Modelo de transferencia de información a través de canales técnicos. Transferencia de información a través de canales técnicos de comunicación. Recursos de información en Internet. Canales de transferencia de información

Esquemáticamente, el proceso de transferencia de información se muestra en la figura. Se supone que hay una fuente y un destinatario de la información. El mensaje de la fuente al destinatario se transmite a través de un canal de comunicación (canal de información).

Arroz. 3.- Proceso de transferencia de información

En tal proceso, la información se presenta y transmite en forma de una determinada secuencia de señales, símbolos, signos. Por ejemplo, durante una conversación directa entre personas, se transmiten señales de sonido: habla, mientras lee un texto, una persona percibe letras: símbolos gráficos. La secuencia transmitida se denomina mensaje. De la fuente al receptor, el mensaje se transmite a través de algún medio material (sonido - ondas acústicas en la atmósfera, imagen - ondas electromagnéticas luminosas). Si se utilizan medios técnicos de comunicación en el proceso de transmisión, entonces se denominan canales de información(canales de información). Estos incluyen teléfono, radio, televisión.

Podemos decir que los sentidos humanos juegan el papel de canales de información biológica. Con su ayuda, el impacto de la información en una persona se recuerda.

claude shannon, se propuso un diagrama del proceso de transmisión de información a través de canales técnicos de comunicación, que se muestra en la figura.

Arroz. 4.- Proceso de transferencia de información de Shannon

El funcionamiento de dicho esquema se puede explicar en el proceso de hablar por teléfono. La fuente de información es la persona que habla. Un codificador es un micrófono de mano que convierte las ondas de sonido (habla) en señales eléctricas. El canal de comunicación es la red telefónica (cables, conmutadores de nodos telefónicos a través de los cuales pasa la señal)). El dispositivo decodificador es el auricular (auricular) de la persona que escucha, el receptor de la información. Aquí la señal eléctrica entrante se convierte en sonido.

La comunicación en la que la transmisión tiene lugar en forma de una señal eléctrica continua se denomina comunicación analógica.

Bajo codificación se entiende cualquier transformación de información proveniente de una fuente en una forma adecuada para su transmisión a través de un canal de comunicación.

Actualmente, la comunicación digital es ampliamente utilizada, cuando la información transmitida se codifica en forma binaria (0 y 1 son dígitos binarios) y luego se decodifica en texto, imagen y sonido. La comunicación digital es discreta.

El término "ruido" se refiere a varios tipos de interferencia que distorsionan la señal transmitida y conducen a la pérdida de información. Tales interferencias, en primer lugar, surgen por razones técnicas: mala calidad de las líneas de comunicación, inseguridad entre sí de varios flujos de información transmitidos por los mismos canales. En tales casos se requiere protección contra el ruido.

En primer lugar, se utilizan métodos técnicos para proteger los canales de comunicación de los efectos del ruido. Por ejemplo, usar un cable apantallado en lugar de un cable desnudo; el uso de varios tipos de filtros que separan la señal útil del ruido, etc.

Claude Shannon desarrolló una teoría de codificación especial que proporciona métodos para lidiar con el ruido. Una de las ideas importantes de esta teoría es que el código transmitido por la línea de comunicación debe ser redundante. Debido a esto, se puede compensar la pérdida de alguna parte de la información durante la transmisión.

Sin embargo, la redundancia no debe hacerse demasiado grande. Esto conducirá a retrasos y mayores costos de comunicación. La teoría de codificación de K. Shannon solo le permite obtener un código que sea óptimo. En este caso, la redundancia de la información transmitida será la mínima posible y la fiabilidad de la información recibida será máxima.

En los sistemas de comunicación digital modernos, la siguiente técnica se usa a menudo para combatir la pérdida de información durante la transmisión. Todo el mensaje se divide en porciones - bloques. Para cada bloque, se calcula una suma de comprobación (la suma de dígitos binarios), que se transmite junto con este bloque. En el lugar de recepción, se vuelve a calcular la suma de verificación del bloque recibido y, si no coincide con el original, se repite la transmisión de este bloque. Esto continuará hasta que las sumas de verificación inicial y final coincidan.

Tasa de transferencia de información es el volumen de información del mensaje transmitido por unidad de tiempo. Unidades de velocidad de flujo de información: bit/s, byte/s, etc.

Las líneas de comunicación de información técnica (líneas telefónicas, comunicación por radio, cable de fibra óptica) tienen un límite de velocidad de datos denominado ancho de banda del canal de información. Los límites de tarifas son de naturaleza física.

Protección contra el ruido

El funcionamiento de este esquema se puede explicar con el ejemplo de la comunicación telefónica. La fuente de información en este sistema es la persona que habla, el receptor, respectivamente, el oyente. El codificador es un teléfono que convierte las señales de sonido en señales electromagnéticas. El canal de comunicación es la red telefónica. El dispositivo decodificador es también un teléfono.

Codificación de señales, al transmitir información, es cualquier transformación de la información procedente de una fuente en una forma adecuada para su transmisión por un canal de comunicación. Actualmente, la comunicación digital más utilizada, que, por definición, es discreta. Además, también existe una conexión analógica, esta es una conexión en la que se transmite información en forma de señal continua (antiguos estándares de red telefónica).

Bajo " Ruido" están implícitos varios tipos de interferencia que distorsionan la señal transmitida o conducen a su pérdida. Dicha interferencia ocurre con mayor frecuencia debido a razones técnicas: mala calidad de las líneas de comunicación, inseguridad entre sí de varios flujos de información transmitidos por el mismo canal de comunicación.

Métodos para lidiar con el "ruido":

1. Repetición de la señal

2. Digitalización de señales

3. Amplificación de señal

4. Medios mecánicos (par trenzado, fibra óptica, blindaje, etc.)

Además, la teoría de la codificación ha desarrollado métodos para representar la información transmitida con el fin de reducir su pérdida bajo la influencia del ruido.

5.2. Red de computadoras

Red de computadoras es la conexión de dos o más computadoras entre sí para compartir el acceso a los recursos compartidos. Hay tres tipos de recursos: hardware, software e información.

Bajo recursos de hardware implica la provisión técnica de acceso general: una impresora, una mayor capacidad de un disco duro (servidor de archivos), una máquina host, etc.

En general, una red informática se puede representar como un conjunto de nodos interconectados por medios de propagación de señales (medios de transmisión, backbones, líneas de comunicación). Los nodos de redes informáticas albergan elementos de redes de comunicación y sistemas informáticos.

Redes de comunicación. Los elementos principales de las redes de comunicación tradicionales son los dispositivos terminales (terminales), los sistemas de transmisión y conmutación.

Terminales diseñado para conectar fuentes y receptores de información a la red de comunicación. Por ejemplo, las computadoras se pueden conectar a ellos a través de una línea dedicada de dos hilos o mediante un módem.

sistema de transmisión prevé el transporte de información a distancia. Actualmente admiten señalización multicanal en una única red troncal.

Sistema de conmutación está diseñado para proporcionar comunicación de una pluralidad de fuentes y receptores de información espacialmente separados. Gracias a los sistemas de conmutación interconectados, se forma un canal de comunicación compuesto (extremo a extremo) para los participantes

Cada red pública tiene su propia protocolos, proporcionar acceso a ciertos tipos de servicios.

protocolos Bajo protocolo se entiende como un conjunto de acuerdos que guían a los componentes al interactuar. En nuestro caso protocolo existe un conjunto estándar de reglas que definen la presentación (en un caso particular, formatos) de datos y procedimientos de intercambio

El proceso de transferencia de información se puede representar mediante un modelo en forma de diagrama que se muestra en la Figura 3.

Arroz. 3. Modelo generalizado de sistema de transmisión de información

Considere los principales elementos que componen este modelo, así como la transformación de la información que se produce en él.

1. Fuente de información o mensaje (AI) es un objeto material o sujeto de información capaz de acumular, almacenar, transformar y emitir información en forma de mensajes o señales de diversa naturaleza física. Puede ser un teclado de computadora, una persona, una salida analógica de una cámara de video, etc.

Consideraremos dos tipos de fuentes de información: si en un intervalo de tiempo finito la fuente de información creará un conjunto finito de mensajes, es discreto , y de lo contrario - continuo . Discutiremos las fuentes con más detalle en la próxima lección.

La información en forma de mensaje original procedente de la salida de la fuente de información se alimenta a la entrada del codificador, incluidos el codificador de fuente (CI) y el codificador de canal (CC).

2. Codificador.

2.1.Codificador de fuente proporciona la transformación del mensaje en la señal primaria - un conjunto de símbolos elementales .

Tenga en cuenta que el código es una forma universal de mostrar información durante su almacenamiento, transmisión y procesamiento en forma de un sistema de correspondencias uno a uno entre los elementos del mensaje y las señales, con la ayuda de la cual estos elementos pueden fijarse. La codificación siempre se puede reducir a la transformación inequívoca de caracteres de un alfabeto en caracteres de otro. Al mismo tiempo, el código es una regla, una ley, un algoritmo según el cual se lleva a cabo esta transformación.

El código es un conjunto completo de todas las combinaciones posibles de símbolos del alfabeto secundario, construido de acuerdo con esta ley. Las combinaciones de caracteres pertenecientes a un código dado se denominan palabras clave . En cada caso particular, se pueden utilizar todas o parte de las capas de código pertenecientes a un código dado. Además, hay "códigos poderosos", cuyas combinaciones son casi imposibles de mostrar. Por lo tanto, por la palabra "código" entendemos, en primer lugar, la ley según la cual se lleva a cabo la transformación, como resultado de lo cual obtenemos palabras de código, cuyo conjunto completo pertenece a este código, y no a algún otro construido de acuerdo con una ley diferente.

Los símbolos del alfabeto secundario, independientemente de la base del código, son solo portadores de mensajes. En este caso, el mensaje es la letra del alfabeto primario, independientemente del contenido físico o semántico concreto que refleje.

Por lo tanto, el propósito del codificador fuente es presentar la información en la forma más compacta. Esto es necesario para utilizar eficientemente los recursos del canal de comunicación o dispositivo de almacenamiento. Los problemas de codificación fuente se discutirán con más detalle en el tema No. 3.

2.2.Codificador de canales. Al transmitir información a través de un canal de comunicación ruidoso, pueden ocurrir errores en los datos recibidos. Si tales errores son de pequeña magnitud o ocurren con bastante poca frecuencia, el consumidor puede utilizar la información. Con una gran cantidad de errores, la información recibida no se puede utilizar.

Codificación de canales, o codificación de corrección de errores, es un método de procesamiento de datos transmitidos, proporcionando disminución número de errores que surgen durante la transmisión a través de un canal ruidoso.

Como resultado, a la salida del codificador de canal, se forma una secuencia de símbolos de código, llamada secuencia de código . Los problemas de codificación de canales se considerarán con más detalle en el tema No. 5, así como en el curso "Teoría de la comunicación eléctrica".

Cabe señalar que tanto la codificación de corrección de errores como la compresión de datos no son operaciones obligatorias en la transmisión de información. Estos procedimientos (y sus bloques correspondientes en el diagrama de bloques) pueden no estar presentes. Sin embargo, esto puede conducir a pérdidas muy significativas en la inmunidad al ruido del sistema, una disminución significativa en la tasa de transmisión y una disminución en la calidad de la transmisión de información. Por lo tanto, prácticamente todos los sistemas modernos (con la posible excepción de los más simples) deben incluir y necesariamente incluyen una codificación de datos eficiente y correctora de errores.

3. Modulador. Si es necesario transmitir mensajes, a los símbolos del alfabeto secundario se les asignan características cualitativas físicas específicas. El proceso de influir en un mensaje codificado para convertirlo en una señal se llama modulación . Funciones del modulador - negociación de mensajes fuente o secuencias de código generadas por el codificador, co propiedades de la línea de comunicación y permitir la transmisión simultánea de un gran número de mensajes a través de un canal de comunicación común.

Por lo tanto, el modulador debe convertir mensajes fuente o sus correspondientes secuencias de código en señales, (para superponer mensajes sobre señales), cuyas propiedades les darían la posibilidad de una transmisión eficiente a través de los canales de comunicación existentes. En este caso, las señales que pertenecen a una pluralidad de sistemas de transmisión de información que funcionan, por ejemplo, en un canal de radio común, deben ser tales que se garantice la transmisión independiente de mensajes de todas las fuentes a todos los destinatarios de la información. Varios métodos de modulación se estudian en detalle en el curso "Teoría de la comunicación eléctrica".

Se puede decir que la cita codificador y modulador es la coordinación de la fuente de información con la línea de comunicación.

4. línea de comunicación es el medio en el que se propagan las señales que transportan información. No confunda canal de comunicación y línea de comunicación. Enlace - un conjunto de medios técnicos diseñados para transmitir información de una fuente a un receptor.

Según el medio de propagación, existen canales de radio, alámbricos, de fibra óptica, acústicos, etc. canales Existen muchos modelos que describen los canales de comunicación con mayor o menor grado de detalle, sin embargo, en el caso general, la señal que pasa por el canal de comunicación está sujeta a atenuación, adquiere cierto retardo (o desfase) y se vuelve ruidosa.

Para aumentar el rendimiento de las líneas de comunicación, los mensajes de varias fuentes se pueden transmitir simultáneamente a través de ellas. Este enfoque se llama foca. En este caso, los mensajes de cada fuente se transmiten por su propio canal de comunicación, aunque tienen una línea de comunicación común.

Los modelos matemáticos de los canales de comunicación se considerarán en el curso "Teoría de la comunicación eléctrica". Las características informativas de los canales de comunicación se considerarán en detalle en el marco de nuestra disciplina al estudiar el tema No. 4.

5. Demodulador . El mensaje recibido (reproducido), debido a la presencia de interferencias, generalmente difiere del enviado. El mensaje recibido se llamará una estimación (es decir, una estimación del mensaje).

Para reproducir la evaluación del mensaje, el receptor del sistema primero debe según el swing aceptado y teniendo en cuenta la información sobre los datos utilizados en la transferencia la forma de una señal y método de modulación obtener estimación de secuencia de código, llamado secuencia aceptada. Este procedimiento se llama demodulación, detección o recepción de señal. En este caso, la demodulación debe realizarse de tal manera que la secuencia recibida difiera en un grado mínimo de la secuencia de código transmitida. Los temas de recepción óptima de señales en sistemas de ingeniería de radio son el tema de estudio del curso TES.

6. Descifrador.

6.1. decodificador de canal. Las secuencias recibidas generalmente pueden diferir de las palabras de código transmitidas, es decir, pueden contener errores. El número de dichos errores depende del nivel de interferencia en el canal de comunicación, la velocidad de transmisión, la señal seleccionada para la transmisión y el método de modulación, así como del método de recepción (demodulación). Tarea decodificador de canal- detectar y, si es posible, corregir estos errores El procedimiento para detectar y corregir errores en la secuencia recibida se denomina decodificación de canales . El resultado de la decodificación es la evaluación de la secuencia de información. La elección del código de corrección de errores, el método de codificación y el método de decodificación debe hacerse de modo que la salida del decodificador de canal tenga la menor cantidad posible de errores sin corregir.

Los problemas de codificación/descodificación con corrección de errores en los sistemas de transmisión (y almacenamiento) de información reciben actualmente una atención excepcional, ya que esta técnica puede mejorar significativamente la calidad de su transmisión. En muchos casos, cuando los requisitos de fiabilidad de la información recibida son muy altos (en redes informáticas para la transmisión de datos, en sistemas de control remoto, etc.), la transmisión sin codificación correctora de errores es generalmente imposible.

6.2. Decodificador de fuente. Dado que la información de origen se codificó durante la transmisión para tener una representación más compacta (o más conveniente) ( compresión de datos, codificación económica, codificación de fuente), es necesario restaurarlo a su forma original (o casi original) de acuerdo con la secuencia aceptada. El proceso de recuperación se llama decodificación de fuente y puede ser simplemente la inversa de la operación de codificación (codificación/descodificación no destructiva) o restaurar un valor aproximado de la información original. La operación de recuperación también incluirá la recuperación, si es necesario, de una función continua a partir de un conjunto de valores discretos de estimaciones.

Hay que decir que recientemente la codificación económica ha cobrado cada vez más protagonismo en los sistemas de transmisión de información, ya que, junto con la codificación correctora de errores, ha resultado ser la forma más eficaz de aumentar la velocidad y calidad de su transmisión.

7.Destinatario de la información - un objeto o sujeto material que percibe información en todas las formas de su manifestación con el fin de su posterior procesamiento y uso.

Los destinatarios de la información pueden ser tanto personas como medios técnicos que acumulan, almacenan, transforman, transmiten o reciben información.

Transferencia de información es un término que combina muchos procesos físicos de movimiento de información en el espacio. Cualquiera de estos procesos involucra componentes tales como la fuente y el receptor de datos, el portador físico de información y el canal (medio) de su transmisión.

Proceso de transferencia de información

Los receptáculos iniciales de datos son varios mensajes transmitidos desde sus fuentes a los receptores. Entre ellos hay canales para transmitir información. Los dispositivos convertidores técnicos especiales (codificadores) forman soportes físicos de datos (señales) basados ​​en el contenido de los mensajes. Estos últimos están sujetos a una serie de transformaciones, que incluyen codificación, compresión, modulación y luego se envían a las líneas de comunicación. Después de atravesarlos, las señales sufren transformaciones inversas, que incluyen demodulación, descompresión y decodificación, por lo que los mensajes originales son extraídos de ellos y percibidos por los receptores.

Mensajes de información

Un mensaje es una especie de descripción de un fenómeno u objeto, expresado como un conjunto de datos que tiene signos de un principio y un final. Algunos mensajes, como el habla y la música, son funciones continuas del tiempo de presión del sonido. En la comunicación telegráfica, un mensaje es el texto de un telegrama en forma de secuencia alfanumérica. Un mensaje de televisión es una secuencia de mensajes-cuadros que la lente de la cámara “ve” y los captura a una velocidad de cuadro. La gran mayoría de los mensajes transmitidos recientemente a través de los sistemas de transmisión de información son matrices numéricas, texto, gráficos, así como archivos de audio y video.

Señales de información

La transmisión de información es posible si se cuenta con un soporte físico, cuyas características cambian dependiendo del contenido del mensaje transmitido de tal forma que superan el canal de transmisión con una distorsión mínima y pueden ser reconocidos por el receptor. Estos cambios en el medio de almacenamiento físico forman una señal de información.

Hoy en día, la información se transmite y procesa mediante señales eléctricas en canales de comunicación por cable y radio, así como gracias a señales ópticas en FOCL.

Señales analógicas y digitales

Un ejemplo bien conocido de una señal analógica, i.e. cambiando continuamente en el tiempo es el voltaje tomado del micrófono, que lleva un mensaje de información musical o de voz. Puede amplificarse y conectarse a los sistemas de sonido de la sala de conciertos, que llevarán el habla y la música desde el escenario hasta el público en la galería.

Si, de acuerdo con la magnitud del voltaje en la salida del micrófono, la amplitud o frecuencia de las oscilaciones eléctricas de alta frecuencia en el transmisor de radio cambia continuamente en el tiempo, entonces se puede transmitir una señal de radio analógica en el aire. El transmisor de TV en el sistema de televisión analógica genera una señal analógica en forma de voltaje proporcional al brillo actual de los elementos de la imagen percibidos por la lente de la cámara de TV.

Sin embargo, si el voltaje analógico de la salida del micrófono pasa a través de un convertidor de digital a analógico (DAC), su salida ya no será una función continua del tiempo, sino una secuencia de lecturas de este voltaje tomadas a intervalos regulares con una frecuencia de muestreo. Además, el DAC también realiza la cuantificación según el nivel del voltaje inicial, reemplazando todo el rango posible de sus valores con un conjunto finito de valores determinados por el número de dígitos binarios de su código de salida. Resulta que una cantidad física continua (en este caso, el voltaje) se convierte en una secuencia de códigos digitales (digitalizados), y luego puede ser almacenada, procesada y transmitida en forma digital a través de redes de transmisión de información. Esto aumenta significativamente la velocidad y la inmunidad al ruido de dichos procesos.

Canales de transferencia de información

Por lo general, este término se refiere a los complejos de medios técnicos involucrados en la transmisión de datos desde la fuente al receptor, así como el entorno entre ellos. La estructura de dicho canal, utilizando medios típicos de transmisión de información, está representada por la siguiente secuencia de transformaciones:

II - PS - (KI) - KK - M - LPI - DM - CC - DI - PS

La IA es una fuente de información: una persona u otro ser vivo, un libro, un documento, una imagen en un medio no electrónico (lienzo, papel), etc.

PS es un convertidor de mensaje de información en señal de información, que realiza la primera etapa de transmisión de datos. Micrófonos, cámaras de televisión y video, escáneres, máquinas de fax, teclados de PC, etc. pueden actuar como PS.

CI es un codificador de información en una señal de información para reducir el volumen (compresión) de información con el fin de aumentar su tasa de transmisión o reducir la banda de frecuencia requerida para la transmisión. Este enlace es opcional, como se muestra entre paréntesis.

KK: codificador de canal para aumentar la inmunidad al ruido de la señal de información.

M es un modulador de señal para cambiar las características de las señales portadoras intermedias según el valor de la señal de información. Un ejemplo típico es la modulación de amplitud de una señal portadora de alta frecuencia portadora en función del valor de una señal de información de baja frecuencia.

LPI: una línea de transmisión de información que representa una combinación del entorno físico (por ejemplo, un campo electromagnético) y los medios técnicos para cambiar su estado a fin de transmitir una señal portadora al receptor.

DM es un demodulador para separar la señal de información de la señal portadora. Presente sólo en presencia de M.

DC: decodificador de canal para detectar y/o corregir errores en la señal de información que se produjo en el LPI. Presente solo en presencia de CC.

DI - decodificador de información. Presente sólo en presencia de IC.

PI - receptor de información (computadora, impresora, pantalla, etc.).

Si la transmisión de información es bidireccional (canal dúplex), entonces en ambos lados de la LPI hay unidades de módem (MODulator-DEModulator) que combinan enlaces M y DM, así como unidades de códec (COder-DEcoder) que combinan codificadores (KI y KK) y decodificadores (DI y DC).

Características de los canales de transmisión

Las principales características distintivas de los canales incluyen el ancho de banda y la inmunidad al ruido.

En el canal, la señal de información está expuesta a ruidos e interferencias. Pueden ser causados ​​por causas naturales (por ejemplo, atmosféricos para canales de radio) o ser creados especialmente por el enemigo.

La inmunidad al ruido de los canales de transmisión aumenta mediante el uso de varios tipos de filtros analógicos y digitales para separar las señales de información del ruido, así como métodos especiales de transmisión de mensajes que minimizan el efecto del ruido. Uno de estos métodos es la adición de caracteres adicionales que no tienen contenido útil, pero ayudan a controlar la corrección del mensaje, así como a corregir errores en él.

El ancho de banda del canal es igual al número máximo de símbolos binarios (kbps) transmitidos por él en ausencia de interferencia en un segundo. Para diferentes canales, varía desde unos pocos kbps hasta cientos de Mbps y está determinado por sus propiedades físicas.

teoría de la transferencia de información

Claude Shannon es el autor de una teoría especial de codificación de datos transmitidos, quien descubrió métodos para combatir el ruido. Una de las ideas principales de esta teoría es la necesidad de redundancia del código digital transmitido a través de líneas de transmisión de información. Esto le permite restaurar la pérdida si alguna parte del código se pierde durante su transmisión. Dichos códigos (señales de información digital) se denominan inmunes al ruido. Sin embargo, la redundancia de código no debe llevarse demasiado lejos. Esto conduce a que la transmisión de información se retrase, así como al aumento del costo de los sistemas de comunicación.

Procesamiento de señales digitales

Otro componente importante de la teoría de la transmisión de información es un sistema de métodos para el procesamiento de señales digitales en los canales de transmisión. Estos métodos incluyen algoritmos para digitalizar señales de información analógicas iniciales con una determinada tasa de muestreo determinada sobre la base del teorema de Shannon, así como métodos para generar, sobre su base, señales portadoras protegidas contra el ruido para la transmisión a través de líneas de comunicación y el filtrado digital de las señales recibidas. para separarlos de la interferencia.

El primer medio técnico de transmisión de información a distancia fue el telégrafo, inventado en 1837 por el estadounidense Samuel Morse. En 1876, el estadounidense A. Bell inventa el teléfono. Basado en el descubrimiento de las ondas electromagnéticas por el físico alemán Heinrich Hertz (1886), A.S. Popov en Rusia en 1895 y casi simultáneamente con él en 1896 G. Marconi en Italia, se inventó la radio. La televisión e Internet aparecieron en el siglo XX.

Todos los métodos técnicos de comunicación de información enumerados se basan en la transmisión de una señal física (eléctrica o electromagnética) a distancia y están sujetos a ciertas leyes generales. El estudio de estas leyes es teoría de la comunicación que surgió en la década de 1920. Aparato matemático de la teoría de la comunicación - teoría matemática de la comunicación, desarrollado por el científico estadounidense Claude Shannon.

Claude Elwood Shannon (1916–2001), EE. UU.

Claude Shannon propuso un modelo para el proceso de transmisión de información a través de canales técnicos de comunicación, representado por un diagrama.

Sistema de transmisión de información técnica

Codificar aquí significa cualquier transformación de información proveniente de una fuente en una forma adecuada para su transmisión a través de un canal de comunicación. Descodificación- transformación inversa de la secuencia de la señal.

El funcionamiento de tal esquema puede explicarse por el proceso familiar de hablar por teléfono. La fuente de información es la persona que habla. Un codificador es un micrófono de mano que convierte las ondas de sonido (habla) en señales eléctricas. El canal de comunicación es la red telefónica (cables, conmutadores de nodos telefónicos a través de los cuales pasa la señal). El dispositivo decodificador es un auricular (auricular) de la persona que escucha, el receptor de la información. Aquí la señal eléctrica entrante se convierte en sonido.

Los sistemas informáticos modernos para transmitir información (redes informáticas) funcionan según el mismo principio. Existe un proceso de codificación que convierte un código informático binario en una señal física del tipo que se transmite a través de un canal de comunicación. La decodificación es la transformación inversa de la señal transmitida en código de computadora. Por ejemplo, cuando se utilizan líneas telefónicas en redes informáticas, las funciones de codificación y decodificación las realiza un dispositivo llamado módem.

Capacidad del canal y tasa de transferencia de información

Los desarrolladores de sistemas de transmisión de información técnica tienen que resolver dos tareas interrelacionadas: cómo garantizar la máxima velocidad de transferencia de información y cómo reducir la pérdida de información durante la transmisión. Claude Shannon fue el primer científico que asumió la solución de estos problemas y creó una nueva ciencia para esa época: Teoría de la información.

K.Shannon determinó el método para medir la cantidad de información transmitida a través de los canales de comunicación. Introdujeron el concepto Canal de Banda ancha,como la tasa de transferencia de información máxima posible. Esta velocidad se mide en bits por segundo (así como en kilobits por segundo, megabits por segundo).

El rendimiento de un canal de comunicación depende de su implementación técnica. Por ejemplo, las redes informáticas utilizan los siguientes medios de comunicación:

líneas telefónicas,

Conexión de cables eléctricos,

cableado de fibra óptica,

Comunicación por radio.

Rendimiento de las líneas telefónicas: decenas, cientos de Kbps; el rendimiento de las líneas de fibra óptica y las líneas de comunicación por radio se mide en decenas y cientos de Mbps.

Ruido, protección contra el ruido

El término "ruido" se refiere a varios tipos de interferencia que distorsionan la señal transmitida y conducen a la pérdida de información. Dicha interferencia ocurre principalmente debido a razones técnicas: mala calidad de las líneas de comunicación, inseguridad entre sí de varios flujos de información transmitidos por los mismos canales. A veces, mientras hablamos por teléfono, escuchamos ruidos, crujidos, que dificultan la comprensión del interlocutor, o la conversación de personas completamente diferentes se superpone a nuestra conversación.

La presencia de ruido conduce a la pérdida de la información transmitida. En tales casos se requiere protección contra el ruido.

En primer lugar, se utilizan métodos técnicos para proteger los canales de comunicación de los efectos del ruido. Por ejemplo, usar cable blindado en lugar de cable desnudo; el uso de varios tipos de filtros que separan la señal útil del ruido, etc.

Claude Shannon desarrolló teoría de la codificación, que proporciona métodos para tratar el ruido. Una de las ideas importantes de esta teoría es que el código transmitido por la línea de comunicación debe ser redundante. Debido a esto, se puede compensar la pérdida de alguna parte de la información durante la transmisión. Por ejemplo, si es difícil escucharlo cuando habla por teléfono, al repetir cada palabra dos veces, tiene más posibilidades de que el interlocutor lo entienda correctamente.

Sin embargo, no puede hacer que la redundancia sea demasiado grande. Esto conducirá a retrasos y mayores costos de comunicación. La teoría de la codificación le permite obtener un código que será óptimo. En este caso, la redundancia de la información transmitida será la mínima posible y la fiabilidad de la información recibida será la máxima.

En los sistemas de comunicación digital modernos, la siguiente técnica se usa a menudo para combatir la pérdida de información durante la transmisión. Todo el mensaje se divide en porciones: paquetes. Para cada paquete se calcula suma de control(suma de dígitos binarios) que se transmite con este paquete. En el lugar de recepción, se vuelve a calcular la suma de control del paquete recibido y, si no coincide con la suma original, se repite la transmisión de este paquete. Esto continuará hasta que las sumas de verificación inicial y final coincidan.

Considerando la transferencia de información en cursos propedéuticos y de informática básica, en primer lugar, este tema debe ser discutido desde la posición de una persona como receptora de información. La capacidad de recibir información del mundo circundante es la condición más importante para la existencia humana. Los órganos de los sentidos humanos son los canales de información del cuerpo humano, llevando a cabo la conexión de una persona con el medio ambiente externo. Sobre esta base, la información se divide en visual, auditiva, olfativa, táctil y gustativa. La razón por la que el gusto, el olfato y el tacto transmiten información a una persona es la siguiente: recordamos los olores de los objetos familiares, el sabor de la comida familiar, reconocemos los objetos familiares por el tacto. Y el contenido de nuestra memoria es información almacenada.

Se debe decir a los estudiantes que en el mundo animal el papel informativo de los sentidos es diferente al humano. El sentido del olfato desempeña una importante función informativa para los animales. Los organismos encargados de hacer cumplir la ley utilizan el elevado sentido del olfato de los perros de servicio para buscar delincuentes, detectar drogas, etc. La percepción visual y auditiva de los animales difiere de la de los humanos. Por ejemplo, se sabe que los murciélagos escuchan ultrasonido y que los gatos ven en la oscuridad (desde una perspectiva humana).

En el marco de este tema, los estudiantes deben poder dar ejemplos específicos del proceso de transmisión de información, determinar para estos ejemplos la fuente, el receptor de información y los canales utilizados para transmitir información.

Al estudiar informática en la escuela secundaria, los estudiantes deben conocer las disposiciones básicas de la teoría técnica de la comunicación: los conceptos de codificación, decodificación, tasa de transferencia de información, capacidad del canal, ruido, protección contra el ruido. Estos problemas pueden considerarse en el marco del tema "Medios técnicos de redes informáticas".

Representación de números

Números en matemáticas

El número es el concepto más importante de las matemáticas, que ha evolucionado y evolucionado durante un largo período de la historia humana. La gente ha estado trabajando con números desde la antigüedad. Inicialmente, una persona operaba solo con números enteros positivos, que se llaman números naturales: 1, 2, 3, 4, ... Durante mucho tiempo se opinó que existe el número más grande, "más que esto la mente humana puede entender” (como escribieron en los tratados matemáticos eslavos antiguos).

El desarrollo de la ciencia matemática ha llevado a la conclusión de que no existe un número mayor. Desde un punto de vista matemático, la serie de los números naturales es infinita, es decir no está limitado Con el advenimiento del concepto de número negativo en matemáticas (R. Descartes, siglo XVII en Europa; en India mucho antes), resultó que el conjunto de números enteros es ilimitado tanto "izquierdo" como "derecho". El conjunto matemático de los números enteros es discreto e ilimitado (infinito).

El concepto de número real (o real) fue introducido en las matemáticas por Isaac Newton en el siglo XVIII. Desde un punto de vista matemático el conjunto de los números reales es infinito y continuo. Incluye muchos enteros y un número infinito de no enteros. Entre dos puntos cualesquiera del eje numérico se encuentra un conjunto infinito de números reales. El concepto de número real está asociado a la idea de un eje numérico continuo, cualquier punto del cual corresponde a un número real.

Representación entera

en la memoria de la computadora los números se almacenan en el sistema numérico binario(cm. " Sistemas numéricos 2). Hay dos formas de representar enteros en una computadora: enteros sin signo y enteros con signo.

Enteros sin signo - eso el conjunto de números positivos en el rango, donde k- esta es la profundidad de bits de la celda de memoria asignada para el número. Por ejemplo, si se asigna una celda de memoria de 16 bits (2 bytes) para un número entero, entonces el número más grande será:

En decimal, esto corresponde a: 2 16 - 1 \u003d 65 535

Si todos los dígitos de la celda son ceros, entonces será cero. Por lo tanto, 2 16 = 65 536 enteros se colocan en una celda de 16 bits.

enteros con signoes el conjunto de números positivos y negativos en el rango[–2k –1 , 2k-once]. por ejemplo, cuando k= rango de representación de 16 enteros: [–32768, 32767]. El orden superior de la celda de memoria almacena el signo del número: 0 - número positivo, 1 - número negativo. El mayor número positivo 32.767 tiene la siguiente representación:

Por ejemplo, el número decimal 255, luego de ser convertido a binario e insertado en una celda de memoria de 16 bits, tendrá la siguiente representación interna:

Los enteros negativos se representan en complemento a dos. código adicional numero positivo norte- eso tal su representación binaria, que sumada al código del número N da el valor 2k. Aquí k- el número de bits en la celda de memoria. Por ejemplo, el código adicional para el número 255 sería:

Esta es la representación del número negativo -255. Agreguemos los códigos de los números 255 y -255:

El que estaba en el orden más alto "cayó" de la celda, por lo que la suma resultó ser cero. Pero así es como debería ser: norte + (–norte) = 0. El procesador de la computadora realiza la operación de resta como una suma con el código adicional del número sustraído. En este caso, el desbordamiento de la celda (superación de los valores límite) no provoca la interrupción de la ejecución del programa. ¡Esta circunstancia el programador debe conocerla y tenerla en cuenta!

Formato para representar números reales en una computadora llamado formato de punto flotante. Número Real R representado como un producto de la mantisa metro basado en el sistema numérico norte hasta cierto punto pags, que se llama el orden: R= metro ? notario público.

La representación de un número en forma de coma flotante es ambigua. Por ejemplo, para el número decimal 25,324, las siguientes igualdades son verdaderas:

25,324 = 2,5324? 10 1 = 0.0025324? 10 4 \u003d 2532.4? 10 -2, etc

Para evitar ambigüedades, acordamos usar la computadora una representación normalizada de un número en forma de coma flotante. mantisa en la representación normalizada debe cumplir la condición: 0.1 norte metro < 1norte. En otras palabras, la mantisa es menor que uno y el primer dígito significativo no es cero. En algunos casos, la condición de normalización se toma de la siguiente manera: 1 norte metro < 10norte.

V memoria del ordenador mantisa representado como un número entero que contiene solo dígitos significativos(0 enteros y comas no se almacenan). Por tanto, la representación interna de un número real se reduce a la representación de un par de enteros: mantisa y exponente.

Los diferentes tipos de computadoras usan diferentes formas de representar números en forma de punto flotante. Considere una de las variantes de la representación interna de un número real en una celda de memoria de cuatro bytes.

La celda debe contener la siguiente información sobre el número: el signo del número, el exponente y los dígitos significativos de la mantisa.

El signo del número se almacena en el bit más significativo del 1er byte: 0 significa más, 1 significa menos. Los 7 bits restantes del primer byte contienen orden de la máquina. Los siguientes tres bytes almacenan los dígitos significativos de la mantisa (24 bits).

Los números binarios en el rango de 0000000 a 1111111 se colocan en siete dígitos binarios, lo que significa que el orden de la máquina varía en el rango de 0 a 127 (en sistema numérico decimal). Hay 128 valores en total. El orden, obviamente, puede ser positivo o negativo. Es razonable dividir estos 128 valores por igual entre valores de orden positivo y negativo: de -64 a 63.

Orden de la máquinasesgado en relación con el matemático y tiene sólo valores positivos. El desplazamiento se elige de modo que el valor matemático mínimo de la orden corresponda a cero.

La relación entre el orden de la máquina (Mp) y el orden matemático (p) en el caso considerado se expresa mediante la fórmula: Mp = p + 64.

La fórmula resultante se escribe en el sistema decimal. En binario, la fórmula se ve así: Mp 2 = p 2 + 100 0000 2 .

Para escribir la representación interna de un número real, debes:

1) traducir el módulo de un número dado a un sistema numérico binario con 24 dígitos significativos,

2) normalizar un número binario,

3) encontrar el orden de la máquina en el sistema binario,

4) teniendo en cuenta el signo del número, escriba su representación en una palabra de máquina de cuatro bytes.

Ejemplo. Escribe la representación interna del número 250.1875 en forma de punto flotante.

Solución

1. Vamos a traducirlo a un sistema numérico binario con 24 dígitos significativos:

250,1875 10 = 11111010,0011000000000000 2 .

2. Escribamos en forma de un número de punto flotante binario normalizado:

0.111110100011000000000000 H 10 2 1000 .

Aquí está la mantisa, la base del sistema numérico.
(2 10 \u003d 10 2) y el orden (8 10 \u003d 1000 2) están escritos en binario.

3. Calcular el orden de la máquina en el sistema binario:

MP2 = 1000 + 100 0000 = 100 1000.

4. Escribamos la representación del número en una celda de memoria de cuatro bytes, teniendo en cuenta el signo del número

Forma hexadecimal: 48FA3000.

El rango de los números reales es mucho más amplio que el rango de los enteros. Los números positivos y negativos están dispuestos simétricamente alrededor del cero. Por lo tanto, los números máximo y mínimo son iguales en valor absoluto.

El número absoluto más pequeño es cero. El número de punto flotante más grande en valor absoluto es el número con la mantisa más grande y el exponente más grande.

Para una palabra de máquina de cuatro bytes, este número sería:

0.11111111111111111111111 10 2 1111111 .

Después de convertir al sistema numérico decimal, obtenemos:

MÁX = (1 - 2 -24) 2 63 10 19 .

Si, al calcular con números reales, el resultado está fuera del rango permitido, entonces se interrumpe la ejecución del programa. Esto sucede, por ejemplo, al dividir por cero, o por un número muy pequeño cercano a cero.

Los números reales cuya longitud de bits de mantisa excede el número de bits asignados para la mantisa en una celda de memoria se representan en la computadora aproximadamente (con una mantisa "truncada"). Por ejemplo, el número decimal racional 0.1 en una computadora se representará aproximadamente (redondeado) porque en el sistema binario su mantisa tiene una cantidad infinita de dígitos. La consecuencia de esta aproximación es el error de los cálculos de máquina con números reales.

La computadora realiza cálculos con números reales aproximadamente. El error de tales cálculos se llamaerror de redondeo de máquina.

El conjunto de números reales que se pueden representar exactamente en la memoria de la computadora en forma de punto flotante es limitado y discreto.. La discreción es una consecuencia del número limitado de dígitos de la mantisa, como se discutió anteriormente.

La cantidad de números reales que se pueden representar exactamente en la memoria de la computadora se puede calcular mediante la fórmula: norte = 2t · ( tu – L+ 1) + 1. Aquí t- el número de dígitos binarios de la mantisa; tu- el valor máximo del orden matemático; L- valor mínimo de pedido. Para la opción de representación considerada anteriormente ( t = 24, tu = 63,
L= -64) resulta: norte = 2 146 683 548.

El tema de representar información numérica en una computadora está presente tanto en el estándar para primaria como para bachillerato.

En la escuela básica (curso básico) basta considerar la representación de números enteros en una computadora. El estudio de este problema solo es posible después de familiarizarse con el tema "Sistemas numéricos". Además, desde los principios de la arquitectura de computadoras, los estudiantes deben ser conscientes de que una computadora funciona con un sistema numérico binario.

Teniendo en cuenta la representación de números enteros, se debe prestar atención principal al rango limitado de números enteros, a la conexión de este rango con la capacidad de la celda de memoria asignada: k. Para números positivos (sin signo): , para números positivos y negativos (con signo): [–2 k –1 , 2k –1 – 1].

La obtención de la representación interna de los números debe analizarse con ejemplos. Después de eso, por analogía, los estudiantes deben resolver tales problemas de forma independiente.

Ejemplo 1 Obtenga la representación interna firmada del entero 1607 en una ubicación de memoria de dos bytes.

Solución

1) Convierte el número al sistema binario: 1607 10 = 11001000111 2 .

2) Sumando ceros a los 16 dígitos de la izquierda, obtenemos la representación interna de este número en la celda:

Es conveniente mostrar cómo se utiliza la forma hexadecimal para la forma comprimida de este código, que se obtiene reemplazando cada cuatro dígitos binarios por un dígito hexadecimal: 0647 (ver “ Sistemas numéricos” 2).

Más difícil es el problema de obtener la representación interna de un entero negativo (– norte) - código adicional. Debe mostrar a los estudiantes el algoritmo de este procedimiento:

1) obtener la representación interna de un número positivo norte;

2) obtenga el código de retorno de este número reemplazando 0 con 1 y 1 con 0;

3) sumar 1 al número resultante.

Ejemplo 2 Obtenga la representación interna del entero negativo -1607 en una ubicación de memoria de dos bytes.

Solución

Es útil mostrar a los estudiantes cómo es la representación interna del número negativo más pequeño. En una celda de dos bytes, esto es -32.768.

1) es fácil convertir el número 32 768 al sistema numérico binario, ya que 32 768 = 2 15. Por lo tanto, en binario es:

2) escribir el código inverso:

3) sumamos uno a este número binario, obtenemos

El que está en el primer bit significa el signo menos. No es necesario pensar que el código recibido es menos cero. Esto es -32,768 en forma de complemento a dos. Estas son las reglas para la representación automática de números enteros.

Después de mostrar este ejemplo, haga que los estudiantes demuestren por sí mismos que al sumar los códigos numéricos 32767 + (-32768) se obtiene el código numérico -1.

Según la norma, la representación de números reales debe estudiarse en la escuela secundaria. Al estudiar informática en los grados 10-11 en el nivel básico, es suficiente informar a los estudiantes sobre las características principales de una computadora con números reales: sobre el rango limitado y la interrupción del programa cuando va más allá; sobre el error de los cálculos de la máquina con números reales, que la computadora realiza cálculos con números reales más lentamente que con números enteros.

Estudiar a nivel de perfil requiere un análisis detallado de cómo representar números reales en formato de coma flotante, un análisis de las características de realizar cálculos en una computadora con números reales. Un problema muy importante aquí es la estimación del error de cálculo, la advertencia contra la pérdida de valor, contra la interrupción del programa. El material detallado sobre estos temas está disponible en el manual de capacitación.

Notación

Notación - esta es una forma de representar números y las reglas correspondientes para operar con números. Los diversos sistemas numéricos que existían antes y se utilizan hoy en día se pueden dividir en no posicional y posicional. Signos utilizados al escribir números, son llamados números.

V sistemas numéricos no posicionales el valor de un dígito no depende de su posición en el número.

Un ejemplo de un sistema numérico no posicional es el sistema romano (números romanos). En el sistema romano, las letras latinas se utilizan como números:

Ejemplo 1 El número CCXXXII consta de doscientos, tres decenas y dos unidades y es igual a doscientos treinta y dos.

Los números romanos se escriben de izquierda a derecha en orden descendente. En este caso, se suman sus valores. Si se escribe un número más pequeño a la izquierda y un número grande a la derecha, entonces se restan sus valores.

Ejemplo 2

VI = 5 + 1 = 6; IV \u003d 5 - 1 \u003d 4.

Ejemplo 3

MCMXCVIII = 1000 + (-100 + 1000) +

+ (–10 + 100) + 5 + 1 + 1 + 1 = 1998.

V sistemas de números posicionales el valor denotado por un dígito en una entrada numérica depende de su posición. El número de dígitos utilizados se denomina base del sistema numérico posicional.

El sistema numérico utilizado en las matemáticas modernas es sistema decimal posicional. Su base es diez, porque Cualquier número se escribe usando diez dígitos:

0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9.

La naturaleza posicional de este sistema es fácil de entender con el ejemplo de cualquier número de varios dígitos. Por ejemplo, en el número 333, los primeros tres significan trescientos, el segundo, tres decenas, el tercero, tres unidades.

Escribir números en un sistema posicional con base norte Debe tener alfabeto desde norte dígitos Por lo general para esto norte < 10 используют norte primeros números arábigos, y norte> Se suman 10 letras a diez números arábigos. Aquí hay ejemplos de alfabetos de varios sistemas:

Si se requiere indicar la base del sistema al que pertenece el número, entonces se le asigna un subíndice a este número. Por ejemplo:

1011012, 36718, 3B8F16.

En el sistema numérico base q (q-sistema numérico ario) las unidades de dígitos son potencias sucesivas de un número q. q unidades de cualquier categoría forman la unidad de la siguiente categoría. Para escribir un número a q Se requiere un sistema de números arios. q varios caracteres (números) que representan los números 0, 1, ..., q– 1. Escribir un número q v q-El sistema numérico ario tiene la forma 10.