6323

Теорія інформації та кодування як основа інформаційних технологій

Контрольная

Информатика, кибернетика и программирование

Предмет дисципліни, її цілі та задачі. Порядок вивчення дисципліни, звітність. Навчально-методичні матеріали з дисципліни Сьогодні ми розпочинаємо вивчення навчальної дисципліни Теорія інформації та кодування. Дисципліна вивчаєть...

Украинкский

2013-01-03

87 KB

38 чел.

  1.  Предмет дисципліни, її цілі та задачі. Порядок вивчення дисципліни, звітність. Навчально-методичні матеріали з дисципліни

Сьогодні ми розпочинаємо вивчення навчальної дисципліни “Теорія інформації та кодування”.

Дисципліна вивчається в цьому та наступному семестрах. На неї відведено 140 годин в сітці розкладу та 130 годин самостійної роботи (усього – 270 год.). Вивчення  дисципліни здійснюється за модульно − рейтинговою системою. Дисципліна має 5 модулів (3 модулі в п’ятому, із яких  один – курсова робота, та 2 модулі в шостому). Отже під час п’ятого семестру виконується курсова робота, а в шостому семестрі – домашнє завдання.

Вивчення кожного модуля завершується модульним контролем 2 год. на 8 та 16 тижнях, диференційованим заліком у п’ятому та іспитом у шостому семестрах.

Загальна кількість балів за модулі в кожному із семестрів − 88. У першому семестрі 17 лекційних (34 год.), 9 лабораторних (34 год.) заняття, і є змога набрати 88 балів (19 – за успішну працю на лекційних заняттях, 45 – за лабораторні заняття, 12 – за курсову роботу та 12 – за модульні контролі). Мінімальна кількість балів на оцінку “задовільно” – за лабораторні заняття – 3•9 = 27, за курсову роботу – 6 та за модульні контролі – 8 балів, що складає у сумі 41 бал. Отже при пропуску більше ніж 5 лекції в семестрі вийти на оцінку “задовільно” складно).

Наразі розпочинаємо вивчення модуля 1 “Математичні моделі  сигналів та завад. Виявлення сигналів”. Модуль включає 3 теми, 8 лекційних (16 год.), 6 лабораторних (24 год.) занять, і надає змогу набрати 41 бал (8 – за успішну працю на лекційних заняттях, 5•5 +2 = 27 – за лабораторні заняття та 6 – за модульний контроль). Мінімальна кількість балів на оцінку “задовільно” – 24. При відсутності заохочувальних балів мінімально можна набрати: за лабораторні заняття – 3•5 = 15, за модульний контроль – 4 бали,  що складає у сумі 19 балів. Отже при пропуску більше ніж 3 лекції вийти на оцінку “задовільно” складно.

Тема 1.1, до вивчення якої ми приступаємо “Математичний опис сигналів та завад в каналах зв’язку. Математичні моделі сигналів”, включає 2 лекційних (4 год.) та 1 лабораторне заняття (4 год.).

Навчально-методичні матеріали з дисципліни

1

1. Василенко В.С. Теорія інформації і кодування в захищених інформаційно − телекомунікаційних системах та мережах: –К., НАУ: Електронна версія курсу лекцій з дисципліні „Теорія інформації та кодування”

2

2. Василенко В.С. Завдання та методичні рекомендації до курсової роботи з дисципліни “Теорія інформації та кодування та кодування” для студентів інституту інформаційно – діагностичних систем
напряму підготовки 6.170101 “Безпека інформаційних й комунікаційних систем”: –К., НАУ: Електронна версія.

3

2. Василенко В.С. Завдання на лабораторні заняття з дисципліни “Теорія інформації та кодування” для студентів із напряму підготовки 6.170101 “Безпека інформаційних й комунікаційних систем”: –К., НАУ: Електронна версія.


  1.  Завдання на курсову роботу

З дисципліни „Теорія інформації та кодування” Вам належить виконати курсову роботу на тему “Вибір й оцінка ефективності процедур кодування даних” в інформаційно − телекомунікаційної мережі”.

Для вибору найбільш ефективних методів модуляції та кодування даних здійснити оцінку потенційної пропускної спроможності каналу зв’язку для  інформаційно − телекомунікаційної мережі. Вважати, що для передачі інформації можливе застосування кабельних (дротових) ліній зв’язку та радіоканалів. При цьому слід вважати також, що вимогою до вірності (цілісності) передачі даних є , де – імовірність спотворення символу, – номер Вашої групи, а N – номер Вашого прізвища за журнальним списком.

Для кодування сформувати повідомлення типу: “Я, … (прізвище, ім’я та по-батькові), студент (студентка) за номером за журнальним списком … (номер за журнальним списком прописом) навчальної групи … (номер навчальної групи прописом) ІІДС народився (народилася) … (указати двозначні дату, місяць та рік прописом)”.

В курсовій роботи Вам належить здійснити перетворення повідомлення спочатку в цифрову форму із застосуванням для представлення символів Вашого повідомлення восьмибітових символів кодів ASCII та Windows 1251, а потім із застосуванням вивчених в дисципліні методів та алгоритмів здійснити:

  1.  Формування оптимального рівномірного коду Шеннона – Фано;
  2.  Стиснення даних за алгоритмом Хафмена;
  3.  Модуляцію сигналів;
  4.  Визначення практичної пропускної спроможності та її теоретичної межі для заданих умов.

Обов’язковий зміст курсової роботи:

Вступ;

  1.  Аналіз ефективності кодування при формуванні цифрових текстів повідомлення:

1.1. Первинне перетворення повідомлення в цифрову форму;

1.2. Кодування із застосуванням оптимального рівномірного коду Шеннона – Фано;

1.3. Кодування із застосуванням коду Хафмена;

Оцінка ефективності використаних методів кодування;

  1.  Оцінка потенційної пропускної спроможності каналу зв’язку:

2.1. При застосуванні амплітудної дискретизації;

2.2. При застосуванні безпосереднього розширення смуги пропускання каналу;

2.3. При застосуванні частотної дискретизації.

  1.  Висновки.

Пояснити, що при розробленні курсової роботи курсової роботи слід дотримуватися  методичних рекомендацій з виконання курсової роботи, а за її захист нараховується до 12 балів.


  1.  Інформація і дані. Визначення інформації. Поняття інформаційної безпеки

Інформація разом з матерією і енергією є первинним поняттям нашого світу і тому в строгому значенні не може бути визначена. Можна лише перерахувати її основні властивості, наприклад такі як:

1) інформація приносить відомості про навколишній світ, яких в даній точці не було до її отримання;

2) інформація не матеріальна, але вона виявляється у формі матеріальних носіїв  первинних сигналів, дискретних знаків або повідомлень;

3) знаки і первинні сигнали несуть інформацію тільки для одержувача, який здатен їх розпізнати.

Термін інформація походить від латинського іnformatіo, що означає роз’яснення, інформування, виклад. У широкому значенні інформація це загальнонаукове поняття, що включає обмін відомостями між людьми, обмін сигналами між живою і неживою природою, людьми і пристроями. В цьому сенсі інформація є віддзеркаленням реального миру за допомогою відомостей (даних, повідомлень). Дані це форма представлення інформації у вигляді мови, тексту, зображення, цифрових даних, графіків, таблиць і т.п.

Інформацією називають відомості про навколишній світ, об’єкти і явища навколишнього середовища, та  про процеси, які протікають в них, відомості про їх параметри, властивості і стан, які зменшують ступінь невизначеності, неповноти знань, які є про них.

Інформація передається, обробляється у вигляді окремих повідомлень.

Узагальненою функцією інформації є забезпечення виживання і розвитку людини і суспільства в складному і мінливому навколишньому нас світі. Вона складається з ряду часткових функцій, які виявляються в різному ступені залежно від зовнішніх умов і характеру діяльності людини. Найчастіше ми стикаємося з проявами наступних функцій інформації:

а) управлінської, яка виявляється в усіх елементах повсякденного життя і в трудовій діяльності, і покликана допомогти людині у виборі варіанту власної поведінки або варіанту цілеспрямованої дії на об’єкти і процеси реального миру;

б) комунікаційної, яка виявляється при обміні інформацією між людьми, і направлена на організацію взаємодії між ними;

в) пізнавальної, яка обумовлена потребою в інформації, необхідної для загального розвитку, придбання спеціальності і, взагалі, для задоволення потреби до нового безвідносно до його прагматичного значення;

г) психологічної, що виявляється при формуванні певного емоційного настрою за допомогою деяких видів інформації, способів її подачі людині.

В даний час наука намагається знайти загальні властивості і закономірності, які є притаманними багатогранному поняттю інформація, але поки це поняття багато в чому залишається інтуїтивним і має різні смислові наповнення в різних галузях людської діяльності:

у вжитку інформацією називають будь-які відомості або дані, які кого-небудь цікавлять. Наприклад, повідомлення про які-небудь події, про чию-небудь діяльність і т.п. “Інформувати” в цьому значенні означає    “повідомити щось, невідоме раніше”;

у техніці під інформацією розуміють повідомлення, передані у формі знаків або сигналів;

у кібернетиці під інформацією розуміється та частина знань, яка використовується для орієнтування, активної дії, управління, тобто в цілях збереження, вдосконалення, розвитку системи (Н. Вінер).

У цьому сенсі Теорія інформації та кодування наука, що вивчає процеси, пов’язані з передачею, прийманням, перетворенням і зберіганням інформації.

Її основи заклав американський вчений Клод Шеннон, який розглядав інформацію як зняту невизначеність наших знань про щось. Сучасне наукове уявлення про інформацію дуже точно сформулював “батько” кібернетики  Норберт Вінер. А саме:

Інформація  це позначення змісту, одержаного із зовнішнього світу в процесі нашого пристосування до нього і пристосування до нього наших відчуттів.

Люди обмінюються інформацією у формі повідомлень. Повідомлення це форма представлення інформації у вигляді мови, текстів, жестів, поглядів, зображень, цифрових даних, графіків, таблиць і т.п.

Інформація, що спирається на однозначні зв’язки знаків або сигналів з об’єктами реального миру, називається семантичною або смисловою.

Інформація, що полягає в характері (порядку і взаємозв’язку) проходження знаків повідомлення називається синтаксичною. Також в загальній науці про знаки (семіотиці) окрім перерахованих виділяють сигматичний і прагматичний аспекти інформації. У першому випадку вивчається питання про вибір знаків для позначення об’єктів реального миру, в другому випадку про цінність інформації для досягнення поставлених цілей. Очевидно, що найбільший практичний інтерес представляють смисловий, семантичний і прагматичний аспекти. Проте дотепер не визначені об’єктивні кількісні критерії міри цінності і корисності інформації.

Сукупність технічних засобів, які використовуються для передачі повідомлень від джерела до споживача інформації називається системою зв’язку. Загальна схема системи зв’язку представлена на рисунку 1.

  1.  Загальна схема системи зв’язку

Вона складається з 5 частин:

1. Джерело повідомлень, що створює повідомлення або послідовність повідомлень, які повинні бути передані. Повідомлення можуть бути різних типів: послідовність букв або цифр (як в системах телеграфу і передачі даних); одна або більш функцій часу (як в системах передачі звуку в моно і стерео звучаннях) і т.д.

2. Передавач, який переробляє деяким чином повідомлення в сигнали відповідного типу, який визначено характеристиками використаного каналу.

3. Канал − це комплекс технічних засобів, що забезпечує передачу сигналів від передавача до приймача. До складу каналу входить каналоутворююча апаратура, що здійснює сполучення вихідного і вхідного сигналів відповідного передавача і приймача з лінією зв’язку, і самої лінії зв’язку. Лінією зв’язку називається середовище, використовуване для передачі сигналу від передавача до приймача. Це може бути, наприклад: пара дротів, коаксіальний кабель, область розповсюдження радіохвиль, світловод і т.д. У загальному випадку в процесі передачі в каналі сигнал спотворюється шумом, що відповідає наявності джерела шуму (рис. 1).

4. Приймач звичайно виконує операцію зворотну по відношенню до операції, вироблюваної передавачем, тобто відновлює повідомлення по сигналах. Складність побудови приймача обумовлена зміною форми сигналів, які приймаються, що пов’язане з наявністю шуму.

5. Одержувач це особа або апаратура, для якої призначено повідомлення.

Процес перетворення повідомлення в сигнал, що здійснюється в передавачі, і зворотний йому процес, що реалізовується в приймачі, назвемо відповідно кодуванням і декодуванням.

Інформаційна безпека – це захищеність інформації і підтримуючої її інфраструктури від випадкових або навмисних дій природного або штучного характеру, які можуть завдати збитку власникам або користувачам інформації.

Забезпечення інформаційної безпеки в більшості випадків пов’язане з комплексним рішенням трьох задач, пов’язаних із забезпеченням того, що прийнято називати функціональними властивостями захищеності: доступності,  цілісності та конфіденційності інформації. Первинні відповіді на можливості щодо рішенням цих задач як раз і дає теорія інформації та кодування.

Доступність –  властивість ресурсу системи (інформації), яка полягає в тому, що користувач і/або процес, який має відповідні повноваження, може використовувати ресурс, не очікуючи довше заданого (малого) проміжку часу, тобто коли він знаходиться у вигляді, необхідному користувачеві, в місці, необхідному користувачеві, і в той час, коли він йому необхідний.

Тобто доступність – це гарантія отримання необхідної інформації або інформаційної послуги користувачем за певний час. Отже, для забезпечення доступності інформація повинна передаватися чи надаватися із відповідною швидкістю. Задачі забезпечення такої швидкості, і, відповідно, забезпечення потрібної пропускної спроможності каналів передачі даних – одна із основних проблем, що розглядаються в ТІК.

Звернемо увагу також на вимогу “ресурс… знаходиться у вигляді, необхідному користувачеві”, що є не чим іншим як вимогою збереження цілісності інформаційного об’єкту, тобто на взаємну пов’язаність понять доступність та цілісність.

Цілісність є найважливішим аспектом інформаційної безпеки в тих випадках, коли інформація використовується для управління різними процесами, наприклад технічними, соціальними і т.д.

Цілісність інформації –  властивість  інформації, яка полягає в тому, що інформація не може бути  модифікована неавторизованим користувачем і/або процесом. Цілісність – гарантія того, що інформація зараз існує в її початковому вигляді, тобто при її зберіганні або передачі не було здійснено несанкціонованих змін. Одним із найпоширеніших неавторизованих процесів є вплив на інформаційні потоки різного роду завад, як природного так і штучного походження. Задачі забезпечення доставки не модифікованої інформації в умовах впливу завад є другою із  основних проблем, що розглядаються в ТІК.

Конфіденційність інформації (information confidentiality) –  властивість інформації, яка полягає в тому, що інформація не може бути отримана неавторизованим користувачем і/або процесом. Конфіденційність – гарантія доступності конкретної інформації тільки того кола осіб, для якого вона призначена. Основні задачі забезпечення конфіденційності вирішуються із використанням криптографічних методів, вивчення яких є предметом інших, спеціальних дисциплін. Але розв’язання певних аспектів забезпечення конфіденційності можливо і методами, які будуть розглянуті в ТІК.


  1.  Повідомлення та сигнали

Як витікає із розглянутого, інформація передається і зберігатися у вигляді певних інформаційних об’єктів − повідомлень чи їх часток (пакетів, блоків, комірок, кадрів тощо).

Під повідомленням розуміють сукупність знаків або первинних сигналів, які  містять інформацію. Приклад повідомлень: текст телеграми, дані на виході ЕОМ, мова, музика і т.д. Для того, щоб повідомлення можна було передати одержувачу, необхідно скористатися деяким фізичним процесом, здатним з тією або іншою швидкістю розповсюджуватися від джерела до одержувача повідомлення.

Фізичний процес, що змінюється в часі і відображає переданий елемент повідомлення називається сигналом.

Повідомлення можуть бути функціями часу (коли інформація представлена у вигляді первинних сигналів: мова, музика) і не бути ними (коли інформація представлена у вигляді сукупності знаків). Сигнал завжди є функцією часу. Залежно від того, які значення можуть приймати аргумент (час − t) і рівні сигналів, їх ділять на 4 типи.

1) Безперервні або аналогові сигнали (випадкові сигнали цього типу називаються безперервними випадковими процесами). Вони визначені для всіх моментів часу і можуть приймати всі значення із заданого діапазону. Найчастіші фізичні процеси, що породжують такі сигнали, є безперервними (рис. 2). Цим і пояснюється друга назва сигналів даного типу − аналогові, тобто аналогічні процесам, що породжують.

  1.  Приклад безперервного або аналогового сигналу

2) Дискретизовані або дискретно безперервні сигнали (випадкові сигнали цього типу називають процесами з дискретним часом або безперервними випадковими послідовностями). Вони визначені лише в окремі моменти часу і можуть приймати будь-які значення рівня. Часовий інтервал Δt між сусідніми відліками називається кроком дискретизації. Часто такі сигнали називають дискретними за часом (рис. 3).

  1.  Приклад дискретно безперервного сигналу

3) Дискретні по рівню або квантовані сигнали (випадкові сигнали цього типу називають дискретними випадковими процесами). Вони визначені для всіх моментів часу і приймають лише дозволені значення рівнів, що відокремлені від один одного на величину кроку квантування Δx = xk+1  xk (рис. 4).

  1.  Приклад дискретного по рівню або квантованого сигналу

4) Дискретні по рівню і за часом сигнали (випадкові сигнали цього типу називають дискретними випадковими послідовностями). Вони визначені лише в окремі дозволені моменти часу і можуть приймати лише дозволені значення рівнів (рис. 5).

  1.  Приклад дискретного по рівню і за часом сигналу


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

76416. Частотные характеристики САУ 83.42 KB
  Если на вход подавать синусоидальные колебания 1 то на выходе после затухания переходных процессов этим заниматься не будем также возникают синусоидальные гармонические колебания с той же частотой но с другой амплитудой и сдвинутые по фазе относительно входных колебаний: где φ – сдвиг по фазе выходных колебаний относительно входных.угол – φ Зависимость модуля АФЧХ от частоты колебаний ω называется амплитудно-частотной характеристикой. Зависимость сдвига фаз входных и выходных колебаний φ от частоты ω называется фазочастотной...
76417. Дифференциальные уравнения и передаточные функции 38.88 KB
  Введем понятие звена автоматической системы. При математическом описании системы удобно разбить систему на звенья и для каждого звена записать свое уравнение. Уравнение такого звена связывает две величины: x входная величина или воздействие и y выходная величина или реакция. Пусть момент времени t=0 выбран так что начальные условия на выходе звена являются нулевыми.
76418. Типовые сигналы 139.87 KB
  Дельтафункция является четной функцией между функцией Хэвисайда и Дирака существует связь выраженная соотношением: или На практике считается что на вход объекта подана функция функция если время действия прямоугольно го импульса намного меньше времени переходного процесса. Сдвинутые элементарные функции К этим функциям относятся функции Хевисайда и Дирака с запаздыванием т. и Рисунок 4 при этом Все...
76419. Типовые динамические звенья 34.53 KB
  Преобразуемая физическая величина поступающая на вход динамического звена называется входной х а преобразованная величина получаемая на выходе звена выходнойy. Статической характеристикой звена называется зависимость между его выходной и входной величинами в установившемся состоянии. Динамические свойства звена могут быть определены на основании дифференциального уравнения описывающего поведение звена в переходном режиме. Решение дифференциального уравнения дает возможность получить переходную или иначе временную характеристику...
76420. Минимально фазовые и не минимально фазовые звенья 21.74 KB
  Если в передаточной функции произвести замену то получаем называемое частотной характеристикой звена частотный коэффициент передачи звена. Общая фаза выходного сигнала звена будет складываться из частичных фаз определяемых каждым двучленом числителя и знаменателя. Если хотя бы один из корней звена расположен справа то такое звено не минимально фазовое звено.
76421. Интегрирующие и дифференцирующие динамические звенья и их характеристики 24.88 KB
  В этом случае для установившегося режима будет справедливым равенство откуда и произошло название этого типа звеньев. Такое звено является идеализацией реальных интегрирующих звеньев. Примерами идеальных интегрирующих звеньев могут служить операционный усилитель в режиме интегрирования гидравлический двигатель емкость и др. Дифференцирующие звенья В звеньях дифференцирующего типа линейной зависимостью связаны в установившемся режиме выходная величина и производная входной откуда и произошло название этого типа звеньев.
76422. Апериодическое звено 39.34 KB
  Временные характеристики Переходная функция: Весовая функция: Передаточная функция Передаточная функция апериодического звена 1го порядка получается путем применения к дифференциальному уравнению свойства дифференцирования оригинала преобразования Лапласа: . В целом считается что почти любой объект управления в первом приближении очень грубо можно описать апериодическим звеном 1го порядка.[1] Апериодическое звено второго порядка Уравнение апериодического звена 2го порядка имеет вид Передаточная функция апериодического звена 2го...
76423. Форсирующее звено первого порядка 30.34 KB
  Передаточную функцию форсирующего звена можно представить как сумму передаточных функций идеального дифференцирующего и пропорционального звена. Уравнение звена. ЛАЧХ и ЛФЧХ Асимптотическая ЛАЧХ форсирующего звена состоит из двух прямых. Пример ЛАЧХ и ЛФЧХ форсирующего звена для.
76424. Колебательное звено 120.05 KB
  Колебания будут затухать с течением времени т. В автоматических системах различают свободные и вынужденные колебания. Вынужденные колебания выходной величины звена возникают из-за колебаний воздействия например при синусоидальном воздействии. Колебания переходной функции колебательного звена – это свободные колебания: воздействие на звено не периодическое а колебания возникают из-за собственных колебательных свойств звена.