Задание 1.1. Кратко опишите, почему повышение роли информации и информационных технологий – важный фактор развития общества на современном этапе.

Модуль 2. ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ДОСТИЖЕНИЙ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ В ИНФОРМАЦИООННЫХ, КОММУНИКАЦИОННЫХ И МУЛЬТИМЕДИЙНЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ

Тема 6. Естественнонаучные представления, лежащие в основе перемещения информационных потоков и организации современных технологий управления

Лабораторная работа № 7

Использование компьютерного моделирования для исследования способов перемещения информационных потоков и организации современных технологий управления

Эксперимент 1. Изучение основных понятий, связанных с определением информации.

Задание 1.1. Кратко опишите, почему повышение роли информации и информационных технологий – важный фактор развития общества на современном этапе.

Современное общество называют информационным, так как роль и количество информации, циркулирующей в нем, стремительно возрастает. При переходе к информационному обществу возникает новая индустрия переработки информации на базе компьютерных и телекоммуникационных информационных технологий, поэтому таком обществе информация легко и быстро достигает пользователя, выдается в привычной для него форме. В информационном обществе информация становится важным производственным фактором: благодаря новым информационным технологиям и автоматизации, используя минимальное количество сырья, энергии и трудовых затрат, можно изготовить оптимальным образом различные товары с совершенно новыми потребительскими свойствами. В настоящее время широкую популярность приобретают «облачные» сервисы хранения, передачи и обработки данных. Важнейшими составляющими информационной индустрии становятся все виды информационных технологий, которые используют различные совокупности средств сбора данных для получения информации о состоянии объекта, процесса или явления, методы обработки и передачи данных. Материальным носителем информации в пространстве и во времени является сигнал.

Задание 1.2. Кратко опишите, как Вы понимаете, что такое информация в современном мире и как ее можно оценить.

Обмен информацией, несмотря на свою нематериальную природу, является неотъемлемой частью нашей жизни. Информация для людей очень важна, и, вместе с тем, определить понятие «информации» очень сложно. Мы говорим, к примеру: «Эта информация для меня очень важна». Но это весьма субъективное утверждение, характеризующее конкретную ситуацию. Если бы мы прочитали сообщение «собака укусила человека», то это привычное событие, скорее всего, не привлекло бы нашего внимания. В то же время, сообщение «человек укусил собаку», вызвало бы несомненный интерес и в Internet это было бы напечатано особым шрифтом. Это свидетельствует о том, что частые, ожидаемые события несут мало информации и, наоборот, редкие, то есть неожиданные события обладают высоким информационным содержанием. Важное значение в компьютерной технике имеют наборы, состоящие всего из двух знаков: пара цифр (0, 1); пара ответов (да, нет). Наборы знаков, состоящие из 2 символов, называют двоичными - двоичный алфавит (0, 1), двоичный знак получил название БИТ. Этот код, как вам известно, используется для представления информации в виде, удобном для хранения и передачи.

Эксперимент 2. Изучение основных понятий, связанных с перемещением информации.

Задание 2.1. Кратко опишите, как в настоящее время может осуществляться обмен информацией между людьми, и какие системы информационных связей для этой цели используют.

Современные коммуникационные системы, помимо предоставления традиционных услуг телефонной и телеграфной связи, позволяют своим абонентам отправлять и принимать сообщения, передавать какие-то необходимые данные, обмениваться текстовыми сообщениями, видеоизображениями, проводить аудио- и видео конференции и реализовывать большое число других коммуникационных потребностей. Услуги, предоставляемые операторами по транспортировке различной информации, пользуются постоянным спросом и расширяются. В последнее время получили распространение системы беспроводной передачи информации Wi-Fi, WiMAX, а также средства, предназначенные для связи на весьма малые расстояния от нескольких сантиметров или десятков сантиметров (радиосоединение между «базой» и радиотелефоном, между телефонной гарнитурой и сотовым телефонным аппаратом, между медицинским зондом, введенным пациенту и внешним контролирующим прибором). Несколько большие расстояния «перекрывают» радиомикрофоны дикторов, телевизионных ведущих и эстрадных исполнителей.

Рис.1. 1. Структура первичной сети.

Задание 2.2. Кратко опишите, как при обмене информацией осуществляется кодирование информации источника.

Обмен информацией - это процесс, в ходе которого источник информации ее передает, а получатель - принимает. Источником информации может быть, в общем случае, либо человек, либо какое-нибудь устройство, функционирующее автономно (камера наблюдения, измерительной датчик) или при участии человека.

Рис.1.2. Процесс дискретизации при оцифровке сигнала.

Изображения также подвергаются кодированию. Примерами кодеров изображений являются сканеры, цифровые фотоаппараты, видеокамеры, которые преобразуют исходные отраженные изображения в цифровую форму.

Задание 2.3. Изучите, какой вид будут иметь сигналы при выполнении оцифровки (в набор 16 четырехбитовых двоичных чисел) аналогового косинусоидального сигнала с помощью аналого-цифрового преобразователя, если весь диапазон аналогового сигнала разделен на 16 уровней (на 16 квантов). Определите скорость потока отсчетов [или битрейт (англ. bit rate)], то есть количество обрабатываемых бит информации за секунду времени.

Частота дискретизации сигнала, Гц fs = 16 Число уровней квантования Us = 16 Отсчеты берутся каждую долю секунды Ts = 0.0625 Значения отсчетов, полученные в результате квантовании u1 = Columns 1 through 6 11.9497 6.6336 1.5600 0.0862 3.1875 8.8117 Columns 7 through 12 13.2370 13.5351 9.5086 3.8221 0.2385 1.1293 Columns 13 through 16 5.9050 11.4052 13.9904 11.9497 Значения отсчетов в двоичном виде u2 = 01100 00111 00001 00000 00011 01001 01110 01110 01010 00100 00000 00001 00110 01100 01110 01100 Скорость потока-битрейт, бит/с Bitrate = 64

Задание 2.4. Изучите, как осуществлена оцифровка одного из звуковых сигналов, представленного в Windows несжатым WAV –файлом (формата PCM). Определите скорость потока отсчетов, то есть количество обрабатываемых бит информации за секунду времени или битрейт. Рассчитайте размер памяти, требуемый для хранения такого файла раз.

y = 0 0 Fs = 44100 bits = 16 Число уровней квантования Nk = 65536 Отсчеты беруться каждую долю секуны Ts = 2.2676e-005 Продолжительность звучания, сек Tzv = 1.6167 Скорость потока-битрейт, бит/с Bitrate = 705600 Звуковой файл потребует для хранения, килобайт Vpam = 1114

Задание 2.5. Изучение основных понятий, связанных со сжатием информации источника.

Одно из неоспоримых преимуществ цифровых технологий как раз и состоит в том, что имеется возможность применения к оцифрованному сигналу мощного математического аппарата сжатия текстовой, аудио и видео информации. Сжатие данных или компрессия (англ. data compression) — алгоритмическое преобразование данных, производимое с целью уменьшения их объёма.

Все методы сжатия данных делятся на два основных класса:

1. Сжатие без потерь (Lossless Compression)

2.Сжатие с потерями (Lossy Compression)

Сжатие может быть обратимым (без потерь) или сжатием без наличия помех, где первоначальный текст может быть в точности восстановлен из сжатого состояния.

Технология сжатия с потерями, позволяющая получить высокую компрессию за счет полного удаления части информации при сохранении при этом как можно больше полезной информации, обладает значительно большей эффективностью, чем сжатие без потерь.

Задание 2.6. Кратко опишите, какие технологии сжатия текстовых файлов используются в настоящее время.

Для сжатия текстовых файлов, представленных одним байтом в коде ASCII, используется алгоритм кодирования Хаффмана. В основе этого алгоритма лежит простой принцип: символы заменяются кодовыми последовательностями различной длины. Чем чаще встречается символ, тем короче соответствующая последовательность. Например, для английского текста часто встречающимся символам можно поставить в соответствие 3-битовые последовательности, а символам,, eta,, jzq- восьмибитовые. В одних вариантах алгоритма Хаффмана используются готовые кодовые таблицы, в других – кодовая таблица строится на основе статистического анализа содержимого файла. Применение кода Хаффмана гарантирует возможность правильного декодирования.

Алгоритмы сжатия деловых документов непригодны для сжатия полутоновых и цветных изображений. Такие изображения содержат большое количество информации, ее характер непрерывно меняется вдоль строки растрового изображения, а также имеется определенная специфика человеческого цветовосприятия. Вы знаете, что каждый элемент изображения описывается 32 битами: 8 бит на интенсивность красного цвета, 8 бит – зеленого, 8 бит – синего. Кроме того, алгоритм сжатия цветных образов должен учитывать особенности оценки цветов человеческим глазом. При рассмотрении цветного изображения человек неосознанно выделяет цветные пятна и переходы между ними. При этом многие мелкие детали, изменения оттенков и абсолютная яркость глазом не воспринимаются.

Задание 2.7. Кратко опишите, какие технологии сжатия цифрового видео используются в настоящее время.

1.Групповое кодирование - Run Length Encoding (RLE) - один из самых старых и самых простых алгоритмов сжатия графики. Изображение в нем (как и в нескольких алгоритмах, описанных далее) вытягивается в цепочку байт по строкам растра. Само сжатие в RLE происходит за счет того, что в исходном изображении встречаются цепочки одинаковых байт.

2. Алгоритм LZW. Название алгоритм получил по первым буквам фамилий его разработчиков - Lempel, Ziv и Welch. Сжатие в нем, в отличие от RLE, осуществляется уже за счет одинаковых цепочек байт. Существует довольно большое семейство LZ-подобных алгоритмов, различающихся, например, методом поиска повторяющихся цепочек. Коэффициенты сжатия: 1/1000, 1/4, 7/5. Коэффициент 1/1000 достигается только на одноцветных изображениях размером больше 4 Мб. Ориентирован LZW на 8-битные изображения, построенные на компьютере. Ситуация, когда алгоритм увеличивает изображение, встречается крайне редко. LZW универсален - именно его варианты используются в обычных архиваторах. Он реализован в форматах GIF, TIFF.

3. Алгоритм Хаффмана. Один из классических алгоритмов. Использует только частоту появления одинаковых байт в изображении. Сопоставляет символам входного потока, которые встречаются большее число раз, цепочку бит меньшей длины. И напротив - встречающимся редко - цепочку большей длины. Для сбора статистики требует двух проходов по изображению. Коэффициенты сжатия: 1/8, 2/3, 1. Требует записи в файл таблицы соответствия кодируемых символов и кодирующих цепочек. На практике используются его разновидности. Так, в некоторых случаях резонно либо использовать постоянную таблицу, либо строить ее «адаптивно», т.е. в процессе архивации/разархивации.

4. Алгоритм Lossless JPEG. Этот алгоритм, разработан объединенной группой экспертов в области фотографии (Joint Photographic Expert Group). Lossless JPEG ориентирован на полноцветные 24-битные безпалитровые изображения. Он представляет собой специальную реализацию JPEG без потерь. Коэффициенты сжатия: 1/20, 1/2, 1. Lossless JPEG рекомендуется применять в тех приложениях, где необходимо побитовое соответствие исходного и восстановленного изображений.

5. Фрактальное сжатие. Эта группа алгоритмов, по-видимому, является самой перспективной и развивается сейчас наиболее бурно. Первые практические результаты были получены в 1992 году - и произвели ошеломляющее впечатление. Коэффициент сжатия у фрактальных алгоритмов варьируется в пределах 2-2000. Причем большие коэффициенты достигаются на реальных изображениях, что, вообще говоря, нетипично для предшествующих алгоритмов.

Задание 2.8. Изучите, как меняется вид изображения при осуществлении компрессии (сжатии файла) изображения отпечатка пальца, полученного в результате сканирования и, соответственно, представленного графическим файлом большой размерности (требуется объем памяти примерно 800 кбайт) Рассчитайте, размер памяти, требуемый для хранения сжатого файла.

Размер исходного изображения отпечатка пальца, килобайт Vpam1 = 800 Коэффициент сжатия S = 20 Размер сжатого изображения отпечатка пальца, килобайт Vpam2 = 40

Задание 2.9. Изучите, как меняется вид изображения при осуществлении компрессии (сжатии файла) изображения в зависимости от коэффициента сжатия (величина этого коэффициента влияет на требования по памяти для хранения, а также на объем передаваемых данных и время передачи). Меняя коэффициент сжатия, найдите наилучшую величину его, когда возникающие на изображении искажения еще не превосходят некоторого разумного уровня.

Задание 2.10. Кратко опишите, какие технологии сжатия цифрового видео используются в настоящее время.

Основные методы сжатия видео сводятся к компрессии данных внутри отдельного кадра и оптимизации в передаче изменений между кадрами. Даже при рассмотрении статичного изображения видно, что в нем много однотипной и дублирующейся информации. Например, интенсивность фона чаще всего имеет постоянное значение; многие отдельные участки изображения, занимающие значительные размеры кадра, тоже имеют одинаковый уровень цифрового сигнала. Естественно, передавать всю эту информацию без компрессии не имеет смысла. С применением специализированных методов сжатия видео, плавно меняющегося по кадрам, возможно еще больше снизить результирующую плотность передачи информации по сети. Существует множество технологий сжатия цифрового видео.

Для сжатия видео в настоящее время применяют формат MPEG-1, с основой, взятой от кодека JPG. Сжатие в нем производится сериями по три кадра. Качество изображения невысокое: оно сравнимо с привычным аналоговым форматом. Картинка имеет разрешение 352х288 точек, да и качество ее оставляет желать лучшего. MPEG-2 представляет собой дальнейшее расширение MPEG-1. В нем увеличен рекомендуемый размер кадра - теперь он составляет 1920 x 1080 точек, добавлена поддержка шестиканального звука. Следует отметить, что велась работа над созданием стандарта MPEG-3 (не нужно путать с популярным форматом сжатия звука - MPEG-1 Audio Layer 3). Формат MPEG-4 сочетает отличный звук и максимальное уплотнение видеосигнала (до 30-40% лучше чем у предшественника). Разница заключается в том, что кодируется последовательность более чем из трех кадров (обычно до 250 кадров).

Задание 2.11. Кратко опишите, какие технологии сжатия звуковых файлов используются в настоящее время.

Для сжатия звуковых файлов, применяются также различные методы. Их основная цель - сжать или упростить аудиоданные так, чтобы они занимали меньший объем памяти, нежели будучи записанными «как есть». Для «сжатия звука» тоже имеются два пути.

Наиболее распространенный формат – MPEG-1 Layer III (всем известный MP3).

Отдельная категория звуковых программ, предназначенных именно для создания музыки это трекеры. Практически все полупрофессиональные и профессиональные цифровые фотоаппараты позволяют сохранять RAW изображения. Формат файла зависит от модели фотоаппарата, единого стандарта не существует.

Задание 2.12. Кратко опишите, что используют для уменьшения и устранения ошибок, возникающих в каналах связи.

Полученное сообщение в цифровой форме поступает на вход кодера канала. На данном этапе выполняется совокупность действий, предназначенных для повышения помехоустойчивости передачи информации по каналу связи и объединения сообщений в групповые потоки для передачи по конкретным каналам связи.

Все дело в том, что в процессе передачи информации она может теряться, искажаться. Например, может возникать искажение звука в телефоне, на нее могут воздействовать атмосферные помехи, в телевидении возможно затемнение изображения. Эти помехи (шумы) искажают информацию. Если при передаче информации возникают помехи, то информация от источника к приемнику поступает в искаженном виде. При этом ошибки, возникающие при передаче информации, бывают 3-х видов: часть правильной информации заменяется на неправильную; к передаваемой информации добавляются лишние, посторонние сообщения; часть информации при передаче пропадает.

Широкое распространение в кодере канала получило использование методов помехоустойчивого кодирования, предназначенных для уменьшения и устранения ошибок, возникающих в каналах связи.

При блочном помехоустойчивом кодировании двоичные символы кодируемого сообщения разбиваются на блоки («слова») фиксированной длины, после чего каждый из блоков преобразуется в блок большей длины путем добавления проверочных символов. Математически эта процедура преобразования для блоковых кодов сводится к операции умножения на специальную матрицу, зависящую от конкретного вида кода. В настоящее время известны и используются коды Голея, Хэмиминга, Адамара, Рида- Соломона и др., а также их многочисленные модификации. Для ряда устройств передачи информации в сочетании с помехоустойчивым кодированием применяется процедура скремблирования, служащая для выравнивания характеристик цифрового потока.

Для мультиплексирования может использоваться метод, когда каждому из абонентов выделяется фиксированное число бит на каждом временном отрезке передачи информации. В этом случае информация, поступающая от различных абонентов, накапливается и передается в канале связи по мере поступления. При этом достигается существенная экономия ресурсов канала связи за счет того, что в паузах, возникающих при передаче сообщений одних абонентов, передаются сообщения других.

Полученные в результате цифровые потоки для передачи непосредственно в канал связи преобразуются в модулированный сигнал в модуляторе. Особенности распространения электромагнитных волн в различных каналах обусловили появление большого количества способов модуляции, применяемых при передаче информации по каналу.

Чтобы облегчить понимание того, зачем применяют различные виды модуляции и как она осуществляется в модуляторе уместно сначала рассмотреть, несколько забегая вперед, что такое канал передачи информации [Data Communication Channel (DCC) или просто Channel].

Эксперимент 3. Изучение основных понятий, связанных с физической средой по которым перемещают информацию, и структурой канала.

Задание 3.1. Кратко опишите, какие виды кабелей, как среды передачи данных для локальных сетей, используются в настоящее время.

Наиболее популярным видом среды передачи данных для локальных сетей на небольшие расстояния становится витая пара. По сравнению с волоконно-оптическими и коаксиальными кабелями, использование витой пары обладает рядом существенных преимуществ. Такой кабель более тонкий, более гибкий и его проще устанавливать. Он также недорог. И вследствие этого, витая пара является идеальным средством передачи данных для офисов или рабочих групп, где нет электромагнитных помех. Для подключения витой пары к компьютеру используются разъемы (восьмиконтактные коннекторы) RJ-45.

Витая пара (TP - twisted pair) - кабель, в котором изолированная пара проводников скручена с небольшим числом витков на единицу длины. Часто кабель на витой паре (точнее, на нескольких, как правило, 4 витых парах) называют просто «витая пара». Скручивание (перевивание вокруг друг друга) осуществляется для уменьшения внешних наводок (наводок от внешних источников) и перекрестных наводок (наводок от одного проводника другому проводнику из одной и той же пары). Кабель TP содержит несколько скрученных с различными шагами витых пар проводов и может иметь несколько дополнительных защитных, экранирующих и технологических элементов, которые образуют сердечник. Каждый провод снабжается изоляцией из сплошного или вспененного диэлектрика. Использование последнего несколько снижает удельную массу кабеля и значительно улучшает его частотные свойства, однако приводит к удорожанию готового изделия. Существует два типа витой пары: экранированная (STP - shielded twisted pair) и неэкранированная (UTP - unshielded twisted pair) При этом кабель UTP не содержит никаких экранов, а кабель STP может иметь экран вокруг каждой витой пары и, в дополнение к этому, еще один экран, охватывающий все витые пары (кабель S-STP).

Задание 3.2. Кратко опишите, какие разновидности коаксиальных кабелей используются в настоящее время в качестве среды передачи данных.

Рис. 1.3. Коаксиального кабель

Двужильный или твинаксиальный (twinaxial) кабель - коаксиальный кабель с двумя проводящими жилами, каждая из которых помещена в свой собственный слой диэлектрика.

Триаксиальный (triaxial) кабель отличается от коаксиального тем, что содержит дополнительный медный экранирующий слой, который располагается между обычным экранирующим слоем и внешним покрытием.

Квадраксильный (quadrax) кабель - кабель, содержащий две жилы подобно твиаксиальному и окруженный подобно триаксиальному дополнительным экранирующим проводящим слоем.

Кабели с четырехслойной защитой (quadshield) - кабели такого типа содержат четыре чередующихся защитных слоя из фольги и металлической.

Существует несколько размеров коаксиального кабеля. Различают толстый (диаметром 0.5 дюйма) и тонкий (диаметром 0.25 дюйма) коаксиальные кабели. Толстый коаксиальный кабель более крепкий, стойкий к повреждению и может передавать данные на более длинные расстояния, но недостатком такого кабеля является сложность его подсоединения.

Задание 3.3. Кратко опишите, какие преимущества дает использование волоконно-оптических кабелей (fiber-optic cable) в качестве среды передачи данных.

Волоконно-оптический кабель (fiber-optic cable) предназначен для организации физической сред передачи оптических сигналов. По своей структуре волоконно-оптический кабель подобен коаксиальному кабелю. Однако вместо центральной жилы в его центре располагается стержень, или сердцевина, которая окружена не диэлектриком, а оптической оболочкой, которая, в свою очередь, окружена буферным слоем (слоем лака), элементов усиления и внешнего покрытия. Оптическое излучение, с физической точки зрения, распространяется в сердцевине оптического волокна за счет полного внутреннего отражения, практически не проникая в оболочку.

Задание 3.4. Кратко опишите, какие электромагнитные волны радиодиапазона, как среды передачи данных, используются в настоящее время.

Пять поддиапазонов волн с частотами от 30 МГц до 300 ГГц - метровые, дециметровые, сантиметровые, миллиметровые, субмиллиметровые - принято также называть ультракороткими волнами (УКВ). Кроме того, в последние три поддиапазона часто называют СВЧ-излучением. используется, сети передачи данных бывают узкополосными и широкополосными. Широкополосные сети могут использовать либо метод множественного доступа с кодовым уплотнением каналов и

модуляцией несущей прямой последовательностью (DS-CDMA, DFM), либо метод множественного доступа с кодовым уплотнением каналов за счет скачкообразного изменения частоты (FH-CDMA, FHM). Отдельные соты объединяются в единую систему благодаря общему управляющему устройству (контроллеру сети), соединенному с каждой базовой станцией. Конкретные сети БД редко бывают автономными, то есть не взаимодействующими с другими (внешними) сетями.

Задание 3.5. Кратко опишите, какие топологий кабельных сетей используются в настоящее время в качестве среды передачи данных.

Топология сети, то есть физическая схема, отображающая расположение узлов (точек подключения кабелей) и соединение их кабелем, может быть следующих типов: «общая шина», «звезда», «кольцо». При звездообразной топологии все компьютеры с помощью сегментов кабеля подключаются к модульному компоненту- концентратору (Hub). Концентратор (HUB) представляет собой устройство, предназначенное для соединения компьютеров при использовании топологии «звезда». Концентратор является узловой точкой сети, к которой подключаются компьютеры и периферийные устройства с сетевым интерфейсом. Коммутатор (switch), за счет того что каждый его порт снабжен собственным процессором, каждый из которых работает параллельно, позволяет направить поступивший в низ сигнал только в тот порт, к которому подключен требуемый компьютер.

Эксперимент 4. Изучение основных понятий, связанных с использованием универсальных последовательных интерфейсов Wi-Fi и Bluetooth.

Wi-Fi - это аббревиатура от Wireless Fidelity (дословно «беспроводная точность, преданность»). Такое название, напоминающее Hi-Fi, получил стандарт беспроводной передачи данных по радиоканалам IEEE 802.11b. Для передачи данных Wi-Fi использует частоту 2, 4 ГГц. Скорость передачи данных 54 Мбит/с, однако ведутся работы, чтобы обеспечить скорость передачи данных до 320 Мбит/с. Bluetooth («Голубой зуб»), который стал одним из первых стандартов в области беспроводных сетей с малым радиусом действия (персональных сетей передачи данных).

Bluetooth был разработан консорциумом фирм-производителей мобильных электронных устройств. Стандарт получил достаточно широкое распространение, он поддержан IEEE под названием IEEE.802.15.1.