Файл: Методы кодирования данных (Кодирование информации. История, понятие и виды).pdf

ВВЕДЕНИЕ

С каждым днем процессы в жизни современного общества становятся все более автоматизированными – современный пользователь может в момент получить необходимую информацию, осуществить сложные вычислительные операции, общаться с другими людьми, которые находятся на другом конце света. Словом, делать то, что раньше было невозможным и даже немыслимым. Подобная автоматизация реализуется благодаря множеству различных процессов, выполняемых современными электронно–вычислительными машинами.

Получение и эффективная обработка данных есть неотделимое от жизни явление, ведь от этого зависит любое живое существо. От простейших до высших млекопитающих – любое животное воспринимает данные из окружающей среды, обрабатывает их и благодаря этому благостно существует в природе. Кроме того, любое живое существо представляет собой носитель определенного набора генетической информации, которая потом передастся потомкам. Генетические данные определяют строение, здоровье, внутренний и внешний вид и развитие живого существа, которому принадлежат.

Если говорить в частности о человеке, то людьми окружающая действительность воспринимается посредством органов чувств, после чего она обрабатывается мозгом и предоставляет субъективную информацию об объективной реальности. Иначе говоря – человек формирует, а после и живет в мире информации.

И сегодня, чем дальше развивается человечество, тем более изощренные способы и методы ее обработки появляются. Это, в некоторой степени связано и с тем, что потоки информации огромны и всеобъемлющи, и одной из наиболее зависимых сфер является экономическая сфера. Так, в зависимости от скорости обработки информации, та или иная организация может быть более или менее конкурентоспособной на своем рынке. И правда, сегодня сложно представить современную организацию без автоматизированной системы обработки информации. А информацию необходимо обрабатывать корректно и сделать это таким образом, чтобы был сохранен баланс компьютер–человек.

Современный компьютер предоставляет множество возможностей по оперативной обработке данных, и осуществляется она посредством применения особых методов кодирования информации, которые развивались и менялись на протяжении продолжительного времени. Сегодня известны определенные методы кодирования данных, которые применяются для кодировки различных типов информации – текстовой, графической и звуковой.

Для того чтобы подробнее разобраться в вопросе, необходимо достичь цели исследования – изучить методы кодирования данных.

---

Для достижения данной цели необходимо выполнить следующие задачи:

• проанализировать историю кодирования данных;
• рассмотреть понятие и виды кодирования данных;
• охарактеризовать методы кодирования данных:
• NRZ;
• NRZI;
• RZ;
• AMI;
• HDB3;
• PE;
• подвести итоги выполнения работы.

Объектом исследования является кодирование данных, а предметом – методы кодирования данных.

Структура работы включает две главы – два и четыре параграфа соответственно, а также введение, заключение и список использованной литературы.

1. Кодирование информации. История, понятие и виды

История кодирования данных

С глубокой древности люди искали эффективные способы передачи информации:

Движение факелов использовал древнегреческий историк Полибий (II в. до н.э.).

Рисунок 1 – Схема кодирования букв греческого алфавита с помощью двух групп факелов

Оптический телеграф – семафор – впервые использовал Клод Шапп в 1791 г..

Рисунок 2 – Оптический семафор К. Шаппа и его телеграфный алфавит

Движение электромагнитной стрелки в электромагнитных телеграфных аппаратах впервые применили русский физик П.Л. Шиллинг (1832) и профессора Гёттингенского университета Вебер и Гаусс (1833).

Рисунок 3 – Схема электромагнитного телеграфа П. Л. Шиллинга

Азбука и телеграфный аппарат Самюэла Морзе (1837).

Рисунок 4 – Дерево кода Морзе

Международный флажковый код для передачи информации оптическими сигналами впервые ввел капитан Фредерик Марьят в 1861 г. на основе свода корабельных сигналов [2].

Рисунок 5 – Морская азбука сигнальных флажков

Беспроволочный телеграф (радиопередатчик) был изобретен А. С.Поповым в 1895 г. И Маркони в 1897 г. независимо друг от друга.

Рисунок 6 – Схема прибора Попова

Беспроволочный телефон, телевидение (1935), затем и ЭВМ – новые средства связи, появившиеся в XX в., с которыми связана новая эпоха в информатизации общества [2].

---

Одновременно с потребностью передавать информацию люди искали способы скрыть смысл передаваемых сообщений от посторонних любопытных глаз. Императоры, торговцы, политики и шпионы искали способы шифрования своих посланий. Образцы тайнописи можно встретить еще у Геродота (V в. до н. э.). К тайнописи – криптографии прибегал Гай Юлий Цезарь, заменяя в своих тайных записях одни буквы другими. Использовали шифрование не только древнегреческие жрецы, но и ученые Средневековья: математики итальянец Джероламо Кардано и француз Франсуа Виет, нидерландский гуманист, историк, юрист Гроций, выдающийся английский философ Фрэнсис Бэкон. Отцом криптографии считается архитектор Леон Баттиста Альберти (1404–1472), который ввел шифрующие коды и многоалфавитные подстановки [2].

Сэр Фрэнсис Бэкон (1561 – 1626), автор двухлитерного кода, доказал в 1580 г., что для передачи информации достаточно двух знаков. Также Ф.Бэкон сформулировал требования к шифру:

1. Шифр должен быть несложен, прост в работе;

2. Шифр должен быть надежен, труден для дешифровки 10 посторонним;

3. Шифр должен быть скрытен, по возможности не должен вызывать подозрений [14].

Шифры Бэкона – сочетание шифрованного текста с дезинформацией в виде нулей. Таким образом, двузначные коды и шифры использовались задолго до появления ЭВМ. Новый толчок развитию теории кодирования дало создание в 1948 году Клодом Эльвудом Шенноном (1916 – 2001) теории информации. Идеи, изложенные Шенноном в статье «Математическая теория связи», легли в основу современных теорий и техник обработки, передачи и хранения информации. Результаты его научных исследований способствовали развитию помехоустойчивого кодирования и простых методов декодирования сообщений.

Первым техническим средством передачи информации на расстояние стал телеграф, изобретенный в 1837 году американцем Сэмюэлем Морзе. Телеграфное сообщение – это последовательность электрических сигналов, передаваемая от одного телеграфного аппарата по проводам к другому телеграфному аппарату. Эти технические обстоятельства привели С. Морзе к идее использования всего двух видов сигналов – короткого и длинного – для кодирования сообщения, передаваемого по линиям телеграфной связи [14].

Рисунок 7 – Сэмюэль Финли Бриз Морзе (1791–1872), США

Такой способ кодирования получил название азбуки Морзе. В ней каждая буква алфавита кодируется последовательностью коротких сигналов (точек) и длинных сигналов (тире). Буквы отделяются друг от друга паузами – отсутствием сигналов.

---

Самым знаменитым телеграфным сообщением является сигнал бедствия «SOS» (Save Our Souls – спасите наши души). Вот как он выглядит в коде азбуки Морзе, применяемом к английскому алфавиту:

••• ––– •••

Три точки (буква S), три тире (буква О), три точки (буква S). Две паузы отделяют буквы друг от друга.

На рисунке показана азбука Морзе применительно к русскому алфавиту. Специальных знаков препинания не было. Их записывали словами: «тчк» – точка, «зпт» – запятая и т.п.

Характерной особенностью азбуки Морзе является переменная длина кода разных букв, поэтому код Морзе называют неравномерным кодом. Буквы, которые встречаются в тексте чаще, имеют более короткий код, чем редкие буквы. Например, код буквы «Е» – одна точка, а код твердого знака состоит из шести знаков. Это сделано для того, чтобы сократить длину всего сообщения. Но из–за переменной длины кода букв возникает проблема отделения букв друг от друга в тексте. Поэтому приходится для разделения использовать паузу (пропуск). Следовательно, телеграфный алфавит Морзе является троичным, т.к. в нем используется три знака: точка, тире, пропуск [14].

Рисунок 8 – Азбука Морзе

Равномерный телеграфный код был изобретен французом Жаном Морисом Бодо в конце XIX века. В нем использовалось всего два разных вида сигналов. Не важно, как их назвать: точка и тире, плюс и минус, ноль и единица. Это два отличающихся друг от друга электрических сигнала. Длина кода всех символов одинаковая и равна пяти. В таком случае не возникает проблемы отделения букв друг от друга: каждая пятерка сигналов – это знак текста. Поэтому пропуск не нужен [17].

Рисунок 9 – Жан Морис Эмиль Бодо (1845–1903), Франция

Код Бодо – это первый в истории техники способ двоичного кодирования информации. Благодаря этой идее удалось создать буквопечатающий телеграфный аппарат, имеющий вид пишущей машинки. Нажатие на клавишу с определенной буквой вырабатывает соответствующий пятиимпульсный сигнал, который передается по линии связи. Принимающий аппарат под воздействием этого сигнала печатает ту же букву на бумажной ленте. В современных компьютерах для кодирования текстов также применяется равномерный двоичный код [17].

Основные понятия кодирования информации

Код – система условных знаков (символов) для передачи, обработки и хранения информации (сообщения). Кодирование – процесс представления информации (сообщения) в виде кода.

---

Все множество символов, используемых для кодирования, называется алфавитом кодирования. Например, в памяти компьютера любая информация кодируется с помощью двоичного алфавита, содержащего всего два символа: 0 и 1.

Научные основы кодирования были описаны К.Шенноном, который исследовал процессы передачи информации по техническим каналам связи (теория связи, теория кодирования). При таком подходе кодирование понимается в более узком смысле: как переход от представления информации в одной символьной системе к представлению в другой символьной системе. Например, преобразование письменного русского текста в код азбуки Морзе для передачи его по телеграфной связи или радиосвязи. Такое кодирование связано с потребностью приспособить код к используемым техническим средствам работы с информацией [19].

Декодирование – процесс обратного преобразования кода к форме исходной символьной системы, т.е. получение исходного сообщения. Например: перевод с азбуки Морзе в письменный текст на русском языке.

В более широком смысле декодирование – это процесс восстановления содержания закодированного сообщения. При таком подходе процесс записи текста с помощью русского алфавита можно рассматривать в качестве кодирования, а его чтение – это декодирование.

Код имеет следующие основные характеристики:

1. Основание кода (q) или число признаков, равное числу отличающихся друг от друга символов (признаков). Наибольшее распространение получили коды с q=2, называемые бинарными, двоичными. Они характеризуются наиболее высокой надежностью передачи признаков по сравнению с кодами, имеющими другие основания.

2. Длина кодовой комбинации (n), называемая также разрядностью кода или длиной слова, она равна числу символов (элементарных сигналов) в кодовой комбинации. Код называется равномерным, если все кодовые комбинации одинаковы по длине, и неравномерным, если величина n в коде непостоянна. В телемеханике обычно используют равномерные коды, в которых легко контролировать длину слова для повышения помехоустойчивости.

3. Число кодовых комбинаций (N) в коде, каждая из которых может передавать свое отдельное сообщение. Этот показатель называют также объемом кода. Максимальный объем кода N=qn .

4. Вес кода (w), под которым понимают число единиц в кодовой комбинации [3].

Общая классификация кодов производится по нескольким критериям.

1. По области применения различают:

1.1. Телемеханические коды.

1.2. Телеграфный код.

---