Информация и сообщение
Начнем с обсуждения центральных понятий «сообщение» и «информация», а затем, рассмотрев примеры передачи сообщений между людьми, изучим некоторые из основных понятий, важных с точки зрения обработки дискретных сообщений.
«Сообщение» и «информация» — это основные понятия информатики, техническое значение которых не вполне соответствует употреблению этих двух слов в обиходной речи. Необходимое в связи с этим уточнение содержания указанных понятий не может быть достигнуто с помощью определения, так как последнее лишь сводило бы эти понятия к другим не определённым основным понятиям. Поэтому мы вводим сообщение и информацию как неопределяемые основные понятия и разъясняем их использование на ряде примеров.
При разграничении понятий сообщения и информации мы исходим из распространённых оборотов речи типа «это сообщение не даёт мне никакой информации », что приводит к следующему отношению между этими понятиями: (абстрактная) информация передаётся посредством (конкретного) сообщения.
1) информация содержится (или не содержится) в сообщении;
2) информация передается посредством сообщения;
3) информация – новые знания, понятные человеку, она субъективна. Информация может быть ложной, вредной, забытой, важной, …
Соответствие между сообщением и информацией не является взаимно-однозначным. Для одной и той же информации могут существовать различные передающие её сообщения, например сообщения на разных языках или сообщения, которые получаются добавлением неважного сообщения, не несущего никакой дополнительной информации. Сообщения, передающие одну и ту же информацию, образуют класс эквивалентных сообщений. Обратно, одно и то же сообщение может передавать различную информацию: сообщение о падении самолета для близких родственников погибшего имеет совсем иной смысл, нежели для авиакомпании; разные читатели из одной и той же газетной статьи черпают различную информацию, соответствующую кругу их интересов.
Таким образом, одно и то же сообщение, по-разному интерпретированное, может передавать разную информацию. Абстрагируя, мы можем сказать, что решающим для связи между сообщением N и информацией I является некое отображение α, представляющее собой результат договорённости между отправителем и получателем сообщения или предписанное им обоим и называемое правилом интерпретации. Символически правило интерпретации можно записать в следующей форме:
I
Правило интерпретации α для данного сообщения часто получается как частный случай некоторого общего правила, применимого к целому множеству S сообщений, которые построены по одинаковым законам. Если мы формулируем сообщения на некотором языке, то высказывание «X понимает язык S» выражает тот факт, что лицо X знает правило интерпретации α для всех (или, по крайней мере, для большинства) сообщений, формулируемых на языке S.
Иногда правило интерпретации известно лишь ограниченному кругу лиц; сюда относятся правила интерпретации для специальных языков, в частности для различных профессиональных и научных языков (жаргонов). Сленг, арго, блатной жаргон служат для формирования и отгораживания определённой социальной группы посредством преднамеренного уменьшения понятности используемого языка; они возникли из подлинных тайных языков уголовного мира.
Связь между сообщением и информацией особенно отчётливо видна в криптографии: здесь никто посторонний не должен суметь извлечь информацию из передаваемого сообщения.
Языковые сообщения
„Если в чём-то и сходятся мнения всех лингвистов, так это в том, что проблема происхождения человеческой речи всё ещё не решена"
Марио Пей
Для сообщений, которыми обмениваются люди, в большинстве случаев имеются соглашения относительно их формы. О таких сообщениях мы говорим, что они передаются в языковой форме, что они составлены на некотором языке. При этом слово „язык" используется в существенно более широком смысле, чем в случае связанного с ним понятия „говорить". Мы знаем разговорный и письменный языки, язык глухонемых, построенный на жестах и мимике, печать для слепых, воспринимаемую осязанием. Два последних примера показывают, что высокоразвитое языковое общение не ограничивается устной и письменной речью.
Хотя многое говорит в пользу того, что именно разговорный язык знаменует начало истории человека, всё же и в современном обществе остаётся язык жестов, дополненный специфическими звуками, такими как шипение, мычание, свист и щелчки, — хоть и примитивное, но иногда решающее вспомогательное средство, обеспечивающее взаимопонимание.
Примеры в конце предыдущего раздела в моем конспекте представлены печатным шрифтом; на лекции они были сформулированы устно; в ваших конспектах они написаны от руки. Разумеется, их можно выразить и на языке глухонемых или языке слепых (печать для слепых); наконец, глухой может понять произносимое слово по движению губ. Когда мы говорим о языковых сообщениях, мы имеем в виду то общее, что присуще каждому из этих случаев; способ передачи — письменно или устно, посредством осязания или ещё как-то — не имеет здесь никакого значения. При этом, однако, следует иметь в виду, что, например, информация, содержащаяся в устном сообщении, не всегда полностью воспроизводится соответствующим письменным сообщением. Такие настроения, как гнев, радость, горечь, искренность, находят своё полное выражение только в устной речи. Ударения и паузы также несут информацию. Информацию такого рода бывает невозможно или непросто восстановить, исходя из контекста.
Письмо
«Verba volent, scripta manen»
Слова улетают, написанное остаётся (лат.)
Для нас особенно важны языки, в которых для передачи сообщений используются долговременные носители информации. При этом передача освобождается от гнёта реального времени, и становятся даже возможными сообщения человека самому себе — заметки на память — и тем самым уменьшение нагрузки на человеческую память за счёт использования „инструмента".
Представление сообщений на долговременных носителях мы называем письмом, а сам долговременный носитель — носителем письма.
Прежде всего, следует упомянуть зрительно воспринимаемое письмо, которое создается вручную (рукопись) или механически (машинопись, типографская печать). Письмо, воспринимаемое на слух, долгое время было тщетной мечтой изобретателей, пока Эдисон не изобрел фонограф. (Замёрзшие звуки почтового рожка Мюнхаузена, равно как и замороженные песни-сказки Писахова, решают эту проблему неудовлетворительно – а почему?) Письмом, воспринимаемым осязанием, является письмо слепых, которое пишется вручную (посредством накалываний иголкой), а также механически. Фиксация изображений (например, в кино) также представляет собой письмо.
Для передачи языковых сообщений служат органы чувств. Определенные знания о свойствах и работе органов чувств человека оказываются существенными, когда мы хотим рационально включить человека в цепочку обработки и передачи информации (обычно в её начало или конец).
Передача информации
Передачей информации называется процесс её пространственного переноса от источника к получателю (адресату). Передавать и получать информацию человек научился даже раньше, чем хранить её. Речь является способом передачи, который использовали наши далекие предки в непосредственном контакте (разговоре) — ею мы пользуемся и сейчас. Для передачи информации на большие расстояния необходимо использовать значительно более сложные информационные процессы. Примером передачи информации с помощью долговременного носителя является письмо (информация передается не только в пространстве, но и во времени).
Для осуществления процесса передачи информация должна быть некоторым образом оформлена, то есть, представлена в виде сообщения. Очевидно, что для передачи сообщения на расстояние информация должна быть перенесена на какой-либо мобильный носитель. Носители могут перемещаться в пространстве с помощью транспортных средств, как это происходит с письмами, посылаемыми по почте. Такой способ обеспечивает полную достоверность передачи информации, поскольку адресат получает оригинал сообщения, однако требует значительного времени для передачи. С середины XIX века получили распространение способы передачи информации, использующие естественно распространяющийся носитель информации — электромагнитные колебания (электрические колебания, радиоволны, свет). Примерами устройств с недолговременным носителем являются телефон, радио, телевидение.
Устройства, реализующие процесс передачи данных, образуют системы связи. Реализация передачи данных требует:
· предварительного переноса информации, содержащейся в сообщении, на носитель — кодирования;
· обеспечения передачи полученного таким образом сигнала адресату по специальному каналу связи;
· обратного преобразования кода сигнала в код сообщения — декодирования.
Использование электромагнитных носителей делает доставку сообщения адресату почти мгновенной, однако требует дополнительных мер по обеспечению качества (достоверности и точности) передаваемой информации, поскольку реальные каналы связи подвержены воздействию естественных и искусственных помех.
Кодирование информации
Сообщения и сигналы; кодирование и квантование сигналов; кодирование информации.
Устройства связи
На логическом уровне описания устройство связи (приемо-передающее устройство) состоит из приемника (отправителя) и передатчика (получателя).
Если на входе и выходе для сообщения используется один и тот же носитель, то устройство служит для возможного усиления или регенерации сообщения, связанной с устранением помех. Примерами таких устройств являются рупор, слуховая трубка, а также их современные электронные варианты — мегафон и слуховой аппарат.
Если для сообщений на входе и выходе устройства используются различные физические носители, то устройство связи называют преобразователем. Если устройство предназначено для связи между людьми, то сообщения на входе или выходе должны быть производимы/воспринимаемы людьми, т. е. носители должны соответствовать человеческим эффекторам и рецепторам. Например, музыкальный инструмент, на котором играют, нажимая на клавиши. Такой, как рояль: физический носитель на входе — давление, на выходе — звуковые волны. Другой пример ‑ осциллограф, управляемый через микрофон (на входе — звуковые волны, на выходе — световые волны).
Два или более устройства связи можно соединить друг с другом таким образом, что результирующее устройство снова будет устройством связи. Приёмником составного устройства является приёмник первого устройства, участвующего в соединении, а передатчиком — передатчик последнего устройства. В этом случае между передатчиком одного устройства связи и приёмником другого могут использоваться и такие носители, которые недоступны человеческим эффекторам и рецепторам. Примером могут служить телефонная связь по проводам или радио:
Протяжённую в пространстве среду, посредством которой носитель сообщения передаётся от передатчика к приёмнику, называют каналом (связи).
| Аналогии между рецепторами и эффекторами живых существ и техническими приёмо-передающими устройствами служат предметом исследований в кибернетике. Кибернетика занимается главным образом аспектами, общими для человека и технических устройств с точки зрения передачи и переработки сообщений. |
Сигналы и параметры сигналов
Принципиальным является то, что передача сообщений происходит во времени. Поэтому в качестве носителей заслуживают внимания только такие физические величины, которые могут изменяться во времени.
| Определение. Изменение некоторой физической величины во времени, обеспечивающее передачу сообщения (а тем самым и информации), называется сигналом. |
Для воспроизведения сообщения могут использоваться различные свойства сигнала. Та характеристика сигнала, которая служит для представления сообщения, называется параметром сигнала.
В качестве примера рассмотрим радио. Сигналами здесь являются электромагнитные колебания. В диапазоне средних волн сообщение воспроизводится амплитудой колебаний, а в диапазоне ультракоротких волн — частотой колебаний (амплитудная и частотная модуляции соответственно). Таким образом, в первом случае параметром сигнала является амплитуда, а во втором — частота колебаний. Если для передачи сообщений используются импульсы, то параметром сигнала может быть, либо амплитуда импульса, либо интервал между импульсами (амплитудно-импульсная и частотно-импульсная модуляции соответственно).
| Диапазон средних волн Диапазон ультракоротких волн |
Амплитудная (слева) и частотная (справа) модуляции: 1) колебания носителя, 2) переносимые колебания, 3) модулированные колебания с амплитудой (слева) и частотой (справа) в качестве параметра сигнала.
|
Дискретизация сигнала
В прошлом веке в технике осуществился переход на цифровые методы обработки информации. Это связано с тем, что цифровую информацию легче хранить (появились дешевые и удобные устройства для хранения информации, такие как жесткие диски компьютеров или лазерные диски), а также с тем, что цифровую информацию легко передавать по современным линиям связи практически без потерь. В связи с передачей информации говорят об аналоговых и дискретных сигналах.
| Аналоговые сигналы описываются непрерывными функциями времени, поэтому аналоговый сигнал иногда называют непрерывным сигналом. Дискретный сигнал - сигнал, имеющий конечное число значений. |
Оцифровка сигнала. При оцифровке сигнала x(t) производятся две операции ‑ дискретизация и квантование.
Дискретизация - это преобразование непрерывного аналогового сигнала в цифровую форму, то есть замена сигнала x(t) с непрерывным временем t на дискретный сигнал - последовательность чисел x(ti) для дискретного набора моментов времени t1, t2,..., ti,... (чаще всего интервалы между моментами времени Δt = ti - ti-1 берутся одинаковыми).
При дискретизации, конечно, часть информации о сигнале теряется. Но если сигнал x(t) за время Δt не сильно изменяется, числа x(ti) и x(ti-1) близки друг к другу, то поведение x(t) между временами ti и ti-1 нетрудно восстановить (сигнал практически линейно изменяется во времени от x(ti-1) до x(ti)).
Квантование сигнала - производится со значением сигнала x(ti). Выбирается некий набор возможных значений сигнала x1, x2,..., xi,... и каждому x(ti) сопоставляется ближайшее число из этого набора.
Восстановление – обратный дискретизации процесс. При дискретизации по времени, непрерывный сигнал заменяется последовательностью отсчётов, величина которых может быть равна значению сигнала в данный момент времени. Возможность точного воспроизведения такого представления зависит от интервала времени между отсчётами Δt.