Информация в технических устройствах и системах

Обмен информацией происходит не только среди людей. Современная жизнь не представляется без различных устройств и машин, которые не только облегчают, но, нередко, и заменяют человека при выполнении многих задач. Между тем, работа машин невозможна без процессов обработки информации.

В существующих на сегодняшний день разнообразных технических устройствах и системах прием, обработка и передача информации осуществляется с помощью сигналов. Сигналы отражают физические характеристики изучаемых объектов и процессов. Посредством сигналов информация может передаваться как на очень короткие расстояния, например, от одного узла устройства к другому, так и на очень большие, расположенные в разных точках Земного шара. Кроме этого, информация в виде сигнала может различным образом перерабатываться, сохраняться, уничтожаться и т. п.

На сегодняшний день различают несколько видов сигналов. Это, например, звуковые сигналы, которые можно услышать при работе милицейской сирены. Или световые сигналы, передающие информацию от пульта дистанционного управления к телевизору. Но наибольшее распространение в современных технических устройствах получили электрические сигналы. Это связано с тем, что для них в настоящее время созданы наилучшие технические средства обработки, хранения и передачи.

Остановимся подробнее на электрическом сигнале. При передаче информации посредством электрического сигнала значение информации, заключенной в этом сигнале, выражается в параметрах электрического тока - в силе тока и напряжении. При этом информации, переносимая таким сигналом, может быть самой разнообразной.

Существующие в технических устройствах сигналы делятся на непрерывные (или аналоговые) и дискретные.

Непрерывность сигнала означает возможность его изменения на любую малую величину в любой заданный малый промежуток времени (рис. 1.7).

Рис. 1.7. Непрерывный сигнал

Непрерывный сигнал. Образование аналогового сигнала происходит, например, при получении первичной информации с датчиков, связанных с изучаемым объектом или внешней средой. Полученный аналоговый сигнал, как правило, требует дальнейшей его обработки. Это может быть передача, преобразование или сохранение. Посмотрим это на примерах. Продемонстрировать аналоговую обработку сигнала можно, рассматривая процесс преобразования сигнала, идущего от микрофона к динамику. Для того, чтобы динамик мог воспроизвести звуковой сигнал, поступивший на вход микрофона, необходимо, чтобы произошел процесс обработки поступившего сигнала. Микрофон преобразует звуковой сигнал в слабый электрический, выходной характеристикой которого является напряжение. Понятно, что микрофон и динамик применяется в случае, когда стоит проблема усиления звукового сигнала. Для этого производится обработка, а именно целенаправленное усиление аналогового электрического сигнала до требуемой величины. Получив таким образом необходимый сигнал, динамик его преобразовывает в звуковой, но уже более сильный, чем поступивший на вход микрофона.

Примером аналоговой передачи сигнала является передача речевой информации по телефонным проводам. При телефонных переговорах поступающая речевая информация преобразуется в аналоговые электрические сигналы, которые по проводам передаются абоненту, а затем обратно преобразуются в речевую информацию. В этом случае никакой обработки сигнала не производится, только небольшое усиление, которое просто предотвращает затухание сигнала.

Аналоговое сохранение информации является также довольно распространенным явлением. Это, например запись звукового сигнала на магнитофонную ленту.

Мы рассмотрели примеры аналоговых сигналов. Перейдем к дискретным.

До семидесятых годов ХХ века технические устройства работали только с аналоговыми сигналами. Аналоговыми являлись и способы их обработки. Это означало, что обработка сигнала проводилась на непрерывном интервале времени (иными словами - в каждый малый промежуток времени). А в результате такой обработки получался также аналоговый сигнал (рис. 1.8).

Рис. 1.8. Аналоговое преобразование сигнала

С появлением в семидесятых годах ХХ века микропроцессора - основного элемента ЭВМ, а также микросхем с высокой степенью интеграции, стали получать распространение дискретные и цифровые сигналы, а вместе с ними и соответствующие способы их обработки.

Говоря о непрерывности сигнала, мы рассматривали непрерывный промежуток времени, на котором может изменяться сигнал.

Дискретность же сигнала означает возможность его измерения только на конечном отрезке, в строго определенные моменты времени. А следовательно, и сам сигнал представляет собой уже не непрерывную функцию, а последовательностью дискретных значений (рис. 1.9).

Рис. 1.9. Дискретный сигнал

Как видно из рис. 1.9 дискретные значения функции, полученные в дискретные моменты времени, имеют лишь только приближенные числовые значения. В зависимости от решаемой задачи, эти значения могут быть зафиксированы только в данных временных точках, а могут сохранять свое значение в промежутке от данной до следующей точки измерения.

В случае, когда наличие приближенных значений не удовлетворяет поставленной задаче, производят округление имеющихся значений с заданной степенью точности. И тогда уже вместо приближенных значений получаются определенные конечные числовые значения (рис. 1.10).

Рис. 1.10. Цифровой сигнал

Дискретный сигнал, значения которого выражены определенными конечными числами, называется цифровым.

Аналогично аналоговым устройствам обработки аналоговых сигналов, для обработки, хранения, передачи цифровых сигналов также существуют специальные технические устройства. Бурное развитие вычислительной техники, средств телекоммуникации непосредственно связано с обработкой именно цифровых сигналов, поскольку цифровая cвязь имеет множество преимуществ по сравнению с аналоговой.

Широкое применение цифрового способа хранения информации находит запись различного рода информации на аудио- и видео- компакт-дисках (CD-ROM).

С цифровой передачей данных мы сталкиваемся при обмене информацией между компьютерами с помощью модема или при работе с факсимильными средствами связи.

Довольно сложными оказываются примеры цифровой обработки сигнала. Такая обработка, например, производится цифровыми фильтрами, основанными на алгоритмах преобразования Фурье.

Несмотря на то, что цифровая обработка информации приобретает в настоящее время все большее распространение, отказаться от аналоговой невозможно. Еще остается достаточно много систем и устройств, в которых информация может передаваться только в виде аналогового сигнала. В связи с этим решаются различные вопросы, ищутся способы преобразования аналогового сигнала в цифровой и наоборот.

Очевидно, при преобразовании исходного аналогового сигнала в цифровой, появляется определенная погрешность. Это, конечно, является недостатком. Но увеличивая число дискретов по оси времени и функции сигнала, можно достичь уменьшение погрешности. Использование современных высокоскоростных технических средств обработки и хранения цифровых сигналов позволяет значительно упростить и удешевить процесс преобразования аналогового сигнала в цифровой. А также устранить недостатки, присущие аналоговой передаче сигнала, например, влияние шумов, и получить ряд важных преимуществ.

В результате даже такие области телекоммуникации, как телефонная связь и радиовещание, где традиционным являлся аналоговый сигнал, переходят на цифровую форму обработки и передачи сигналов. Этот процесс получил наибольшее развитие с появлением глобальных компьютерных сетей. Распространенным средством осуществления связи между компьютерами является телефонная сеть. Исходное сообщение, поступающее в телефонную линию, преобразуется, прежде всего, в аналоговый сигнал. После этого специальные технические средства производят последующее преобразование этого аналогового сигнала в цифровой. И уже в цифровом виде он обрабатывается, хранится, передается. Только достигнув получателя, цифровой сигнал обратно преобразуется в аналоговый и воспринимается абонентом в привычном ему виде.

Таким образом, мы рассмотрели существующие виды информации. Зрительная и звуковая, посредством которой общаются люди, а также информация в виде сигналов, непосредственно связаны между собой. Преобразования информации из одного вида в другой показывают насколько важен и непрерывен процесс обмена информацией. Применение технических устройств делает этот процесс неотъемлемой частью жизни человеческого общества

Контрольные вопросы для самопроверки

1. Сформулируйте цели и задачи, стоящие перед информатикой.
2. Назовите области применения информатики.
3. Дайте определение информатики. Можно ли дать другое определение? Почему?
4. Почему информатика - развивающаяся дисциплина?
5. Дайте определение информации. Является ли оно единственно верным? Почему?
6. Какие этапы развития способов хранения, обработки и передачи информации Вам известны?
7. Назовите аспекты понятия информации. В чем заключается смысл каждого из них?
8. Перечислите методы получения информации. Охарактеризуйте каждый из них.
9. Сформулируйте известные Вам свойства информации. Основываясь на собственных знаниях и опыте, приведите примеры, характеризующие проявление этих свойств.
10. Назовите виды информации, присутствующие в общении людей; в технических устройствах и системах.
11. Что означает непрерывность сигнала? Дискретность сигнала?
12. Какой сигнал называется цифровым?
13. Возможно ли преобразование аналогового сигнала в цифровой и наоборот

Литература

1. Введение в компьютерные науки. Изд.6 , Д.Гленн Брукшир, Вильямс, 2001, 688 стр..
2. Основы информатики, Под ред. Морозевича А.Н., Минск, 2001, 544 стр..
3. Основы компьютерной грамотности, Шелкоплясов Т.Н., Минск, 1999, 208 стр..
4. Основы компьютерных технологий, Попов В.Б., Фин. и стат-ка, 2002, 704 стр..
5. Основы работы на ПК (Самоучитель), Васильев В., BHV-СПб, 2000, 448 стр..
6. Первые шаги пользователя ПК. Изд.2. (+ дискета), Репьев, Познават.книга, 2000, 200 стр..
7. Первые шаги пользователя ПК. Ускоренное обучение (WinMe) + дискета, Репьев Ю.Г. Срирпный А.А., Познават.книга, 2001, 216 стр..
8. Толковый словарь компьютерных технологий, Шниер, ДиаСофт, 2000, 720 стр..
9. Толковый словарь современной компьютерной лексики. Изд. 2-е, Дорот В., Новиков Ф., BHV, 2001, 512 стр..