§ 3. Сигналы и информация

Определения и обозначения

Сигнал — физический процесс или объект, изменение которого может передавать сообщение. Его параметры — например, громкость звука, яркость света или напряжение — позволяют различать передаваемые значения. Сигнал нужен как физический носитель: без него сообщение нельзя доставить на расстояние.

Сообщение — последовательность знаков или сигналов, с помощью которой передают сведения. Одно содержание можно представить словами, жестами, звуковыми импульсами или символами на экране. Понятие сообщения помогает отделить передаваемую последовательность от способа, которым она представлена.

Информация — содержание сообщения, которое может быть воспринято и истолковано получателем. Она не совпадает с физическим сигналом: звук существует как колебание воздуха, а его смысл возникает, когда получатель понимает, что этот звук обозначает. Различение нужно, чтобы не путать носитель сведений с самими сведениями.

Кодирование — представление сообщения с помощью выбранных знаков или сигналов по определённому правилу. Например, договорённость может связывать короткий сигнал с одним ответом, а длинный — с другим. Общее правило необходимо отправителю и получателю, чтобы оба одинаково понимали передаваемое.

Как это устроено

Информация не перемещается от отправителя к получателю сама по себе: для передачи её сначала нужно выразить в сообщении. Отправитель выбирает знаки, кодирует ими содержание и превращает получившееся сообщение в сигнал, который может пройти по каналу связи. Получатель воспринимает физический сигнал и по знакомому правилу восстанавливает сообщение. Если пропустить любой из этих шагов, получателю будет не из чего извлечь нужное содержание.

Сигнал может меняться во времени: звук становится громче или тише, напряжение повышается или понижается, световой источник мигает. Такие изменения могут передавать разные элементы сообщения, потому что отправитель заранее использует параметры сигнала как различимые обозначения. Например, короткое и длинное звучание можно связать с разными знаками. Если же изменение не предусмотрено правилом и никак не связано с контекстом, оно не добавляет получателю сведений.

Чтобы сообщение можно было восстановить, отправитель выбирает способ кодирования, связывающий его элементы с различимыми сигналами. Получателю нужно знать ту же связь: иначе он может принять один сигнал за другой или приписать ему чужое значение. Поэтому передача зависит не только от того, что именно отправлено, но и от общей договорённости о коде. Чем яснее различаются сигналы, тем меньше вероятность спутать соответствующие им знаки.

Один и тот же сигнал не всегда означает одно и то же: его значение может меняться в зависимости от соглашения и ситуации. Красный свет светофора в дорожной обстановке имеет установленный смысл, а красный свет в другом месте сам по себе может ничего не сообщать о движении. И наоборот, одно сообщение можно передать разными сигналами, например произнести слово вслух или показать его на экране. Поэтому нельзя определять смысл только по физическому виду сигнала.

На пути к получателю сигнал может ослабнуть, исказиться или смешаться с помехами. Если короткий импульс будет принят за длинный, получатель восстановит не тот знак, а вслед за ним может ошибиться и во всём сообщении. Помехи опасны именно тем, что мешают различить сигналы, на которых основано кодирование. Повтор передачи или дополнительный признак помогает обнаружить ошибку либо точнее определить, какой сигнал был отправлен.

Сигнал, сообщение и информация

В таблице прослеживается роль каждого понятия в передаче: от физического носителя до смысла, который получает адресат. Пример показывает, как понятия связаны в одной ситуации, а не заменяют друг друга. Используйте строки, чтобы определить, что именно наблюдается, что передаётся и какое правило помогает понять значение.

Разбор задач

Красный сигнал светофора

Условие. На светофоре загорелся красный сигнал. Нужно указать сигнал, передаваемое сообщение и информацию, которую получает водитель. Разделим то, что можно увидеть физически, и смысл, установленный правилами дорожного движения.

1. Определяем сигнал: это свет красного цвета, который водитель воспринимает зрением.
2. Выделяем сообщение: в контексте светофора красный свет обозначает команду остановиться.
3. Формулируем информацию для водителя: движение запрещено, поэтому перед перекрёстком нужно остановиться.

Ответ. Сигнал — красный свет; сообщение — «остановись»; информация — водителю нельзя продолжать движение. Сам цвет является физическим явлением, а его смысл определяется правилами дорожного движения.

Короткий и длинный звуковые сигналы

Условие. Передатчик кодирует слова «да» и «нет» коротким и длинным звуковыми сигналами. Требуется составить правило и определить сообщение в последовательности «короткий — длинный». Для однозначного ответа надо сначала явно задать, какой сигнал соответствует каждому слову.

1. Устанавливаем правило: короткий сигнал означает «да», длинный — «нет».
2. Разбиваем последовательность на два сигнала и применяем правило к каждому по порядку.
3. Первый сигнал — короткий, значит, он передаёт «да»; второй — длинный, значит, он передаёт «нет».

Ответ. При таком правиле последовательность передаёт сообщение «да, нет». Можно выбрать и обратное соответствие, но тогда изменится ответ: поэтому значение нельзя приписывать звуку без предварительного соглашения.

Помеха при передаче четырёх символов

Условие. Сообщение из четырёх символов передают по каналу, где короткий сигнал иногда принимается как длинный. Нужно объяснить возможную ошибку получателя и предложить способ повысить надёжность. Рассмотрим ситуацию через этапы кодирования, передачи и восстановления.

1. Отправитель заменяет каждый из четырёх символов соответствующим сигналом по принятому коду.
2. Канал искажает один короткий сигнал, поэтому получатель принимает его за длинный. При декодировании он подставляет другой символ на место исходного.
3. Чтобы уменьшить риск ошибки, можно повторить сообщение и сравнить результаты. Дополнительный признак или контрольный сигнал тоже поможет заметить, что один из элементов принят неверно.

Ответ. Из-за помехи получатель может восстановить другую последовательность из четырёх символов. Повтор или дополнительный признак делает ошибку заметнее и помогает уточнить исходное сообщение.

Типичные ошибки

Ошибка — считать сигнал и информацию одним и тем же. Их смешивают, потому что в обычной речи говорят, например, «светофор подал сигнал», сразу имея в виду его смысл. Проверьте себя вопросом: что физически принял получатель и какое содержание он из этого извлёк?

Не всякое изменение сигнала несёт информацию: оно должно иметь значение по правилу или в данном контексте. Ошибку допускают, когда любое изменение параметра автоматически принимают за сообщение. Чтобы проверить вывод, спросите, сможет ли получатель по известному коду отличить это изменение и понять, что оно обозначает.

Значение сигнала не всегда очевидно само по себе. Кажется, что знакомый сигнал должен быть понятен всем, но без общего соглашения отправитель и получатель могут истолковать его по-разному. Проверьте себя: можете ли вы назвать правило, связывающее сигнал с сообщением, и знают ли его обе стороны?

Нельзя игнорировать помехи и свойства канала: принятый сигнал может отличаться от отправленного. Это легко упустить, если считать передачу безошибочной и сразу декодировать результат. Сравните возможные варианты: если сигнал перепутан, изменится ли восстановленное сообщение, и есть ли способ обнаружить такую подмену?

Связь с другими темами

Для понимания темы полезно знать, что такое сообщение, знак и код, а также различать объект и его представление. Например, написанное слово не является самим предметом, который оно называет; так же сигнал не тождественен информации. Эти различия помогают точно описывать передачу сведений.

Понятия сигнала и кодирования пригодятся при изучении передачи данных и цифрового представления информации. Они также нужны, чтобы разбираться в каналах связи и в том, почему возникают ошибки при помехах. Позже эти идеи помогают понять принципы помехоустойчивого кодирования — способов обнаруживать и исправлять ошибки передачи.

Что запомнить

• Информация передаётся посредством сообщений.
• Сигнал служит физическим носителем сообщения.
• Значение сигнала определяется кодом и контекстом.
• Отправитель и получатель должны одинаково понимать правило кодирования.
• Помехи могут изменить сигнал и затруднить восстановление сообщения.
• Одно сообщение можно передать разными сигналами.