Формы представления информации

Термин «информация» на бытовом уровне и во многих научных дисциплинах ассоциируется с понятиями: «сведения», «знания», «данные», «известие», «сообщение», «управление» и др. Если допустить, что информация — категория нематериальная, то для ее существования и распространения в материальном мире она должна быть обязательно связана с какой-либо материальной основой (носителем) — без нее информация не может проявиться, передаваться и сохраняться.

Материальным носителем называют материальный объект или среду, которые служат для представления или передачи информации. Материальным носителем информации может быть бумага, пергамент, шелк, камень, лазерный диск, а также воздух, вода, электромагнитное поле, луч света и пр.

Хранение информации связано с характеристикой носителя, которая не меняется с течением времени, а передача информации — наоборот, с характеристикой, которая изменяется с течением времени. Другими словами, хранение информации связано с фиксацией состояния носителя, а передача — с процессом, который протекает в носителе. Состояния и процессы могут иметь физическую, химическую, биологическую или иную основу — главное, что они материальны.

Сигнал

Сигнал (от лат. «signum» — знак) — физический процесс или явление, несущий сообщение о каком-либо событии, состоянии объекта либо передающий команды управления. Таким образом, изменение характеристики носителя, которое используется для представления информации, называется сигналом, а значение этой характеристики, отнесенное к некоторой шкале измерений, — параметром сигнала. Например, процессы для передачи информации — волны (звуковые, радио-, световые, электрический ток), параметры сигнала — частота, амплитуда и фаза волны (высота, громкость и фаза звука). Различают аналоговые, дискретные, квантованные и цифровые сигналы, которые в свою очередь могут быть синхронными и асинхронными.

Аналоговый сигнал

Это сигнал, величина которого непрерывно изменяется во времени. Он обеспечивает передачу данных путем непрерывного изменения во времени амплитуды, частоты либо фазы. Аналоговые сигналы описываются непрерывными функциями времени, поэтому аналоговый сигнал иногда называют непрерывным (рис. 1.3).

К особенным свойствам непрерывного сигнала относят отсутствие избыточности. Из непрерывности пространства значений следует, что любая помеха, внесенная в сигнал, неотличима от самого сигнала и, следовательно, исходная амплитуда не может быть восстановлена, хотя в принципе возможна фильтрация помехи, если известна дополнительная информация о самом сигнале. Аналоговые сигналы используются для представления каких-либо непрерывно изменяющихся физических величин. Например, аналоговый электрический сигнал, снимаемый с термопары, несет информацию об изменении температуры; сигнал с микрофона — о быстрых изменениях.

Рис. 1.3. Непрерывный гармонический сигнал давления в звуковой волне. Аналоговые сигналы описываются некоторой математической функцией времени. Например, для гармонического сигнала справедливо следующее соотношение:

Дискретный сигнал. Процесс перевода аналогового сигнала в дискретный (рис. 1.4) называется дискретизацией, а процесс обратный этому — восстановлением. Непрерывный аналоговый сигнал заменяется здесь последовательностью коротких импульсов-отсчетов, величина которых равна значению сигнала в данный момент времени. Дискретизация аналогового сигнала состоит в том, что сигнал представляется в виде последовательности значений, взятых в дискретные моменты времени. Эти значения называются отсчетами, а  — интервалом дискретизации.

Возможность точного воспроизведения такого представления зависит от интервала времени между отсчетами . Согласно теореме Котельникова.

где - наибольшая частота спектра сигнала.

Квантованный сигнал

При квантовании вся область значений сигнала разбивается на уровни, количество которых должно быть представлено в числах заданной разрядности (рис. 1.5). Расстояния между этими уровнями называется шагом квантования ?. Число этих уровней равно N (от 0 до N-1). Каждому уровню.

Рис. 1.4. Дискретный сигнал.

Рис. 1.5. Квантованный сигнал присваивается некоторое число. Отсчеты сигнала сравниваются с уровнями квантования, и в качестве сигнала выбирается число, соответствующее некоторому уровню квантования. Каждый уровень квантования кодируется двоичным числом с п разрядами. Число уровней квантования N и число разрядов п двоичных чисел, кодирующих эти уровни, связаны соотношением п? log2(1V).

Цифровой сигнал

Для того чтобы представить аналоговый сигнал последовательностью чисел конечной разрядности, его следует сначала превратить в дискретный сигнал, а затем подвергнуть квантованию. В результате сигнал будет представлен таким образом, что на каждом заданном промежутке времени известно приближенное (квантованное) значение сигнала, которое можно записать целым числом. Если записать эти целые числа в двоичной системе, получится последовательность нулей и единиц, которая и будет являться цифровым сигналом (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Цифровой сигнал Выделяют синхронные и асинхронные цифровые сигналы. Синхронным является сигнал, значения которого могут изменяться только в моменты, определяемые тактами. Например, ежедневный выстрел из пушки в полдень. Асинхронным выступает сигнал, изменение значения которого может происходить в любое время.