Общие понятия и определения. Цели кодирования

Кодирование − операция отождествления символов или групп символов одного кода с символами или группами символов другого кода.

Код (франц. code), совокупность знаков (символов) и система определенных правил, при помощи которых информация может быть представлена (закодирована) в виде набора из таких символов для передачи, обработки и хранения (запоминания). Конечная последовательность кодовых знаков называется словом. Наиболее часто для кодирования информации используют буквы, цифры, числа, знаки [например, «−» (тире), «.» (точка)] и их комбинации].

Рассмотрим обобщенную схему передачи цифровой информации (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Схема передачи цифровой информации.

Рассматриваемые ниже принципы кодирования информации справедливы как для систем, основная задача которых – передача информации в пространстве (системы связи), так и для систем, основная задача которых – передача информации во времени (системы хранения информации). В последних линией связи считается среда, в которой хранится информация.

Если источник информации вырабатывает непрерывное сообщение, между ним и кодером источника следует установить квантователь по уровню и дискретизатор по времени.

Если же приемник требует представления информации в виде непрерывного сигнала, на выходе декодера источника ставится цифро-аналоговый преобразователь и, возможно, устройство интерполяции для уменьшения ошибки воспроизведения.

На вход кодера источника поступает последовательность символов, входящих во множество, называемое первичным алфавитом.

Кодер преобразует эту последовательность в другую, составленную чаще всего из других знаков, множество которых образует вторичный алфавит.

Если операции кодирования-декодирования выполняются ком­пьютером и промежуточное представление информации человеку не требуется, эти алфавиты чаще всего состоят из 2 букв – 0 и 1 или истина и ложь. Это связано с особенностями современных цифровых устройств и их элементной базы.

Поскольку объем вторичного алфавита, как правило, меньше объема первичного алфавита и в виду особенностей алгоритмов кодирования каждой букве или группе букв первичного алфавита ставится в соответствие группа букв вторичного алфавита, которую называют кодовой комбинациейили кодовым словом. Число символов (букв вторичного алфавита) в кодовой комбинации называют ее значность.

Коды, вторичный алфавит которых состоит из двух букв, обычно 0 и 1, называют двоичными.

Для кодовых слов двоичных кодов определено понятие веса кодового слова. Под весом кодового словапонимают количество символов 1, входящих в это кодовое слово.

Операция образования последовательности кодовых комбинаций по последовательности букв или комбинаций первичного алфавита называется кодированием. Выполняется кодирование при помощи кодера, который может быть устройством, программой или аппаратно-программным комплексом.

Обратная операция называется декодированием и выполняется декодером.

Кодирование выполняется для защиты, удобства хранения и обработки информации, что имеет место в компьютерной технике, и с теми же целями в системах связи.

Решающий вклад в теорию передачи информации в конце 40-х годов, как известно, внес американский ученый Клод Шеннон. Он обосновал, в частности, эффективность ввода в систему передачи информации кодирующих-декодирующих устройств, основное назначение которых – согласование свойств источника сообщений со свойствами канала связи.

Одно из них – кодер источника – обеспечивает такое кодирование, при котором путем устранения избыточности существенно уменьшается объем данных, передаваемых по каналу связи.

Такое кодирование называется эффективным или оптимальным.

При наличии помех в канале связи это кодирование преобразует данные в форму, удобную для последующего помехоустойчивого кодирования.

Помехоустойчивое кодирование выполняется кодером канала. Его назначение следует из названия – борьба с искажениями, возникающими вследствие помех, действующих в канале связи.

Таким образом, при помощи кодера источника на основе статистических характеристик кодируемого сообщения уменьшается его объем, а при помощи кодера канала на основе статистических характеристик, действующих в канале помех, обеспечивается восстановление передаваемых через канал данных.

Такое разделение существенно упрощает исследование и проектирование кодеров-декодеров.

В случае малой избыточности можно отказаться от использования кодера-декодера источника. При малой же интенсивности помех в канале связи целесообразно отказаться от помехоустойчивого кодирования и, соответственно, кодера-декодера канала.

Носителями информации в конкретных линиях связи являются сигналы, которые для этого подвергаются модуляции. Модуляция и обратное преобразование – демодуляция – также выполняются с помощью предназначенных для этого устройств – модуляторов и демодуляторов. Подробнее вопросы, связанные с модуляцией будут рассмотрены в одном из следующих разделов курса. Отметим только, что в случае хранения информации в оперативной памяти компьютера, модуляция не используется. Модуляция-демодуляция используется в компьютерных сетях, для чего предназначены устройства, называемые модемами.