Файл: Анализ методов кодирования данных (Общие сведения и понятия в информатике).pdf

ВВЕДЕНИЕ

Задачи накопления (хранения), обработки и передачи информации стояли перед человечеством на всех этапах его развития. Каждому этапу соответствовал определенный уровень развития средств информационного труда, прогресс развития которых всякий раз придавал человеческому обществу новое качество.

Информатика – комплексная научно-техническая дисциплина, занимающаяся изучением структуры и общих свойств информации, информационных процессов, разработкой на этой основе информационной техники и технологии, а также решением научных и инженерных проблем создания, внедрения и эффективного использования компьютерной техники и технологии во всех сферах общественной практики.

Роль информатики в развитии общества чрезвычайно велика. Она является научным фундаментом процесса информатизации общества. С ней связаны прогрессивное увеличение возможностей компьютерной техники, развитие информационных сетей, создание новых информационных технологий, которые приводят к значительным изменениям во всех сферах общества: в производстве, науке, образовании, медицине и т. д.

Развитие вычислительной техники в современном мире идет очень быстрыми темпами – растет частота и производительность процессоров, увеличиваются объемы памяти, и ускоряется время доступа к ней.

Вычислительная техника постоянно совершенствуется, поэтому алгоритмы сбора, передачи, хранения и сжатия данных должны также постоянно адаптироваться, используя как можно эффективнее возможности современной аппаратуры, такие как многопотоковость, технологии вычислений с малой теплоотдачей и многие другие. Таким образом, задача разработки и исследования новых методов передачи, хранения и сжатия

данных является актуальной научной и прикладной задачей.

Для любой операции над информацией она должна быть как-то представлена (записана, зафиксирована). Следовательно, прежде всего, необходимо договориться об определенном способе представления информации (данных), т.е. ввести некоторые обозначения и правила их использования (порядок записи, возможности комбинации знаков и др.).

Когда все это аккуратно определено, используя указанные соглашения, информацию можно записывать, причем с уверенностью, что она будет однозначно воспринята. Вследствие важности данного процесса он имеет специальное название — кодирование информации. Отсюда и актуальность темы кодирование данных.

Целью данной курсовой работы является подробное рассмотрение методов кодирования данных различной природы и подробный анализ исследуемой информации. Исходя из поставленной цели, необходимо решить в работе следующие задачи:

• Разобрать понятия данные, кодирование.
• Изучить технику кодирования в вычислительной технике.
• Рассмотреть разные способы кодирования данных различной природы в вычислительной технике.
• И на основе изученного материала сделать соответствующие выводы и анализ.

Глава 1. Общие сведения и понятия в информатике

1.1. Данные в информатике

Любое взаимодействие материальных объектов имеет энергетическую природу. С точки зрения физики, любые изменения, происходящие во внутренней структуре вещества или в энергетических полях, сопровождаются образованием сигналов. Сигналы обладают способностью распространяться во времени и пространстве. Они затухают в результате взаимодействия с веществом. Сигналы окружают нас на каждом шагу. Как и все объекты материальной природы, сигналы не возникают из ничего и не исчезают бесследно. Их распространение в пространстве всегда завершается взаимодействием с веществом физических тел. Такое взаимодействие в информатике рассматривается как регистрация сигналов. Результат регистрации сигналов информатика рассматривает как данные. Если сигнал зарегистрирован четко и легко различим на фоне регистрации побочных сигналов, то он может стать источником для получения информации о событиях, которые имели место, или источником информации о предполагаемых событиях (при прогнозировании).

Таким образом, в информатике данные — это зарегистрированные сигналы. Поскольку все сигналы имеют энергетическую, то есть материальную природу, то и данные — тоже объекты материальной природы.

Данные всегда объективны.

Информацию часто отождествляют с данными. Этот подход нашел очень широкое распространение в технических дисциплинах. Например, нам часто встречаются упоминания о том, что «информация передается по компьютерным сетям», «информация обрабатывается компьютерами», «информация хранится в базах данных». Во всех этих случаях происходит подмена понятий. Дело в том, что по компьютерным сетям передаются только данные, компьютеры обрабатывают только данные, а в базах данных хранятся тоже только данные. Станут ли эти данные информацией и если да, то какой, зависит не только от данных, а и от многочисленных аппаратных, программных и естественных методов.

Для иллюстраций (графических данных) контекстным является метод наблюдения, основанный на зрении. В таких случаях мы говорим о графической или визуальной информации.

Для текстовых данных подразумевается контекстный метод чтения, основанный на зрении и на знании языка и азбуки. В таких случаях говорят о текстовой информации.

Для данных, представленных радиоволнами, контекстными являются аппаратные методы преобразования данных и потребления информации с помощью радиоприемника или телевизора. Поэтому мы так часто используем понятия телевизионная информация, информационная программа, информационный выпуск и т. п. Есть свои особенности и у компьютерной информации.

Для данных, представленных в числовой форме и хранящихся в виде сигналов, зарегистрированных на магнитных (и других) носителях или циркулирующих в компьютерных сетях, контекстными являются аппаратные и программные методы вычислительной техники. Их еще называют средствами информационных технологий.

Одна и та же информация (данные) может быть представлена (закодирована) в нескольких формах. C появлением компьютеров возникла необходимость кодирования всех видов информации, с которыми имеет дело отдельный человек и человечество в целом.

1.2. Теория кодирования

Решать задачу кодирования информации человечество начало задолго до появления компьютеров.

Грандиозные достижения человечества — письменность и арифметика — есть не что иное, как система кодирования речи и числовой информации. Информация никогда не появляется в чистом виде, она всегда как-то представлена, как-то закодирована. Понятие кодирования используется в информатике необычайно широко, причем существуют даже разные уровни кодирования информации. Например, из практики известна проблема с выбором кодировки русских текстов; это своего рода теоретическая проблема, — какие коды выбрать для каждой буквы.

Теория кодирования информации является одной из дисциплин, которые входят в состав информатики. Она занимается вопросами экономичности (архивация, ускорение передачи данных), надежности (обеспечение восстановления переданной информации в случае повреждения) и безопасности (шифрование) кодирования информации.

Закодированная информация всегда имеет под собой какую-либо объективную основу, поскольку информация есть отражение тех или иных свойств окружающего нас мира. В то же время, одну и ту же информацию можно закодировать разными способами: число записать в десятичной или двоичной системе, данные о выпуске продукции по годам представить в виде таблицы или диаграммы, текст лекции записать на магнитофон или сохранить в печатном виде, собрание сочинений классика перевести и издать на всех языках народов мира.

Так что же такое код и для чего он нужен?

Код - набор условных обозначений для представления информации.

Кодирование - процесс представления информации в виде кода (представление символов одного алфавита символами другого; переход от одной формы представления информации к другой, более удобной для хранения, передачи или обработки).

Обратное преобразование называется декодированием.

Для общения друг с другом мы используем код - русский язык.

При разговоре этот код передается звуками, при письме - буквами.

Водитель передает сигнал с помощью гудка или миганием фар.

Таким образом, кодирование сводиться к использованию совокупности символов по строго определенным правилам.

Способ кодирования зависит от цели, ради которой оно осуществляется:

сокращение записи; засекречивание (шифровка) информации; удобство обработки; и т. д.

1.3. Виды кодирования

В зависимости от целей кодирования, различают следующие его виды:

• кодирование по образцу - используется всякий раз при вводе информации в компьютер для её внутреннего представления;
• - криптографическое кодирование, или шифрование, – используется, когда нужно защитить информацию от несанкционированного доступа;
• - эффективное, или оптимальное, кодирование – используется для устранения избыточности информации, т.е. снижения ее объема, например, в архиваторах;
• - помехозащитное, или помехоустойчивое, кодирование – используется для обеспечения заданной достоверности в случае, когда на сигнал накладывается помеха, например, при передаче информации по каналам связи.

Коды можно классифицировать по различным признакам:

1. По основанию (количеству символов в алфавите):

бинарные (двоичные m=2) и не бинарные (m ? 2).

2. По длине кодовых комбинаций (слов):

равномерные - если все кодовые комбинации имеют одинаковую длину;

неравномерные - если длина кодовой комбинации не постоянна.

3. По способу передачи:

последовательные и параллельные;

блочные - данные сначала помещаются в буфер, а потом передаются в канал и бинарные непрерывные.

4. По помехоустойчивости:

простые (примитивные, полные) - для передачи информации используют все возможные кодовые комбинации (без избыточности);

корректирующие (помехозащищенные) - для передачи сообщений используют не все, а только часть (разрешенных) кодовых комбинаций.

5.В зависимости от назначения и применения условно можно выделить следующие типы кодов:

Внутренние коды - это коды, используемые внутри устройств. Это машинные коды, а также коды, базирующиеся на использовании позиционных систем счисления (двоичный, десятичный, двоично-десятичный, восьмеричный, шестнадцатеричный и др.).

Коды для обмена данными и их передачи по каналам связи. Широкое распространение в ПК получил код ASCII (American Standard Code for Information Interchange). ASCII - это 7-битный код буквенно-цифровых и других символов.

Поскольку ЭВМ работают с байтами, то 8-й разряд используется для синхронизации или проверки на четность, или расширения кода.

В ЭВМ фирмы IBM используется расширенный двоично-десятичный код для обмена информацией EBCDIC (Extended Binary Coded Decimal Interchange Code).

В каналах связи широко используется телетайпный код МККТТ (международный консультативный комитет по телефонии и телеграфии) и его модификации (МТК и др.).

При кодировании информации для передачи по каналам связи, в том числе внутри аппаратным трактам, используются коды, обеспечивающие максимальную скорость передачи информации, за счет ее сжатия и устранения избыточности (например: коды Хаффмана и Шеннона-Фано). И коды обеспечивающие достоверность передачи данных, за счет введения избыточности в передаваемые сообщения (например: групповые коды, Хэмминга, циклические и их разновидности).

Коды для специальных применений - это коды, предназначенные для решения специальных задач передачи и обработки данных. Примерами таких кодов является циклический код Грея, который широко используется в АЦП угловых и линейных перемещений. Коды Фибоначчи используются для построения быстродействующих и помехоустойчивых АЦП.

ЦЕЛИ КОДИРОВАНИЯ:

1) Повышение эффективности передачи данных, за счет достижения максимальной скорости передачи данных.

2) Повышение помехоустойчивости при передаче данных.

В соответствии с этими целями теория кодирования развивается в двух основных направлениях:

1. Теория экономичного (эффективного, оптимального) кодирования занимается поиском кодов, позволяющих в каналах без помех повысить эффективность передачи информации за счет устранения избыточности источника и наилучшего согласования скорости передачи данных с пропускной способностью канала связи.

2. Теория помехоустойчивого кодирования занимается поиском кодов, повышающих достоверность передачи информации в каналах с помехами.

В зависимости от применяемых методов кодирования, используют различные математические модели кодов, при этом наиболее часто применяется представление кодов в виде: кодовых матриц; кодовых деревьев; многочленов; геометрических фигур и т.д.