Файл: Методы кодирования данных (Основоположники теории кодирования).pdf

Введение

Необходимость кодирования информации возникла задолго до появления компьютеров. Речь, азбука и цифры – есть не что иное, как система моделирования мыслей, речевых звуков и числовой информации. В технике потребность кодирования возникла сразу после создания телеграфа, но особенно важной она стала с изобретением компьютеров.

Современный мир немыслим без интенсивного информационного обмена, поэтому год от года количество передаваемой между абонентами информации растёт. В настоящий момент около 70% всего объёма информации проходит через волоконно-оптические линии связи. Это, несомненно, определяет важность как теоретических, так и прикладных исследований, направленных как на совершенствование существующих линий волоконно-оптической связи, так и на разработку новых технологий, необходимых для ещё большего увеличения пропускной способности телекоммуникационных каналов.

Целью курсовой работы является анализ методов кодирования данных.

Достижение поставленной цели предполагает решение следующих задач:

- определить теоретические основы теории кодирования данных;

- рассмотреть прикладные аспекты методов кодирования;

- изучить применение специальных методов кодирования информации при передаче данных по волоконно-оптическим линям связи.

Объектом исследования в курсовой работе являются направления использования кодирования данных.

Предмет исследования – методы кодирования.

Методологической основой исследования являются учебники и учебные пособия по информатике, статьи в периодической печати и Интернет-ресурсы.

Глава 1. Теоретические основы теории кодирования данных

1.1. Основоположники теории кодирования

С необходимостью кодирования данных впервые столкнулись более полутораста лет назад, вскоре после изобретения телеграфа. Каналы были дороги и ненадежны, что сделало актуальной задачу минимизации стоимости и повышения надёжности передачи телеграмм.

Проблема ещё более обострилась в связи с прокладкой трансатлантических кабелей. С 1845 вошли в употребление специальные кодовые книги; с их помощью телеграфисты вручную выполняли «компрессию» сообщений, заменяя распространенные последовательности слов более короткими кодами. Тогда же для проверки правильности передачи стали использовать контроль чётности, метод, который применялся для проверки правильности ввода перфокарт ещё и в компьютерах первых поколений.

---

Для этого во вводимую колоду последней вкладывали специально подготовленную карту с контрольной суммой. Если устройство ввода было не слишком надежным (или колода - слишком большой), то могла возникнуть ошибка. Чтобы исправить её, процедуру ввода повторяли до тех пор, пока подсчитанная контрольная сумма не совпадала с суммой, сохраненной на карте. Эта схема неудобна, и к тому же пропускает двойные ошибки.

С развитием каналов связи потребовался более эффективный механизм контроля. Первым теоретическое решение проблемы передачи данных по зашумленным каналам предложил Клод Шеннон, основоположник статистической теории информации. Работая в Bell Labs, Шеннон написал работу «Математическая теория передачи сообщений» (1948), где показал, что если пропускная способность канала выше энтропии источника сообщений, то сообщение можно закодировать так, что оно будет передано без излишних задержек. В одной из теорем Шеннон доказал, что при наличии канала с достаточной пропускной способностью сообщение может быть передано с некоторыми временными задержками.

Кроме того, он показал возможность достоверной передачи при наличии шума в канале. Формула C = W log ((P+N)/N), высечена на скромном памятнике Шеннону, установленном в его родном городе в штате Мичиган. Труды Шеннона дали пищу для множества дальнейших исследований в области теории информации, но практического инженерного приложения они не имели.

Переход от теории к практике стал возможен благодаря усилиям Ричарда Хэмминга, коллеги Шеннона по Bell Labs, получившего известность за открытие класса кодов «коды Хэмминга». Существует легенда, что к изобретению своих кодов Хэмминга подтолкнуло неудобство в работе с перфокартами на релейной счетной машине Bell Model V в середине 40-х годов. Ему давали время для работы на машине в выходные дни, когда не было операторов, и ему самому приходилось возиться с вводом. Хэмминг предложил коды, способные корректировать ошибки в каналах связи, в том числе и в магистралях передачи данных в компьютерах, прежде всего между процессором и памятью.

Коды Хэмминга показали, как можно практически реализовать возможности теоремы Шеннона. Хэмминг опубликовал свою статью в 1950, хотя во внутренних отчетах его теория кодирования датируется 1947.

Поэтому некоторые считают, что отцом теории кодирования следует считать Хэмминга, а не Шеннона. Ричард Хэмминг (1915 - 1998) получил степень бакалавра в Чикагском университете в 1937. В 1939 он получил степень магистра в Университете Небраски, а степень доктора по математике – в Университете Иллинойса. В 1945 Хэмминг начал работать в рамках Манхэттенского проекта. В1946 поступил на работу в Bell Telephone Laboratories, где работал с Шенноном. В 1976 получил кафедру в военно-морской аспирантуре в Монтерей в Калифорнии. Труд, сделавший его знаменитым, фундаментальное исследование кодов обнаружения и исправления ошибок, Хэмминг опубликовал в 1950. В 1956 он принимал участие в работе над IBM 650. Его работы заложили основу языка программирования, который позднее эволюционировал в языки программирования высокого уровня.

---

В знак признания заслуг Хэмминга в области информатики институт IEEE учредил медаль за выдающиеся заслуги в развитии информатики и теории систем, которую назвал его именем. Хэмминг первым предложил «коды с исправлением ошибок» (Error-Correcting Code, ECC).

Современные модификации этих кодов используются во всех системах хранения данных и для обмена между процессором и оперативной памятью. Один из их вариантов, коды Рида-Соломона применяются в компакт-дисках, позволяя воспроизводить записи без скрипов и шумов, вызванных царапинами и пылинками. Существует множество версий кодов, построенных «по мотивам» Хэмминга, они различаются алгоритмами кодирования и количеством проверочных битов.

Особое значение подобные коды приобрели в связи с развитием дальней космической связи с межпланетными станциями. Среди новейших кодов ECC следует назвать коды LDPC (Low-Density Parity-check Code). Вообще-то они известны лет тридцать, но особый интерес к ним обнаружился именно в последние годы, когда стало развиваться телевидение высокой чёткости. Коды LDPC не обладают 100-процентной достоверностью, но вероятность ошибки может быть доведена до желаемой, и при этом с максимальной полнотой используется пропускная способность канала. К ним близки «турбокоды» (Turbo Code), они эффективны при работе с объектами, находящимися в условиях далекого космоса и ограниченной пропускной способности канала.

В историю теории кодирования прочно вписано имя В. А. Котельникова. В 1933 в «Материалах по радиосвязи к I Всесоюзному съезду по вопросам технической реконструкции связи» он опубликовал работу «О пропускной способности «эфира» и «проволоки». Имя Котельникова входит в название одной из важнейших теорем теории кодирования, определяющей условия, при которых переданный сигнал может быть восстановлен без потери информации. Эту теорему называют по-разному, в том числе «теоремой WKS» (аббревиатура WKS взята от Whittaker, Kotelnikov, Shannon). В некоторых источниках используют и Nyquist-Shannon sampling theorem, и Whittaker-Shannon sampling theorem, а в отечественных вузовских учебниках чаще всего встречается просто «теорема Котельникова».

На самом же деле теорема имеет более долгую историю. Ее первую часть в 1897 доказал французский математик Э. Борель. Свой вклад в 1915 внес Э. Уиттекер. В1920 японец К. Огура опубликовал поправки к исследованиям Уиттекера, а в 1928 американец Гарри Найквист уточнил принципы оцифровки и восстановления аналогового сигнала.

---

1.2. Сущность теории кодирования, ее цели и задачи

Кодирование информации - процесс преобразования сигнала из формы, удобной для непосредственного использования информации, в форму, удобную для передачи, хранения или автоматической переработки (цифровое кодирование, аналоговое кодирование, таблично-символьное кодирование, числовое кодирование). Процесс преобразования сообщения в комбинацию символов в соответствии с кодом называется кодированием, процесс восстановления сообщения из комбинации символов называется декодированием Информацию необходимо представлять в какой- либо форме, т.е. кодировать.

Для представления дискретной информации используется некоторый алфавит. Однако однозначное соответствие между информацией и алфавитом отсутствует. Другими словами, одна и та же информация может быть представлена посредством различных алфавитов. В связи с такой возможностью возникает проблема перехода от одного алфавита к другому, причём, такое преобразование не должно приводить к потере информации. Алфавит, с помощью которого представляется информация до преобразования называется первичным; алфавит конечного представления – вторичным.

Код это:

– правило, описывающее соответствие знаков или их сочетаний одного алфавита знакам или их сочетаниям другого алфавита;

- знаки вторичного алфавита, используемые для представления знаков или их сочетаний первичного алфавита.

Операции кодирования и декодирования называются обратимыми, если их последовательное применение обеспечивает возврат к исходной информации без каких-либо её потерь. Примером обратимого кодирования является представление знаков в телеграфном коде и их восстановление после передачи. Примером кодирования необратимого может служить перевод с одного естественного языка на другой – обратный перевод, вообще говоря, не восстанавливает исходного текста. Безусловно, для практических задач, связанных со знаковым представлением информации, возможность восстановления информации по ее коду является необходимым условием применения кода, поэтому в дальнейшем изложении ограничим себя рассмотрением только обратимого кодирования. Таким образом, кодирование предшествует передаче и хранению информации. При этом хранение связано с фиксацией некоторого состояния носителя информации, а передача – с изменением состояния с течением времени (т.е. процессом). Эти состояния или сигналы будем называть элементарными сигналами – именно их совокупность и составляет вторичный алфавит.

---

Любой код должен обеспечивать однозначное чтение сообщения (надежность), так и, желательно, быть экономным (использовать в среднем поменьше символов на сообщение). Возможность восстановить текст означает, что в языке имеется определенная избыточность, за счет которой мы восстанавливаем отсутствующие элементы по оставшимся. Ясно, что избыточность находится в вероятностях букв и их комбинациях, их знание позволяет подобрать наиболее вероятный ответ. Компьютер может обрабатывать только информацию, представленную в числовой форме. Вся другая информация (звуки, изображения, показания приборов и т. д.) для обработки на компьютере должна быть преобразована в числовую форму. С помощью компьютерных программ можно преобразовывать полученную информацию, в том числе - текстовую. При вводе в компьютер каждая буква кодируется определенным числом, а при выводе на внешние устройства (экран или печать) для восприятия человеком по этим числам строятся изображения букв. Соответствие между набором букв и числами называется кодировкой символов. Как правило, все числа в компьютере представляются с помощью нулей и единиц, т.е. словами, компьютеры работают в двоичной системе счисления, поскольку при этом устройства для их обработки получаются значительно более простыми. Кодер - программист, специализирующийся на кодировании - написании исходного кода по заданным спецификациям. Кодер - одна из двух компонент кодека (пары кодер – декодер). Декодер - некоторое звено, которое преобразует информацию из внешнего вида в вид, применяемый внутри узла. В программном обеспечении: модуль программы или самостоятельное приложение, которое преобразует файл или информационный поток из внешнего вида в вид, который поддерживает другое программное обеспечение. В процессе преобразования информации из одной формы представления (знаковой системы) в другую осуществляется кодирование. Средством кодирования служит таблица соответствия, которая устанавливает взаимно однозначное соответствие между знаками или группами знаков двух различных знаковых систем. В процессе обмена информацией часто приходится производить операции кодирования и декодирования информации.

При вводе знака алфавита в компьютер путем нажатия соответствующей клавиши на клавиатуре выполняется его кодирование, т. е. преобразование в компьютерный код. При выводе знака на экран монитора или принтер происходит обратный процесс - декодирование, когда из компьютерного кода знак преобразуется в графическое изображение. Кодирование информации распадается на этапы:

---