатика, а информатика, в свою очередь, заимствует у кибернетики математическую и логическую базу для развития этих средств.

Кибернетика – это наука об общих принципах управления в различных системах – технологических, биологических, социальных. Кибернетику интересуют процессы взаимодействия между сложными объектами. Такие взаимодействия рассматриваются как процессы управления. Основной целью управления является приведение объектов управления в требуемое состояние, через реализацию принятых органом управления решений. Главные характеристики кибернетической системы это входная и выходная информация. Информация между кибернетическими системами передаётся в виде некоторых последовательностей сигналов. Выходные сигналы одних участников обмена являются входными для других.

Информационные обмены происходят везде и всюду: между людьми, между животными, между работающими совместно техническими устройствами. Во всех этих случаях информация передаётся в виде последовательностей сигналов разной природы: акустических, световых, графических, электрических и других.

С точки зрения кибернетики информацией является содержание передаваемых сигнальных последовательностей.

Передача сигналов требует определённых материальных и энергетических затрат. Например, при использовании электрической связи нужны провода и источники электроэнергии. Однако содержание сигналов не зависит от затрат вещества или энергии. В последовательностях сигналов закодированы определённые смысловые элементы, в которых и заключается их содержание.

В любом процессе управления всегда происходит взаимодейст­вие двух объектов — управляющего и управляемого, которые соеди­нены каналами прямой и обратной связи (рис.1.4).




КПС


КОС


Рис. 1.4. Замкнутая система управления


По каналу прямой связи передаются управляющие сигналы, а по каналу обратной связи передается информация о состоянии управляемого объекта. Если объекты соединены каналами прямой и обратной связи, то такую систему называют замкнутой, или системой управления с обратной связью.

Орган

управления

Управляемый

объект


КПС


Рис. 1.5. Разомкнутая система управления

Примеры замкнутых систем — взаимодействие дисковода и же­сткого диска при проведении операции записи информации, ра­бота термостата.

Если процесс не учитывает состояние управляемого объекта и обеспечивает управление по прямому каналу, то система называ­ется разомкнутой (рис. 1.5)

Пример такого взаимодействия — процесс записи информации на дискету.





- числовая; - детерминированная; - статическая;

- тестовая; - случайная; - динамическая;

- графическая; - вероятностная. - квазидинамическая.

- аудио;

- видео. - политическая;

- техническая;

Растровая; Логическая; - экономическая.

Матричная; Символьная.

Векторная.


Рис. 1.6. Классификация информации


Для теоретической информатики информация играет такую же роль, как и вещество в физике. И подобно тому, как веществу можно приписывать довольно большое количество характеристик: массу, заряд, объем и т.д., так и для информации имеется пусть и не столь большой, но достаточно представительный набор характеристик. Как и для характеристик вещества, так и для характеристик информации имеются единицы измерения, что позволяет некоторой порции информации приписывать числа – количественные характеристики информации. Так как информация очень разнообразна по содержанию и виду обслуживаемой ею человеческой деятельности (политическая, научная, производственная, управленческая, медицинская, экономическая, экологическая и правовая и др.), то каждый вид информации (рис.1.6) имеет свои особенные технологии обработки, смысловую ценность, формы представления и отображения на физическом носителе, требования к точности, достоверности, оперативности отражения фактов, явлений, процессов.

Наверное, каждый согласится, что в этом перечне приведены далеко не все виды информации, также как и с тем, что от приведенного перечня мало проку. Этот перечень не систематизирован. Для того чтобы классификация по видам была полезной, она должна быть основана на некоторой системе. Обычно при классификации объектов одной природы в качестве базы для классификации используется то или иное свойство (может быть набор свойств) объектов. В классической теории систем даётся следующее понятие свойства, как сторона объекта, определяющая его сходство или различие с другими объектами. Как правило, свойства объектов можно разделить на два больших класса: внешние и внутренние свойства.

Внутренние свойства – это свойства, органически присущие объекту. Они обычно «скрыты» от изучающего объект и проявляют себя косвенным образом при взаимодействии данного объекта с другими.

Внешние свойства – это свойства, характеризующие поведение объекта при взаимодействии с другими объектами.

Обзор приведенных ситуаций позволяет сформулировать следующие определения основных внешних свойств информации:

Релевантность – способность информации соответствовать нуждам (запросам) потребителя.

Полнота – свойство информации исчерпывающе (для данного потребителя) характеризовать отображаемый объект или процесс.

Своевременность – способность информации соответствовать нуждам потребителя в нужный момент времени.

Достоверность – свойство информации не иметь скрытых ошибок.

Доступность – свойство информации, характеризующее возможность её получения данным потребителем.

Защищённость – свойство информации, характеризующее невозможность несанкционированного использования или изменения.

Эргономичность – свойство информации, характеризующее удобство формы или объёма информации с точки зрения данного потребителя.

Наиболее важным внутренним свойством информации является - адекватность, которое обобщенно характеризует качество информации, Логическая, адекватно отображающая объективные закономерности природы, общества и мышления – это есть научная информация. Заметим, что последнее определение характеризует не взаимоотношение «информация-потребитель» (не зависит от потребителя), а взаимоотношение «информация - отражаемый объект/явление».

Адекватность - свойство информации, характеризующее её способность однозначно соответствовать отображаемому объекту или явлению. Адекватность оказывается для потребителя внутренним свойством информации, проявляющим себя через релевантность и достоверность.

Среди других внутренних свойств¹ информации важнейшими являются:

- объём (количество) информации;

- внутренняя организация, структура.

По способу внутренней организации информацию делят на две группы:

1. Данные или простой, логически неупорядоченный набор сведений.
   
2. Логически упорядоченные, организованные наборы данных.
   

Упорядоченность данных достигается наложением на данные некоторой структуры (отсюда часто используемый термин - структура данных).

Наконец, вне поля нашего зрения оказались свойства информации, связанные с процессом её хранения. Здесь, важнейшим свойством является живучесть – это способность информации сохранять своё качество с течением времени. К этому ещё можно добавить свойство уникальности. Уникальной называют информацию, хранящуюся в единственном экземпляре.

Информация, как мы убедились ранее, может быть по своему виду: числовой, текстовой, графической, звуковой, видео и др. Она также может быть постоянной (неменяющейся), переменной, случайной, вероятностной. Наибольший интерес при решении задач обработки и анализа представляет переменная информация, так как она позволяет выявлять причинно-следственные связи в исследуемых процессах и явлениях.

Любая информация, обрабатываемая в ЭВМ, должна быть представлена в двоичном виде {0;1}, то есть должна быть закодирована комбинацией этих цифр. Различные виды информации (числа, тексты, графика, звук) имеют свои правила кодирования. Коды отдельных значений, относящиеся к различным видам информации, могут совпадать. Поэтому расшифровка кодированных данных осуществляется по контексту при выполнении команд реализуемой программы.

В теории информации и кибернетики при обработке, передаче и приёме информации осуществляется кодирование (декодирование) информации. Это комплекс преобразований состоящих из ряда отдельных самостоятельных операций, основными из которых являются:

• кодирование источника сообщения – когда символы естественного языка заменяются символами абстрактного алфавита;
  
• канальное кодирование – когда полученная цифровая последовательность, преобразуется к виду удобному для защищенной передачи информации по каналу связи. Это обеспечивает определение и устранение ошибок в информационном потоке, появившихся в результате воздействия помех в дискретном канале связи (защита от шума).
  

Работа по обработке и передаче информации может иметь огромную трудоёмкость, и её надо автоматизировать. Для этого очень важно унифицировать форму представления данных – для этого обычно используется приём кодирования, то есть выражение данных одного типа через данные другого типа. Естественные человеческие языки - это не что иное, как системы кодирования понятий для выражения мыслей посредством речи. К языкам близко примыкают азбуки (системы кодирования компонентов языка с помощью графических символов). Проблема универсального средства кодирования достаточно успешно реализуется в отдельных отраслях техники, науки и культуры. В качестве примеров можно привести систему записи математических выражений, телеграфную азбуку, морскую флажковую азбуку, систему Брайля для слепых и многое другое.

Символы естественного Символы кодового (абстрактного)

алфавита алфавита




А 000

Б 123 Код

В 301

. .

Я 111


m=4 ( кодовый алфавит: 0,1,2,3), n=3.


В результате кодирования последовательность элементов сообщения на естественном языке, заменяется по определённому правилу последовательностью кодовых символов. Множество всех кодовых последовательностей (кодовых комбинаций) образуют код. Совокупность символов, из которых составляются кодовые последовательности, называют кодовым алфавитом, а их число m (объём кодового алфавита) – основанием кода. Число символов n в кодовой комбинации называется значностью кода или длиной кодовой комбинации.

Таким образом, чтобы привести символы сообщения к виду удобному для передачи и ввода в ЭВМ их кодируют, то есть заменяют символами абстрактного алфавита. При приёме (выводе информации) сообщения производится обратная операция – декодирование.

Своя система существует и в вычислительной технике – она называется двоичным кодированием и основана на представлении данных последовательностью всего двух знаков 0 и 1. Эти знаки называются двоичными цифрами (англ. binary digit – bit (бит)). Одним битом могут быть выражены два понятия: 0 или 1 (да или нет, чёрное или белое, истина или ложь и т.п.). При увеличении количества битов, происходит увеличения количества выражаемых понятий:

*до 2-х - 00 01 10 11 (четыре);

*до 3-х - 000 001 010 011 100 101 110 111 (восемь).

Увеличивая на единицу количество разрядов в системе двоичного кодирования, мы увеличиваем в два раза количество значений, которое может быть определено по формуле, которая имеет вид:

n

N = 2 ,

где: N – количество независимых кодируемых значений;

n - разрядность двоичного кодирования, принятая в данной системе.

Если поставить в соответствие по определённому правилу каждому символу алфавита естественного языка определённое число (например порядковый номер), то с помощью двоичного кода можно кодировать любую информацию (текстовую, числовую и т.д.). Чтобы устранить неопределённости в национальных системах кодирования, в качестве международного стандарта в вычислительной технике был принят код ASCII (Американский стандартный код для информационного обмена). Его значность 8. Таким образом, с его помощью можно закодировать 256 символов (2 в 8 степени). Он содержит две таблицы кодирования: базовую (символы от 0 до 127) и расширенную (символы от 128 до 255).

В результате выполнения операций кодирования каждый символ естественного алфавита заменяется в соответствии с присвоенным ему номером в двоичный цифровой код (кодируется номер). При выводе информация производится обратная операция – номер преобразуется в изображение знака (буквы, символа) и проецируется на экран монитора (выводится на печать).

В практическом плане различные виды информации могут быть классифицированы как статические и динамические (квазидинамические). Числовая, текстовая и символьная информация, как правило, – статическая. Аудио- и видеоинформация – динамическая. Эти виды существуют в режиме реального времени, их нельзя остановить для более подробного изучения. Видеоинформация может быть статической в виде текстов, рисунков, графиков. Динамическая видеоинформация – это видео-, мульт- и слайд - фильмы. В их основе лежит последовательное экспонирование на экране в реальном масштабе времени отдельных кадров в соответствии со сценарием.

Динамическая видеоинформация используется либо для передачи движущихся изображений (анимация), либо для последовательной демонстрации отдельных кадров вывода (слайд-фильмы).

Для демонстрации анимационных и слайд-фильмов используются различные принципы. Анимационные фильмы демонстрируются так, чтобы зрительный аппарат человека не смог зафиксировать отдельных кадров. В современных высококачественных мониторах и в телевизорах с цифровым управлением электронно-лучевой трубкой кадры сменяются до 70 раз в секунду, что позволяет высококачественно передавать движущиеся изображения.

При демонстрации слайд-фильмов каждый кадр экспонируется на экран столько времени, сколько необходимо для восприятия его человеком (обычно от 30 с до 1 мин). Слайд-фильмы можно отнести к статической видеоинформации.

Для кодирования символьной и текстовой информации применяются различные системы: при вводе информации с клавиатуры кодирование происходит при нажатии клавиши, на которой изображен требуемый символ, при этом в клавиатуре вырабатывается так называемый scan-код, представляющий собой двоичное число, равное порядковому номеру клавиши.

Номер нажатой клавиши никак не связан с формой символа, нанесённого на клавише, Опознание символа и присвоение ему внутреннего кода ЭВМ производятся специальной программой по специальным таблицам: ДКОИ, КОИ-7, ASCII (Американский стандартный код для информационного обмена).

Всего с помощью таблицы кодирования ASCII можно закодировать 256 различных символов (табл.2.1). Монитор по каждому коду символа должен обеспечить вывод на экран изображение символа – не просто цифровой код, а соответствующую ему картинку, так как каждый символ имеет свою форму.

Описание формы каждого символа хранится в специальной памяти монитора – знакогенераторе.

Высвечивание символа на экране осуществляется с помощью точек, образующих символьную матрицу.

Каждый пиксель в такой матрице является элементом изображения и может быть ярким или тёмным. Тёмная точка кодируется цифрой – 0, светлая (яркая) – 1.

Если изображать в матричном поле знака тёмные пиксели точкой, а светлые – звёздочкой, то можно графически изобразить форму символа.

Кодирование аудиоинформации – процесс более сложный, поскольку такая информация является аналоговой. Для преобразования её в цифровую форму используют аппаратурные средства: аналого-цифровые преобразователи (АЦП), в результате работы которых аналоговый сигнал – оцифровывается – представляется в виде числовой последовательности. Для вывода оцифрованного звука на аудиоустройства необходимо проводить обратное преобразование, которое осуществляется с помощью цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП).

Таким образом, различные виды информации кодируются по разному. Статические виды кодируются по номерам, присвоенным им, динамические – подлежат оцифровке, с последующим цифровым кодированием полученных мгновенных значений сигнала.

4. Кодирование динамической информации
   

Попробуем разобраться, как звуковые колебания можно представить в цифровом виде.

Как видно из амплитудно-временного графика звукового сигнала (волновой фор-мы), в любой момент звучания амплитуда сигнала имеет конкретное значение, которое может быть измерено и выражено некоторым числом. Таким образом, если мы точно измерим амплитуду сигнала в каждый момент времени и выразим ее в числовом виде, полученный ряд чисел будет точной записью исходного звукового сигнала. Эта последовательность чисел может быть преоб-разована в двоичную форму и записана на любой носитель, в том числе в память компьютера.

Однако здесь мы сталкиваемся с большой проблемой, поскольку звуковой сигнал, вообще говоря, непрервен, то есть количество точек на его графике бесконечно. Следовательно, для получения действительно точной цифровой записи звукового сигнала измерять его амплитуду нужно через бесконечно малые промежутки вре-мени (и, следовательно, бесконечное количество раз, а полученный числовой мас-сив будет бесконечно велик). Более того, на “линейке” шкалы измерения ампли-туды должно быть бесконечное количество градаций, то есть весь динамический диапазон должен выражаться числами от -  до +  (или “хотя бы” от 0 до +  ). Естественно, в действительности мы можем провести измерения лишь конечное число раз, используя конечное количество амплитудных градаций (этот параметр называют амплитудным разрешением). Возникает вопрос: через какие промежут-ки времени и с каким амплитудным разрешением следует проводить измерения, чтобы звук на выходе не сильно отличался от исходного сигнала (рис. 1.7).





Рис.1.7. Дискретизация сигнала 440 Гц с частотой 5000 Гц


Согласно известной теореме Котельникова (иногда её называют теоремой Найквиста), для отображения сигнала некоторой частоты f необходима дискретизация (сканирование и измерение амплитуд сигнала) с частотой не менее 2f. Поскольку человеческий слух может воспринимать звуковые колебания с частотой до 18 кГц, по-лучается, что частота дискретизации любого звукового сигнала должна быть не менее 36 кГц. На практике обычно используются частоты дискретизации от 11 025 до 48 000 Гц (например, на звуковых компакт-дисках она составляет 44 100 Гц), а в последнее время стала использоваться частота 96 кГц (она определена как стан-дартная для DVD-дисков).

Что касается амплитудного разрешения, то можно заметить, что точность воспро-изведения повышается с увеличением количества градаций амплитудной шкалы. В звуковых компакт-дисках используется 65 536 амплитудных града-ций. Как известно, для представления чисел в диапазоне от 0 до 65 535 необходи-мо 16 бит информации, поэтому часто бывает удобнее говорить о 16-битном раз-решении (а в просторечии - о 16-битном звуке). Ранее часто использовались 8-битное разрешение (256 градаций) и 12-битное (4096 градаций), звучащие с боль-шими искажениями. На современном этапе звук обрабатывается, как правило, при 24-битном или 32-битном разрешении (16 777 216 или 4 294 967 296 амплитуд-ных градаций).

Для того чтобы преобразовать звук в цифровую форму, используются специаль-ные устройства - аналого-цифровые преобразователи (АЦП). От качества АЦП зависит качество полученного цифрового сигнала, и если преобразование произ-ведено плохо, то впоследствии придется затратить массу сил и времени на то, чтобы исправить положение. Поэтому рекомендую пользоваться только качественными АЦП.

Несмотря на все преимущества цифрового сигнала, его нельзя услышать напря-мую. Для того чтобы его услышать, перед подачей на усилитель и колонки сигнал необходимо преобразовать в аналоговый, для чего используются цифро-аналого-вые преобразователи (ЦАП). ЦАП должен быть также высокого качества, посколь-ку все достоинства цифрового сигнала и его гибкой компьютерной обработки мо-гут превратиться в ничто, если звук будет воспроизведен через некачественный ЦАП. АЦП и ЦАП установлены на любой звуковой карте.

Теперь поговорим немного о том таким же образом происходит запись звука в компьютер. Компьютер представляет собой сложный цифровой аппарат. Вся информация в нем содержится в цифровом виде. Таким образом, и все процессы происходящие в компьютере - это обработка цифровых сигналов. По этой причине звуковую информацию, с которой мы бы хотели работать в дальнейшем, необходимо оцифровать. Итак, что же такое оцифровка и какие устройства и какие устройства обеспечивают этот процесс.




Уровень

-

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0



∆t Время

Рис 1.8. Процесс оцифровки сигнала