Қазақстан Республикасы Білім және ғылым министрлігі
«Алматы энергетика және байланыс университеті»
коммерциялық емес акционерлік қоғам
З.Қ. Құралбаев, А.Р. Оразаева, З.М. Рахимжанова
АҚПАРАТТАР ТЕОРИЯСЫ Оқу құралы
Алматы АЭжБУ
2015
2 ӘОЖ 004(075.8)
КБЖ 32.973 я 73 Қ77
Пікір берушілер:
педагогика ғылымдарының докторы, Қ.И. Сәтбаев атындағы ҚазҰЗТУ математика кафедрасының профессоры
Сатыбалдиев О.С.
техника ғылымдарының докторы, Қ.И. Сәтбаев атындағы ҚазҰЗТУ профессоры
Бекбаев А.Б.
техника ғылымдарының кандидаты, АЭжБУ
инфокоммуникациялық технологиялар кафедрасының доценті Чежимбаева К.С.
Алматы энергетика және байланыс университетінің Ғылыми кеңесі басуға ұсынды (хаттама №2 13.10.2015ж.). АЭжБУ 2015ж. Ведомостік
әдебиеттер басылымдар шығарудың тақырыптық жоспары бойынша басылады, реті 41.
Құралбаев З.Қ., Оразаева А.Р., Рахимжанова З.М.
Қ77 Ақпараттар теориясы: Оқу құралы (жоғары оқу орындарының студенттеріне арналған)/ З.Қ.Құралбаев, А.Р. Оразаева, З.М.Рахимжанова. – Алматы:АЭжБУ, 2015. – 66б.;кесте –1 , ил. – 11, әдеб.көрсеткіші –8 атау.
ISBN 978-601-7436-84-1
Бұл оқу құралында қарастырылған теориялық және практикалық материалдар ақпарат берілісінің әдістері мен түрлерін сипаттауға, ақпарат мөлшерін бағалау мен есептеуге арналған.
Оқу құралы жоғары оқу орындарының «Есептеу техникасы және программалық қамтама», «Ақпараттық жүйелер», «Математикалық және компьютерлік модельдеу»мамандықтары бойынша білім алатын студенттерге арналған.
ӘОЖ 004(075.8) КБЖ 32.973 я 73
ISBN 978-601-7436-84-1 © АЭжБУ, 2015 Құралбаев З.Қ., Оразаева А.Р.,
Рахимжанова З.М., 2015
3
Мазмұны
Кіріспе………. 4
1 Ақпарат теориясының негізгі түсініктері мен анықтамалары…….. 6
1.1 Ақпарат және ақпараттар теориясы………. 6
1.2 Хабарламалар және оларды жеткізу жүйелері……… 8
1.3 Хабарламаның ақпараттық параметрлері……….11
2 Сигналдар – ақпарат тасымалдаушы……….…..13
2.1 Сигналдардың байланыс жолымен өту процесі………...14
2.2 Сигналдар және олардың түрлері………..15
2.3 Сигналдың негізгі параметрлері………18
2.4 Сигналдың модельдері ………19
2.5 Үзіліссіз сигналдарды дискретті түрге келтіру………...22
2.6 Ақпаратты цифрлық түрде бейнелеу………25
3 Ақпараттың сан мәндерін бағалау………30
3.1 Ақпарат мөлшерін есептеу мәселесі……….30
3.2 Энтропия туралы түсінік ………..31
3.3Энтропияның қасиеттері……….34
3.4 Шартты энтропия және оның қасиеттері………..38
3.5 Үзіліссіз ақпарат көзінің энтропиясы ………..41
4 Хабарлама көзі мен байланыс арнасының ақпараттық сипаттары…...44
4.1 Негізгі түсініктер мен анықтамалар………..45
4.2 Хабарлама көзінің ақпараттық сипаттары………47
4.3 Байланыс арналарының түрлері мен сипаттары ………..50
5 Байланыс арнасындағы берілісте ақпаратты кодтау………54
5.1 Ақпаратты кодтау туралы есептің қойылуы ………54
5.2 Хабарламаны сан арқылы бейнелеу………..56
5.3 Әліппелік кодтау……….58
5.4 Ақпаратты бөгеуіл бар дискретті арна арқылы жеткізудегі кодтау………...61
Қорытынды...65
Әдебиеттер тізімі...66
4
Кіріспе
Адамзат қоғамының дамуының барысында ақпаратқа деген сұраныс пен оған қойылатын талаптар қарқынды өсуде. Өндірістің көлемінің қарқынды өсуі ақпарат алмасуға деген қажеттілікті, оны жүзеге асыруға қажетті техникалық құралдармен технологиялардың, программалық жабдықтар мен теориялық зерттеулердің дамуына себепші болды. Кейбір мәліметтер бойынша [1], дүние жүзінде ақпарат алмасу жылына шамамен 10-15 % -ға өседі екен.
Адамзат қызметін сенімді әрі жедел ақпаратпен қамтамасыз ету қоғам мен экономиканың дамуының маңызды факторы. Осыған байланысты, ақпаратты сақтау мен өңдеу, сонымен бірге қазіргі заманғы қоғамды ақпаратпен қамтамасыз ететін байланыс жүйесі экономика мен ғылымның дамуына, жаңа технологиялар мен техниканың пайда болуына зор әсер етеді.
Ақпаратты алумен, сақтаумен, жіберумен және өңдеумен байланысты мәселелер, сонымен бірге ақпаратқа байланысты процестерді сандық бағалау аса өзекті мәселе. Осы процестердің сандық заңдылықтарын зерттейтін ғылым саласы ақпараттар теориясы деп аталады. Ғылымның бұл бағытын зерттеуге арналған алғашқы жұмыстар ХХ – дың 40 - жылдары пайда болды. Ақпаратпен жұмыс істейтін негізгі құрал ретінде есептеу техникасы осы кездерде қолданыла бастағаны белгілі. Жоғарыда келтірілген осы проблемаларды шешу ақпараттар теориясының негізгі мәселелері.
Қазіргі кезде ақпараттар теориясы қолданбалы математиканың бір саласы ретінде дамып келеді. Оның негізгі түсініктері: энтропия, ақпарат мөлшері, өткізу мүмкіндігі. Бұлар тек оқиғалардың ықтималдықтарымен анықталады. Мұндағы әрбір оқиғаға әртүрлі физикалық процесс сәйкес келеді.
Ақпараттар теориясының пайда болуын америка ғалымы К.Шеннонның 1948 жылы жарық көрген «Математическая теория связи» деп аталынған шығармасымен байланыстырады [1,2,3]. Бірақ бұл ғылым саласына қатысты мәселелер Р.Хартли, В.А.Котельников және тағы басқа авторлардың ғылыми еңбектерінде осы мәселеге байланысты зерттеу жұмыстары бұрынырақ жарық көрген. Кейінгі кезеңде ақпараттар теориясымен көптеген ғалымдар айналысуда. Ақпараттар теориясына арналған кітаптар, ғылыми басылымдар мен оқу құралдары пайда бола бастады. Бұл ғылым саласының қарастыратын проблемалары өзекті мәселелер болғандықтан, бұл бағытта зерттеу жұмыстары қазіргі кезде де жалғасуда. Өткен ғасырдың 40-шы жылдарынан бастап, ақпараттар теориясы өз алдына ғылым саласы ретінде қалыптасты [1,2,3].
Өткен ғасырдың 40-шы жылдары электрондық есептегіш машиналардың пайда болған кезеңі ақпараттар теориясының дамуына, оның өзектілігіне үлкен әсерін тигізді. Есептеу техникасының қарқынды дамуы ақпарат өңдеу, ақпаратты сақтау, ақпарат алмасу сияқты басқа да жұмыстарда ақпараттар теориясында қарастырылатын мәселелердің кеңінен орын алғанын көруге болады.
5
Ақпараттар теориясының идеялары басқа ғылыммен өндіріс салаларында, әсіресе байланыс салаларында кеңінен қолданыс тапқан. Бұл ғылым саласының зерттейтін облысы қазіргі кезде көптеген басқа ғылым саласының проблемаларын шешуде және олардың дамуына әсерін тигізеді.
Оның негізгі себебі бұрын электрондық есептегіш машиналар тек математиктердің есептерін шешу үшін қолданылған болса, қазіргі кезде бұрын математикаға қатысы жоқ мамандықтарда компьютерді кеңінен пайдалана бастағандықтан, ақпараттар теориясының идеялары мен тұжырымдары көптеген басқа ғылым салаларында қолданыс тапты. Мысалы, кибернетика, биология, психология, лингвистика, педагогика және тағы басқа ғылым салалары. Ақпараттар теориясының негізгі идеяларын пайдалану басқа ғылым салаларында жаңа теориялық нәтижелер алуға, жаңа ғылыми зерттеу бағыттарының пайда болуына жағдай жасады. Ол нәтижелердің практикалық маңызы да аса зор, өте құнды ұсыныстар жасауға мүмкіндік берді.
Ақпараттар теориясының маңыздылығы, оның идеяларының басқа ғылым салаларының теориялық және практикалық дамуына әсерін және ақпараттық-коммуниациялық технологиялар саласында маман дайындауда
«Ақпараттар теориясы» пәнінің өзектілігі мен қажеттілігі ескеріліп, осы мамандықтардың оқу жоспарларына енгізілген. Кейбір ақпараттарға қолданылатын амалдар туралы, ақпараттарды тасымалдау әдістері және тағы басқа мәселелер туралы алғашқы мәліметтер оқушыларға «Ақпараттану»
пәнінен таныс.
Жоғары оқу орындарында ақпараттық-коммуникациялық технологиялар саласы бойынша мамандар дайындауда «Ақпараттар теориясын» оқытудың маңызы аса зор болғандықтан оған көп көңіл бөлінген;
осы салаға арналған ғылыми еңбектер, пәнге арналған оқулықтар мен оқу құралдары көптеп жарық көруде.
6
1 Ақпараттар теориясының негізгі түсініктері мен анықтамалары Ақпараттың қасиеттерін, оған байланысты процестер мен жүйелерді, қолданылатын технологяларды және тағы басқа мәселелерді зерттеу ақпараттар теориясының еншісінде. Ақпараттар теориясында қарастырылатын негізгі мәселелерге жататындары: ақпараттың өлшемі, ақпарат көздерінің түрлері мен олардың сипаттамалары, ақпарат берілісінде кездесетін бөгеуілдер, ақпаратты түрлендіру (кодтау, шифрлау, модуляциялау және т.б.).
Кітаптың бұл бөлімінде ақпараттар теориясында қолданылатын негізгі анықтамалар, түсініктер және қағидалар қарастырылған.
1.1 Ақпарат және ақпараттар теориясы
Алғашқыда ақпарат туралы түсінік белгілі бір оқиға немесе нысана туралы мәліметтердің жиыны ретінде енгізілген. «Ақпараттану» пәнінде [1,2,3] ақпарат туралы анықтамалардың көптеген, кейде бір-біріне қарама- қайшы, түсініктемелері берілген. Есептеу техникасының барлық дерлік ғылым мен техниканың, өндірісті басқару мен адамның күнделікті өмірінде және басқа салаларда кеңінен пайдаланылуы, оның ішінде ақпаратты жинақтау, дайындау, өңдеу, сақтау, жеткізу, пайдалану және көптеген басқа да қызметтерді орындауға байланысты ақпараттың маңызын арттырды және оған байланысты зерттеулердің өзектілігі жаңа ғылыми бағыттардың пайда болуына әкелді.
Ақпарат туралы сөз болғанда екі нысана (объект) арасындағы қатынас қарастырылады: ақпарат көзі (таратушы) мен ақпарат қабылдаушысы (пайдаланушы). Ақпаратты бір жерден (ақпарат көзінен) басқа жерге (ақпарат пайдаланушысына) жеткізуді қамтамасыз ететін байланыс жүйесі болуы тиіс.
Мысалы, қазіргі кездегі қауіп-қатері мол жұмыстарда, жылдам ақпарат алмасуды қажет ететін қызметтерде, ауа немесе теңіз транспортында, табиғи және техногендік апаттар кезінде және көптеген басқа жағдайларда сенімді байланыс жүйесінің болуы аса қажетті.
Байланыс жүйесінің негізгі міндеті – белгілі бір уақыт мерзімінде берілген сенімділікпен барынша көп көлемді ақпаратты қажетті жерге жеткізу.
Сонымен қатар, белгілі бір уақыт сәтінен басқа уақыт сәтіне дейін ақпартты сақтауды (ақпарат сақтау жүйесі) қамтамасыз ету қажеттілігі де туады. Ол үшін ақпаратты сақтау құрылғылары пайдаланылады.
Ал сақтау құрылғыларының негізгі міндеті – қажетті ақпаратты пайдалану үшін дер кезінде тауып алу, оның бұзылмай сақталуын қамтамасыз ету. Осы аталған мақсаттарға жету үшін келесі мәселелерді шешу қажет болады:
1) Жіберілетін ақпараттың байланыс жүйесінің талабына сәйкес әрі үнемді түрде бейнеленуі немесе түрлендіру кезінде қолданылатын таңбалардың санының барынша аз болуы.
7
2) Түрлендіру үшін қолданылатын тәсілде жіберілетін ақпаратты пайдаланушы қабылдағанда ондағы қателердің ықтималдығы өте аз болуы тиіс.
3) Ақпарат, пайдалануға ыңғайлы тасымалдаушыларда сақталынуы тиіс.
Осы проблемаларды шешу үшін, ақпаратты сақтау мен алмасуды аталынған талаптарға сай ұйымдастыру үшін, белгілі бір табиғи немесе жасанды тілдің таңбалар жүйесі қолданылады. Таңбалар жүйесін зерттеумен айналысатын ғылым саласы семиотека деп аталынады [2,3]. Бұл жүйені зерттеу үш деңгейде орындалады: синтаксистік, семантикалық және прагматикалық.
Синтаксистік деңгейде деректердің мәндік және прагматикалық мазмұнына көңіл бөлмей, ақпаратты алушыға таңбалардың жиыны ретінде жеткізу. Бұл жерде ақпараттың өлшемі болатын таңбалардың пайдалану жиілігі туралы мәселе қарастырылады.
Семантикалық деңгейдің мәселелері жіберілетін ақпараттың мәнін формальды түрге келтірумен байланысты. Бұл жерде ақпараттың шындыққа жақындығының сандық бағалауы туралы мәселе қарастырылады немесе оның сапасы бағаланады.
Прагматикалық деңгейде ақпараттың тиімділігі туралы мәселе қарастырылады. Бұл жерде қарастырылатын мәселелер: ақпараттың құндылығы, оның шындығы, болжалу мүмкіншілігі, уақытымен жеткізілуі мен тиімді пайдаланылуы және т.б. Ол әртүрлі пайдаланушы үшін әртүрлі болады.
Ақпарат белгілі тәртіппен түрлендіріліп, арнайы тасымалдаушыларда сақталынатыны белгілі. Тасымалдаушылар ретінде негізінен жартылай өткізгіштер мен магниттік тасымалдаушылар қолданылады. Қазіргі заманғы компьютерлік техниканы қолданатын байланыс арнасы арқылы ақпарат жіберу үшін тасымалдаушы ретінде электрлік немесе электромагнитік сигнал қолданылады.
Ақпарат көбінесе автоматтандырылған немесе адам мен машина арасындағы жүйелерде негізінен басқару шешімдерін қабылдау үшін қолданылады. Мұндай жүйелерде ақпарат айналысы жеке кезеңдерден тұрады. Ақпараттың тасымалдаушысы сигнал болғандықтан, бұл жерде сигналдың айналысы қарастырылады. Олар келесі кезеңдерден тұруы мүмкін:
- нысана туралы ақпаратты алу және талдау;
- ақпаратты дайындау немесе белгілі түрге келтіру, аналогты-цифрлық түрлендіру, шифрлау;
- қажетті жерге жеткізу және сақтау;
- өңдеу;
- пайдалану.
Ақпаратқа қолданылатын амалдардың тізбегін ақпараттық процесс деп атайды, ал осы процестерді жүзеге асыратын жүйелерді ақпараттық жүйелер деп атайды. Ақпараттар сақталынған тасымалдаушылардың жиыны
8
(ақпараттық жүйелердегі, кітапханалардағы, қорлардағы, мұрағаттардағы және т.б) ақпарат ресурсын құрайды.
Ақпаратты дайындаудың, өңдеудің және оларға басқа амалдар қолданудың әдістері ақпарат технологиясын (компьютерлік ақпараттық технологиялар) құрайды.
Ақпараттар теориясының математикалық фундаменті (негізі) болатын ықтималдықтар теориясы, математикалық статистика және қолданбалы алгебра пәндерімен тығыз байланыста болады. Екінші жағынан, ақпараттар теориясы байланыс теориясының математикалық негізі деп есептеледі. Көп жағдайда ақпараттар теориясын ықтималдықтар теориясының немесе байланыс теориясының бір бөлімі ретінде қарастырады.
Ақпараттар теориясы ақпаратты өлшеу, оның ағыны мен байланыс арналарының мөлшері және тағы басқа байланыс құралдарының математикалық теориясы ретінде қолданылған. Бас кезінде бұл теория толқын ұзындығы және жиілігімен анықталатын байланыс арнасына арналған болатын. Байланыс арнасы ауаның тербелісі немесе электромагниттік процеспен байланыстырылған. Жалпы жағдайда бұл процестер үзіліссіз деп қарастырылса, ал ақпарат код түріне келтірілгенде үзілісті (дискретті) болып есептеледі. Осы қарастырылатын мәселелермен қатар, ақпараттар теориясында код құрастыру әдістері де орын алған. Ақпаратты кодтау арқылы түрлендіру байланыс арналары арқылы ақпарат берілісінде негізгі рөл атқарады.
1.2 Хабарламалар және оларды жеткізу жүйесі
Ақпаратты қажетті жеріне жіберу және оны пайдаланушыға жеткізу адамзат қоғамы мен экономиканың дамуында маңызды фактор деп есептеледі. Осыған байланысты ақпаратты сақтау, өңдеумен қатар, оларды тарату, қажетті жерге жеткізу құралдарының болуы міндетті. Қазіргі заманда ғылымның, экономиканың, жалпы қоғамның дамуындағы байланыс технологияларының рөлі аса зор.
Жоғарыда айтылғандай, ақпаратты сақтау мен қажетті жерге жеткізу үшін ол белгілі бір түрге айналдырылуға тиіс. Ондай түрлендіруден кейін алынатын ақпаратты хабарлама деп атайды [1,2,3]. Сонымен, ақпарат туралы түсінікпен қатар, «хабарлама» туралы түсінік енгізілген.
Хабарлама дегеніміз ақпаратты белгілі бір форма түрінде бейнелеу.
Хабарлама әртүрлі таңбалар мен белгілеулер арқылы бейнеленеді. Мысалы, қолданылатын шартты белгілер: әріптер, цифрлар, математикалық таңбалар, сөздер, суреттер және т.б. Сонымен, ақпаратты басқа жерге жіберу үшін ол хабарлама түріне келтірілуі тиіс. Мысалы, ақпаратты телеграф арқылы жібергенде ол әріптер мен цифрлардан тұрады, телефон жүйесінде сөз немесе дыбыс кернеуінің үзіліссіз өзгеруі болса, ал телевизия жүйесінде бейне элементтерінің түстерінің ашық болуы.
9
Хабарламалар дискретті (үзілісті) және үзіліссіз болады. Дискретті хабарлама жеке элементтердің тізбегі түрінде құрастырылады. Ал үзіліссіз хабарламалар элементтерге бөлінбейді, үзіліссіз мәндердің жиынынан тұратын уақытқа тәуелді функция арқылы сипатталынады.
Ақпарат хабарлама түрінде жеткізіледі. Ол үшін хабарлама ақпаратты алыс қашықтыққа жеткізуге арналған ыңғайлы түрде бейнеленеді.
Хабарламаның мысалы ретінде телеграммалардың мәтіні, сөз, музыка, теледидар суреттемелері, компьютерден алынатын деректер, нысандарды автоматтандырылған басқару жүйелеріндегі командалар және т.б. келтіруге болады.
Хабарламаны жеткізу үшін белгілі бір ортадағы физикалық процестер қолданылады. Хабарламаны бейнелейтін физикалық процесті сигнал деп атайды. Көбінесе радиотехникалық (байланыс) жүйелерде электр сигналдары қолданылады.
Деректерді жеткізу жүйесі деп хабарламаларды ақпарат көзінен оны алушыға жеткізуді қамтамасыз ететін техникалық құралдырдың (хабарлағыш, қабылдағыш, байланыс жолы) жиынын атайды.
Ақпарат жеткізудің кеңейтілген жүйесіне хабарлама көзі, хабарламаны алушы, хабарлама жіберуші (таратушы) және қабылдаушы құрылғылар, байланыс жолы енгізілген. Ақпарат берілісі кезінде бөгеуілдердің болуы мүмкін, ол ақпарат берілісінің жүйесінде де болады.
Бөгеуілдер дегеніміз кез келген сигналға зиянды әсерін тигізетін, оның жіберілген түрінен кездейсоқ ауытқуға келтіретін сыртқы және ішкі факторлар. Сыртқы факторларға жататындары атмосфералық бөгеуілдер мен өнеркәсіп мекемелерінің әсерлері болса, ал ішкі факторларға байланыс аппаратурасының өзінің жұмысында болатын кемшіліктері жатады. Жүйенің блоктарына бөгеуілдердің әсерін азайту мақсатымен байланыс жолының сипаттарын тиісті түрде өзгертуге тырысады. Сондықтан бөгеуілдердің көзін байланыс жолына жатқызады.
Хабарлаушы құрылғы жіберілетін хабарламаны байланыс жолымен таратылатын электрлік сигналға айналдырады. Қабылдаушы құрылғы қабылданған сигналды қайтадан бастапқы жіберілген сигналға айналдырады.
Қазіргі кездегі цифрлық жүйелерде хабарлаушы мен қабылдаушы құрылғылардың функциясын модем орындайды.
Байланыс жолы - сигналды хабарлаушыдан қабылдаушыға жеткізуге арналған орта. Ондай орта ретінде кабель, толқын немесе электромагнитттік толқындар таралатын кеңістік болуы мүмкін.
Хабарлаушы құрылғы хабарламаны сигналға айналдырғанда нақты байланыс жолы арқылы өтуіне ыңғайлы түрге айналдырады. Оның құрамында бөгеуілге қарсы тұра алатын кодтауға арналған құрылғы болуы тиіс. Бұл құрылғыны кодтаушы құрылғы немесе кодер деп атайды. Себебі бастапқы электрлік сигналды байланыс жолы арқылы таратуға болмайды. Сондықтан бастапқы сигнал байланыс жолы арқылы таратуға болатын жоғары жиілікті сигналға түрлендіріледі. Ондай түрлендіру модулятор деген құрылғының
10
көмегімен орындалады. Модулятор бастапқы сигналдың өзгеруіне сәйкес, жоғары жиілікті толқынның бір параметрін жоғары жиілікті генератордың көмегімен өзгертеді.
Ақпарат жеткізудің бір арналық жүйесінің құрылымдық сұлбасы 2.1- суретте көрсетілген. Ақпарат хабарлама түрінде жүйеге келіп түседі.
Хабарлама деп құрамында ақпарат бар таңбалар жиынын немесе бастапқы сигналдарды атайды. Хабарлама көзі (жіберуші) жалпы жағдайда зерттелінетін немесе бақыланатын нысанның ақпарат жиынынан және оның жағдайы туралы немесе онда өтіп жатқан процесс туралы ақпаратты қабылдайтын алғашқы түрлендірушілердің ақпаратынан тұрады. Мұндағы түрлендірушілер дегеніміз датчиктер – ақпарат беруші аспап, оператор адамдар және т.б.
Хабарламаны жеткізуге арналған құралдардың жиынын байланыс арнасы деп атайды. Ақпаратты жіберушілердің бір жерде орналасқан тобынан басқа жерде орналасқан алушылардың тобына жеткізу үшін бір байланыс жолын пайдаланған жөн. Бірақ ондай жағдайда жүйе жеткілікті түрде байланыс арналарымен қамтамасыз етілуі тиіс. Ондай жүйелерді көпарналы деп атайды. Мысал ретінде бір арналы ақпарат берілісінің құрылымдық сұлбасын бейнелеудің келесі түрін қарастырайық [1]:
хабарлама сигнал
Хабарлама Сигнал+бөгеуіл
АК –ақпарат көзі, АТ-ақпарат түрлендіруші, К-кодтаушы, М – модуляциялаушы, ДМ- демодуляциялаушы (модуляцияланған деректерді қайта қалпына келтіру), ДК – декодтау (кодталған хабарламаны қайта қалпына келтіру).
1.1 сурет – Ақпарат жеткізудің бір арналық жүйесінің құрылымдық сұлбасы
Осы суретте көрсетілген сұлбаға түсінік берейік. Ақпарат көзінен (АК) алынған ақпарат түрлендірушіден (АТ) шыққанда хабарламаға түрленеді;
хабарлама жіберуші құрылғыда кодтау (К) мен модуляциядан (М) кейін
Хабарлама көзі Жіберуші құрылғы
Ақпарат алушы Қабылдаушы құрылғы
Байланыс
жолы Бөгеуіл көзі
АК АТ К М
ДК ДМ
11
жиілігі жоғары сигналға түрлендіріліп, байланыс жолы арқылы қабылдаушы құрылғыға жеткізіледі. Байланыс жолында бөгеуіл кездесуі мүмкін. Бөгеуіл қосылған сигнал қабылдаушы құрылғыға жеткізіледі. Мұнда демодуляция (ДМ) мен декодтау (ДК) амалдарының орындалу нәтижесінде хабарлама көзінен жіберілген бастапқы хабарлама қайта қалпына келтірілуге тиіс.
Осыдан кейін алынған хабарлама ақпарат алушыға жеткізіледі. Әрине, бұл алынған хабарлама мен бастапқы жіберілген хабарлама арасында өзгеріс болуы мүмкін. Ол байланыс арнасының сапасына байланысты. Осында қарастырылған амалдарды орындайтын құрылғылар туралы мәлімет келесі тарауда қарастырылған.
1.3 Хабарламаның ақпараттық параметрлері
Жоғарыда айтылғандай, жіберілген хабарлама алушыға жеткенде өзгеру деңгейі байланыс арнасының сапасына байланысты болады делінген.
Байланыс жүйесінің жұмысының тиімділігін арттыру үшін жіберілген және қабылданған ақпаратты бағалау маңызды болып табылады. Бұл мәселелер ақпараттар теориясының мазмұнының белгілі бір бөлігін құрайды. Онда қарастырылатын негізгі мәселелер мыналар:
- ақпараттың мөлшерін бағалау мәселелерімен қатар, хабарлама жеткізудің құралы ретінде сигналдарды талдау;
- хабарлама жіберуші мен байланыс арналарының ақпараттық сипаттамаларын талдау;
- бөгеуіл болғанда да, болмағанда да байланыс арнасы арқылы хабарлама жеткізудің жеткілікті жылдамдығын қамтамасыз ететін кодтау мен декодтау мүмкіншілігін пайымдау.
Әртүрлі байланыс жүйелерінің негізгі сипаттамалары - хабарламадағы ақпараттың мөлшері мен өткізілетін ақпараттың көлемі. Осы сипаттамаларды сандық бағалау үшін белгілі бір өлшем қажет.
Хабарламаның ақпараттық параметрі дегеніміз оның өзгерісі арқылы ақпарат жазылатын параметр. Мысалы, дыбыс бойынша хабарламаның параметрі дыбыс кернеуінің сәттік мәні болса, ал қозғалмайтын бейнелердің ақпараттық параметрі шағылу коэффициенті, қозғалатын бейне үшін – экран бетіндегі жарықтың күші.
Бұл жердегі ең маңыздысы ақпарат берілісіндегі сапа мен жылдамдық туралы түсініктер. Ақпаратты жеткізудің сапасы жоғары болса, онда қабылдағышқа жеткен ақпараттың бұрмалануы да аз болады. Ақпарат жеткізудің жылдамдығы өскенде ақпараттың жоғалуы мен оның сапасының төмендеуін болдырмайтын арнайы шаралар қолданылуы тиіс.
Хабарлама дискретті және үзіліссіз болады. Дискретті хабарлама жіберушінің жеке элементтерді – таңбаларды тізбек кезегі бойынша жіберудің нәтижесінен құралады. Әртүрлі таңбалардың жиыны хабарлама көзінің әліппесі деп аталынады, ал таңбалар саны әліппенің көлемі деп есептеледі.
Мұндағы таңбалар ретінде белгілі бір байланыс ережелерін
12
қанағаттандыратын табиғи немесе жасанды тілдің әріптері қолданылады.
Дискретті хабарламалардың көп тараған бір түрі деректер.
Үзіліссіз хабарламалар элементтерге бөлінбейді. Олар мәндердің үзіліссіз жиынын қабылдайтын уақыт функциясымен сипатталынады.
Үзіліссіз хабарламаның мысалы ретінде сөйлеу, теледидар бейнелерін атауға болады. Көпшілік байланыс жүйелерінде хабарламаның сапасын арттыру мақсатымен үзіліссіз хабарламаны оның дискретті түріне айналдырады.
Хабарламаны байланыс арнасы арқылы жеткізу үшін оған сәйкес сигнал құрастыру керек. Ақпараттық жүйелерде сигналды хабарламаны тасымалдайтын физикалық процесс деп түсінеді. Хабарламаны байланыс арнасы арқылы жеткізуге ыңғайлы түрдегі сигналға айналдыруды кодтау деп атайды. Қабылданған сигналдан бастапқы хабарламаны қайта қалпына келтіру операциясын декодтау немесе кодты ашу деп атайды.
Уақыт өскен сайын дискретті хабарламалар саны күрт көбейетін болғандықтан, әрбір хабарлама үшін сигнал құрастыру үлкен қиындық туғызатыны белгілі. Бірақ, дискретті хабарламалар таңбалардан тұратын болғандықтан, ақпарат жіберушінің әліппесінің жеке таңбаларына сәйкес белгілі бір саны шектелген үлгілік сигналдармен шектеу мүмкіндіктер бар.
Үлгілі сигналдарды танудың қарапайымдылығы мен сенімділігін қамтамасыз ету үшін олардың саны барынша аз болуы қажет. Сондықтан алғашқы таңбаларды символдар деп аталатын таңбалары аз басқа әліппе арқылы бейнелейді. Бұл операцияның орындалуын сипаттау үшін сол бұрынғы «кодтау» термині қолданылады. Осы операцияны орындайтын құрылғы кодер деп аталынады. Символдар әліппесінің көлемі таңбалар әліппесінің көлемінен аз болғандықтан (немесе символдардың саны таңбалардың санынан аз болғандықтан) әрбір таңба символдардың тізбегімен бейнеленеді; оны код комбинциясы деп атайды. Код комбинациясындағы символдар санын оның мәні деп, ал нөлге тең емес символдарды салмағы деп атайды.
Осы сияқты, символдарды таңбалармен сәйкестендіру операциясына
«кодты ашу» термині қолданылады. Оны жүзеге асыратын техникалық құралды декодер деп атайды. Қарапайым байланыс жүйелерінде кодтайтын да, кодты ашатын да құрылғылардың болмауы мүмкін.
Жіберуші құрылғы үзіліссіз хабарламаларды немесе таңбаларды белгілі бір байланыс жолымен өтуіне ыңғайлы сигналға айналдырады (немесе сақтау құрылғысында сақтау үшін). Бұл жерде таңдалған тасымалдаушының бір немесе бірнеше параметрлері таратылатын ақпаратқа сәйкес өзгертіледі. Бұл процесс модуляция деп аталынады. Оны модулятор деген құрылғы орындайды. Сигналды кері қарай символға айналдыру амалдарын демодулятор орындайды.
Сигналды жіберушіден қабылдаушыға жеткізуді қамтамасыз ететін кез- келген физикалық ортаны байланыс жолы деп атайды. Физикалық орта ретінде ауа кеңістігі, металл, магниттік лента және т.б. қарастырылады.
Сигналдар байланыс жолынан шыққанда жіберілген түрінен басқа болуы,
13
яғни өзгеріске ұшырауы мүмкін. Оның себептері - байланыс жолында кездесетін кедергілер мен бөгеуілдер, сигналдың өшуі және тағы басқалар.
Бөгеуілдермен бірге келіп түскен сигналдан қабылдағыш сигналды бөліп алып, декодер арқылы хабарламаны қалпына келтіреді. Бірақ бәрібір хабарлама жіберілген бастапқы түрімен салыстырғанда өзгеріске ұшырайды.
Қабылданған хабарламаның таратылған хабарламаға сәйкестік өлшемі жеткізудің шындығы деп саналады. Хабарлама жеткізудің берілген шындықты қамтамасыз етуі – байланыс жүйесінің ең маңызды мақсаты.
Қабылданған хабарлама байланыс жүйесінен шыққанда бастапқы ақпарат жіберілген адрес бойынша алушы абонентке жеткізіледі.
Бұл бөлімде ақпараттар туралы кейбір түсініктер мен анықтамалар берілген және ақпаратты таратуда қолданылатын амалдар мен оларды орындаушы құрылғылар туралы мәліметтер берілді.
Бақылау сұрақтары
1. Ақпаратты жеткізу жүйесінің жалпы сұлбасын келтіріңіз.
2. Хабарлама деген не?
3. Хабарламаны кодтау және кодты ашу деген не?
4. Хабарламаның ақпараттық параметрі деген не?
5. Декодер не үшін қажет?
6. Код комбинациясы деген не?
7. Код комбинациясының мәні деген не?
8. Символдар әліппесінің әріптер әліппесінен айырмашылығы неде?
9. Байланыс арнасы дегеніміз не?
10. Ақпарат тасымалдаушы деген не?
11. Ақпараттың, хабарламаның және сигналдың анықтамаларын беріңіз.
12. Ақпараттық процесс деген не?
13. Ақпараттық ресурс деген не және оның ерекшеліктері қандай?
14. Байланыс жүйесінің негізгі міндетін атаңыз.
15. Байланыс жүйесінің негізгі сипаттамасын атаңыз.
16. Қандай мәселелер ақпараттар теориясының негізгі мәселелері болады?
17. Хабарламаны жеткізу үшін нені пайдаланады?
2 Сигналдар - ақпарат тасымалдаушы
Алдыңғы бөлімде ақпараттың мөлшерін бағалау мәселелерімен қатар, хабарлама жеткізу құралы ретінде сигналдарды талдаудың қажеттілігі туралы айтылған болатын. Тасымалданатын ақпараттың мөлшерін бағалаудан бұрын, оны жеткізуші сигнал туралы мәліметтерді қарастырайық. Жалпы хабарламаны бір жерден екінші жерге жеткізу үшін белгілі бір ортада таратылу мүмкіншілігі бар физикалық процесс қолданылуы тиіс. Мысалы, адам дауысы ауа кеңістігінде таралады; дауыстың кернеуінің әсерімен ауада
14
толқын пайда болады. Сол сияқты радиотолқынның немесе электр сигналының таралуы белгілі бір ортада жүзеге асырылады.
Сигнал деген термин латын тіліндегі signum – белгі деген сөзден туған. Сигнал ақпарат жеткізуге арналған электрлік, дыбыстық, жарықтық және тағы табиғаты басқа таңбалардан тұруы мүмкін. Сигнал дегеніміз материалды ақпарат тасымалдаушы. Табиғатта ол физикалық процесс ретінде пайда болады.
2.1 Сигналдың байланыс жолымен өту процесі
Жоғарыда айтылғандай, сигнал дегеніміз хабарламаны бейнелейтін физикалық процесс. Хабарламаны бейнелеу, процесті сипаттайтын белгілі бір физикалық шаманың өзгеруін қамтамасыз ету арқылы жүзеге асырылады.
Таратылатын хабарламаға сәйкес физикалық тасымалдаушының параметрін өзгерту арқылы сигнал құрастырылады. Параметрдің бұл шамасы сигналдың ақпараттық параметрі деп аталынады. Сигнал хабарламаны уақыт бойынша жеткізеді, сондықтан ол уақытқа тәуелді функция болады.
Сигналдың байланыс жолымен өткендегі орындалатын процесті сипаттайтын ақпарат берілісінің жалпы сілбасы бірінші бөлімде (1.1 сурет) келтірілген болатын.
Хабарлама ақпарат көзінен шыққанда оған сәйкес сигнал құрастырылады. Уақыт өткен сайын хабарлама саны өсе түсетіндіктен олардың әрқайсысына жеке сигнал құрастыру мүмкін болмайтыны белгілі.
Сонымен бірге, дискретті хабарлама әріптерден тұрады, ал үзіліссіз хабарлама әрбір сәтте цифрлардың тізбегінен тұрады. Осыған байланысты таратушының әрбір әрпіне сәйкес саны шектелген үлгілік сигналдарды пайдалану мүмкіншілігі болатыны туралы айтылған болатын.
Әліппенің көлемі аса үлкен болған жағдайда әріптерінің саны аз әліппені пайдалануға болады. Ондай әліппенің әріптері символдар деп аталынды. Бұл операцияны бейнелеу үшін кодтау деген термин қолданылды.
Символдар әліппесі әріптер әліппесінен көлемі кіші болғандықтан, әрбір әріпке белгілі бір символдардың код комбинациясы деп аталынатын тізбегі сәйкес болады. Код комбинациясындағы символдар саны оның мәнділігі деп аталынады.
Байланыс жолы бойынша сигнал жіберілгенде ол әртүрлі әсерлерден (бөгеуілдерден) бұрмаланады. Сондықтан қабылдаған сигнал таратылған сигналдан бөлек болатыны белгілі. Қабылдаушы құрылғы қабылданған сигналды түрлендіру арқылы таратылған хабарламаны қалпына келтіреді.
Қабылданған сигнал жоғары жиілікті болғандықтан, ол сүзгі (фильтр) деген құрылғыдан өтіп, қабылдаушы құрылғының каскадтарымен күшейтіледі.
Осыдан кейін демодулятор деген құрылғының көмегімен жиілігі төмен бастапқы сигналға түрлендіріледі. Кодты ашушы құрылғыда жиілігі төмен сигнал алғашқы сигналдың символдарының код комбинациясына түрлендіріледі. Мұндай операциялар хабарламаны таратушы жақ бөгеуілге
15
қарсы қолданылатын кодтауды пайдаланған жағдайда ғана орындалады.
Сонымен, кодты ашушы құрылғыдан шыққанда таратылған хабарламаға сәйкес бастапқы сигналдың код комбинациясы шығады.
Бірақ бөгеуілдердің әсерінен қабылдаушы жақ алған сигнал бұрмаланған болуы мүмкін. Сондықтан сигнал қабылданғаннан кейін таратылған хабарлама жөнінде әртүрлі жорамалдар (гипотезалар) болады.
Осыған байланысты шын мәнінде қандай хабарлама жіберілгені туралы шешім қабылдаудың қажеттілігі туралы мәселе пайда болады. Бұл мәселені шешу үшін ақпарат көзі, онда қолданылған бөгеуілге қарсы код және модуляция түрі, бөгеуілдердің қасиеттері мен табиғаты туралы мәліметтерді талдау қажет. Осындай талдаудың арқасында қабылданған хабарлама туралы шешім қабылданады. Қабылдаушы жақтың алынған сигналды талдауы және шешім қабылдауы шешуші сұлба деп аталынады.
Бастапқы сигналдың символдарының код комбинациясы сигналдың детекторының көмегімен тиісті хабарламаға айналдырылады; ол ақпарат қабылдаушыға келіп түседі. Егер ақпарат берілісі жіберуші мен қабылдаушы арасында екі жақта бір мезгілде орындалатын болса, ондай режим дуплексті режим деп аталынады.
Сонымен, ақпарат берілісінің негізгі мақсаты - сенімділік. Сенімділік дегеніміз қабылданған хабарламаның жіберілгеніне сәйкестігінің өлшемі.
Сенімділік туралы мәселенің көтерілу себептері:
1) Жоғарыда айтылғандай, байланыс жолында кездесетін бөгеуілдердің әсерлері.
2) Әрбір әсер етуші фактордың кездейсоқ болуы.
Осы аталынған себептерден ақпарат берілісіндегі оқиғалардың көпшілігі кездейсоқ болғандықтан, олардың сенімділігінің деңгейі анықталуға тиісті.
Бұл жерде ол көрсеткіш үшін осындағы оқиғалардың ықтималдығы қолданылады.
Физикадан білетініміздей, электромагниттік толқынның тиімді болуы оның өлшемінің шығатын толқынмен сәйкес болуына байланысты.
Сондықтан электр сигналдары радио арналары, кабель, микротолқын арқылы жіберілгенде жоғары жиілік немесе қысқа толқындар қолданылады. Сигнал, тасымалдаушы жиілікпен жіберіледі. Тасымалдаушы жиіліктің параметрлерін өзгертуді модуляция деп атайды.
Хабарламаны электр сигналына айналдыру үшін әртүрлі хабарламаны түрлендіруші құрылғылар қолданылады. Мысалы, адам сөзін түрлендіру үшін микрофон қолданылса, ал бейнелерді түрлендіру үшін ЭСТ (электронды- сәулелік түтік) қолданылады. Түрлендірушіден шыққан хабарлама бастапқы деп аталады. Көпшілік жағдайда бастапқы сигнал төменгі жиілікті болғандықтан, алыс қашықтыққа жіберуге болмайтыны белгілі. Сондықтан бастапқы сигнал жиілігі жоғары сигналға айналдырылады. Ол модулятордың көмегімен орындалады.
16 2.2 Сигналдар және олардың түрлері
Жоғарыда айтылғандай, ақпараттың тасымалдаушысы ретінде сигнал қолданылады. Сигналдардың түрлері көптеп саналады, олар табиғи және жасанды сигналдар болып бөлінеді. Табиғи сигналдарға жататындары: жарық, акустикалық (дыбыс) және қоршаған ортада табиғат құбылыстары кезінде пайда болатын сигналдар. Жасанды сигналдарды адамдар ақпарат (хабарлама) жеткізу үшін құрастырады. Сигналдың материалдық негізін белгілі бір физикалық нысана немесе процесс құрайды; оны ақпарат (хабарлама) тасымалдаушы деп атайды.
Хабарлама тасымалдаушы ретінде әртүрлі тербелістер қолданылады;
негізінен тасымалдаушы электр тогы немесе кернеуі түрінде болады. Электр тербелісі түріндегі тасымалдаушылар үшін ақпараттық праметрлер ретінде амплитуда, жиілік және фаза қолданылады. Бұл тербелістер кез келген уақыт сәтінде дәл анықталған болуы мүмкін; оны детерминделген деп атайды. Ал, егер оның кейбір параметрлерінің мәндері алдын ала белгісіз болса және болжауға болмайтын болса, оларды кездейсоқ тербелістер деп атайды. Детерминделген сигналдарды кездейсоқ сигналдардың ықтималдығы бірге тең жеке түрі ретінде қарастыруға болады (ықтималдығы бірге тең оқиға шын немесе міндетті түрде болатын оқиға деп саналады).
Сигнал күрделі процесс. Кез келген күрделі процесті немесе құбылысты қарастырғанда, оның физикалық табиғатын, мазмұнын және міндетін қарастырмай, оны зерттелінетін нысананың моделімен алмастыру қажет.
Нысананың моделін пайдалану қазіргі кездегі ғылымның көпшілік саласында қолданылатын, әрі кең тараған әдіс. Зерттелінетін нысананың параметрлерінің арасындағы сандық қатынастар қарастырылатын жағдайда, олардың арасындағы байланыстарды сипаттайтын математикалық формулалардың жиыны қажет болады, немесе оның математикалық моделі қарастырылады.
Әрине, математикалық модельдің нысанаға сәйкес болуы міндетті.
Ақпарат алу немен байланысты? Белгілі бір нысана (немесе процесс) туралы ақпарат алу оның бастапқы жағдайындағы белгісіздікті жою.
Сондықтан сигналдың түсуі кездейсоқ болады және сигналдың моделі ретінде кездейсоқ процесс қарастырылады. Сигнал ақпараттық параметрлерінің құрылымына байланысты дискретті, үзіліссіз және дискретті-үзіліссіз болуы мүмкін. Кез келген сигналды уақыттың функциясы x(t) ретінде қарастыруға болады. Үзіліссіз және аналогты сигналдар үзіліссіз функциямен сипатталса, ал дискретті сигнал дискретті функция болады.
Негізінен сигналдың x(t) келесідей төрт түрлі формасы болады (2.1 сурет):
17
2.1 сурет – Сигналдың формалары
Осы суретте келтірілген сигналдардың формаларына түсінік берейік.
Оларды сипаттайтын функция x(t) сигналдардың келесі типтерін бейнелейді:
- мәні мен уақыт бойынша үзіліссіз;
- мәні бойынша үзіліссіз, ал уақыт бойынша дискретті;
- мәні бойынша дискретті (квантталынған), ал уақыт бойынша үзіліссіз;
- мәні бойынша да, уақыт бойынша да дискретті.
Бірінші типке жататын сигналдар белгілі бір шектелген немесе шектелмеген уақыт аралығында белгілі диапазондағы кез келген мәнді қабылдайды. Мұндай сигналдың мысалы ретінде микрофоннан шыққан сигналдың, жылудың, қысымның, жылдамдықтың және т.б. өлшегіш приборларының көрсеткіштерін атауға болады. Бұл сигналдар физикалық шамалардың электрлік модельдері болғандықтан оларды аналогты сигналдар деп атайды.
Екінші типке жататын сигналдар дискретті деп аталынады. Олар белгілі диапазонда кез келген мәндерді уақыттың берілген дискретті сәттерінде қабылдайды. Көпшілік жағдайда үзіліссіз сигналдан дискретті сигнал алуға болады. Ол үшін дискреттеу деген амал орындалуы тиіс немесе белгілі уақыт сәттері үшін есептелген мәндердің тізбегі құрастырылады.
Уақыт сәттерінің ара қашықтығы дискреттеу қадамы деп аталынады.
Дискреттеу қадамы тұрақты немесе айнымалы болуы мүмкін. Үзіліссіз сигналды дискретті сигналға айналдыруда дискреттеу қадамының маңызы зор. Ол үзіліссіз мәндердің арасындағы периодты анықтайды. Физика пәнінен белгілі, период пен жиілік арасындағы байланыс келесі формуламен анықталады:
