ЗРАЗОК ОФОРМЛЕННЯ ТИТУЛЬНОГО АРКУША

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА 4

Тема:Iнформацiйнi основикомп`ютерної технiки.

Мета роботи: опановування особливостей понять iнформацiї, дискретних сигналiв, технологій дискретизації iнформацiї та простих еквiвалентних перетворень.

Базові поняття:інформація; властивостi інформації; аналоговi й дискретнi сигнали;дискретизацiя інформації; простi еквiвалентнi перетворення.

1 ОСНОВНІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

1.1 Поняття та властивості інформації, аналогові й дискретні сигнали, дискретизація інформації

Провідну роль для розвитку науково-технiчного прогресу вiдiграє кiбернетика, що розглядає загальнi закони управлiння.

Об`єктом кібернетики є абстрактнi системи, що пiддаються управлiнню та розглядаються як сукупностi взаємопов`язаних об`єктiв, спроможних отримувати, зберiгати, передавати та переробляти iнформацiю.

Виникнення та розвиток кiбернетики нерозривно пов`язанi з розвитком комп`ютерної технiки.

Відповідно, основними технiчними засобами розв`язування кiбернетичних задач стали комп`ютери.

Кiбернетика, комп`ютерна технiка та галузi їх застосування оперують поняттям інформації, а вci процеси в комп`ютерних системах i комплексах пов`язано зi зберiганням, перетворенням i передачею iнформації.

Інформація є найважливiшим, найзагальнiшим i найсуперечливiшим поняттям сучасної науки, що має ряд взаємодоповнюючих тлумачень.

Поняття інформації має властивість загальності, є дуже потужним і містким поняттям, яке необхідно брати до уваги при розгляді будь-яких процесів у природі та суспільстві й яке охоплює весь світ (історію; томи наукових досліджень; твори поетів і прозаїків; розмаїтість речей та явищ тощо).

Оскільки, в процесі практичної діяльності, людина одержує, зберігає, обробляє та передає різноманітну інформацію про навколишній світ, то інформація, в першу чергу, означає для людини відомості про довкілля та процеси, що протікають у ньому, сприймаючися різноманітними інформаційними системами (живими організмами, керуючими машинами тощо).

Засновник кiбернетики Н. Вiнер сформулював визначення, згідно якого, iнформацiя є інформацією, а не матерією та не енергією.

Нині термiн інформація вважається iнтуїтивно зрозумiлим абстрактним поняттям, що не має єдиного чiткого визначення, оскільки набуває в рiзних галузях знань рiзного змiсту.

Згiдно сучасних офiцiйних документiв мiжнародного рiвня, термiн iнформацiя рекурсивно спирається на термiн данi.

У серiї cтандартiв «ISO/IEC 2382 Information technology vocabulary», що утворюють систематизований термiнологiчний словник з комп`ютерної технiки та її застосувань, у документi «ISO/IEC 2382-1:1993 Fundamental terms» застосовуються наступні визначення:

- 01.01.02 Iнформацiя (у процесах її обробки) ˗ будь-який факт, поняття або значення, отриманi з даних (01.01.03), а також контекст, обраний зi знань, або контекст, асоцiйований зi знаннями;

- 01.01.03 данi ˗ подання iнформацiї (01.01.02) в деякому формалi-зованому видi, придатному для передачi, iнтерпретацiї або обробки.

Зазначимо, що початкові витоки походження слова інформація є латинськими.

Спочатку під словом інформація мали на увазі уявлення, поняття, потім – відомості, передачу повідомлень.

Термін повідомлення позначає інформацію, призначену для передачі від одного об'єкту до іншого.

Повідомлення про подію, яка може мати два однаково можливих результати, містить одну одиницю інформації – біт (binary digit, двійковий розряд).

Таким чином, біт дорівнює кількості інформації, що міститься в повідомленні про те, що певний об'єкт знаходиться в одному з двох рівноможливих станів.

Повідомлення передають за допомогою сигналів.

Сигнал являє собою зміну фізичної величини, що несе в собі певну інформацію.

Сигнали можуть бути найрізноманітнішими (електричними, звуковими, оптичними, у вигляді позначок або дотиків тощо), але їх об`єднує те, що фізичне середовище змінюється та зазначена зміна має значення.

Наприклад, електричний сигнал являє собою зміну струму або напруги, що здійснюється відповідно до змісту того повідомлення, що передається.

Виходячи з вище сказаеого, інформацiю можна охарактеризувати рядом властивостей, серед яких слід відзначити наступні:

1) iнформацiя приносить ті знання про оточуючий світ, яких до її отримання не було, зменшуючи ступiнь невизначеностi та неповноти знань;

2) фiзично iнформацiя є слiдом, залишеним однією подією на iншiй, а для передачi інформації може використовуватися будь-яке фiзичне явище (електромагнітні хвилі, свiтло, звук тощо);

3) iнформацiя, не будучи матерiальною, є невiддiльною вiд матерїї, фіксується в матерiальнiй формi (повiдомленні) та передається за допомогою матерiальних носiїв (сигналів).

Важливо відзначити те, що, з інформаційної точки зору, можливі два підходи до вивчення явищ дійсності - неперервний i дискретний.

Неперервне повідомлення є зміною фізичної величини, що з часом може в заданому інтервалі набувати не окремих, а будь-яких значень (наприклад, зміна температури, тиску, напруги тощо).

Аналоговий (неперервний) сигнал представляється фiзичною величиною (електричною напругою, струмом, свiтлом, звуком тощо), змiна якої в часi вiдображає вiдповiднi змiни в часi розглянутого процесу.

Фiзична величина, що передає неперевний сигнал, може приймати будь-якi значення в деякому iнтервалi змiни значень у довiльнi моменти часу.

Дискретне повідомлення є послідовністю окремих елементів (цифр, літер, імпульсів), в якій закодовано інформацію про зміну фізичної величини.

Елементи, з яких складається дискретне повiдомлення, називають символами (лiтерами).

Набiр символiв, з яких може складатися дискретне повідомлення, утворює алфавіт.

Кiнцеву послiдовнiсть символiв алфавiту називають словом.

Формування дискретного повiдомлення здiйснюється шляхом вибору слова в деякому алфавiтi з сукупностi всiх припустимих для даного алфавiту слiв.

Дискретнi сигнали характеризуються фiксованим набором елементiв, iз яких у деякi моменти часу формуються рiзнi послiдовностi.

Оточуючий свiт не є дискретним: бiльшiсть iнформацiї, з якою ми маємо справу у повсякденному життi, передається за допомогою аналогових сигналiв.

Однєю з головних причин того, що переважна частка сучасної комп`ютерної технiки є цифровою, являючи собою машини дискретної дiї, становить те, що дискретнi сигнали простiше зберiгати й обробляти, вони в меншому ступенi пiддаються перекручуванню пiд впливом перешкод.

Для того, щоб використовувати засоби комп`ютерної техніки для зберiгання, передачi й обробки iнформацiї, має бути виконана дискретизацiя ˗ перехiд вiд аналогового (неперервного) подання сигналу до дискретного подання.

Процес дискретизацiї передбачає двi основнi складовi:

Дискретизацiя за часом;

Квантування за рiвнем.

Відзначимо, що аналоговi (неперевнi) сигнали описують неперервними функцiями часу x(t), якi визначають рiвень сигналу x у моменти часу t.

У пiдсумку дискретизацiї за часом, функцiя x(t) неперервногочасуперетворюється на функцiю x(ti) дискретного аргументу ti шляхом вимiрювання миттєвих значень аналогового сигналу через рiвнi промiжки часу T (рисунок 1).

а)

б)

Рисунок 1 - Вихідний сигнал (а) і відповідний дискретизований сигнал (б)

Теоретичне обгрунтування процесу дискретизацiї за часом надає теорема Котельникова (Найквiста): якщо аналоговий сигнал x(t) має обмежений спектр, то вiн може бути вiдновлений однозначно та без втрат за його дискретними вiдлiками, взятими з частотою дискретизацiї fдискр > 2ˑFmax

або з перiодом дискретизацiї Тдискр < 1/(2ˑFmax), де Fmax є максимальною частотою в спектрi.

У цифровiй обробцi сигналiв, ту частоту, що дорiвнює половинi частоти дискретизацiї (fдискр/2), називають частотою Найквiста.

Квантування за рiвнем полягає в тому, що миттєвi значення аналогового сигналу, вимiрюванi в процесi дискретизацiї за часом, округлюють до найближчого з декiлькох заздалегiдь визначених рiвнiв значень, кiлькiсть яких завжди береться кратною ступеню двiйки (8, 16, 32 або 64).

Особливості дискретизацiї сигналів за часом і квантування сигналiв за рівнем представлено на рисунку 2.

 

	Неперервний час	Дискретний час
Непе-рервний рівень
Дискрет-ний рівень

Рисунок 2 – Дискретизацiя та квантування сигналiв

Квантування за рiвнем може зменшити обсяг iнформацiї, що пiдлягає запам`ятовуванню, наприклад: на рисунку 2, сигнал пiсля квантування має лише чотири рiвнi, в підсумку чого, його можна запам`ятовувати не за миттєвими значеннями, що можуть бути великими числами, а за номерами рiвнів, що являють собою невеликі двобiтові числа.

Пристрій аналогово-цифровий перетворювач (АЦП, англ. Analog- to-Digital Converter, ADC) реалізує процес дискретизації, перетворюючи вхiдний аналоговий сигнал на дискретний код (цифровий сигнал).

Пристрій цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП, англ. Digital-to-Analog Converter, DAC) реалізує процес, що є зворотним до дискретизації, перетворюючи дискретний код (цифровий сигнал) на аналоговий сигнал.

Дискретизацiя за часом i квантування за рiвнем використовуються в процесi iмпульсно-кодової модуляцiї (IКМ) аналогових сигналiв (англ. Pulse Code Modulation, PCM).

Слід відзначити, що в цифровій техніці повідомлення передають за допомогою послідовності сигналів, які являють собою імпульси.

Електричним імпульсом називають тимчасове відхилення струму або напруги від певного сталого значення.

Режим роботи обладнання під впливом електричних імпульсів називають імпульсним режимом.

Імпульси поділяють на відеоімпульси та радіоімпульси (рисунок 3).

Відеоімпульси є однополярними відхиленнями струму або напруги заданої форми.

Радіоімпульси є відрізками високочастотних синусоїдальних коливань, для яких огинаюча задається радіоімпульсом.

Рисунок 3

За формою, імпульси розрізняють на наступні основнi види (рисунок 4):

1) прямокутні імпульси;

2) трикутні імпульси (тривалість наростання фронтів є співрозмірною з тривалістю імпульсів);

3) дзвоноподібні імпульси;

4) пилкоподібні імпульси (тривалість одного фронту є набагато меншою за тривалість іншого);

5) східчасті імпульси (різновид пилкоподібних імпульсiв, де наростання тривалості фронтів відбувається не за лінійним законом, а дискретно);

6) дельта-імпульси (тривалість імпульсу вважається рівною нулю);

7) трапецеїдальні імпульси (відображають той стан справ, що процес переходу від одного значення напруги до іншого має певну тривалість, виходячи з чого, реальних прямокутих імпульсів не існує).

Рисунок 4

Розглянемо параметри імпульсних сигналів.

Основними параметрами імпульсів є наступні (рисунок 5):

- амплітуда (А);

- період (Т);

- тривалість (ti).

Рисунок 5

Похідними параметрами імпульсів, якi визначаються з основних параметрiв, є наступні:

- частота f = 1 / Т;

- тривалість паузи tп = Т - ti;

- шпаруватість (щілинність) Q = T / ti.

Залежно від шпаруватості (величини Q = T / ti), визначається тип імпульсної послідовності:

- меандровi iмпульси (Q = 2);

- радіолокаційнi iмпульси (Q > 1000);

- додатнi iмпульси (Q >= 1);

- від'ємнi iмпульси (Q <= 1).

Величина, зворотна до шпаруватості, називається коефіцієнтом заповнення: K = 1 / Q.

Допоміжними параметрами електричних імпульсів є наступнi:

- тривалість фронту наростання (t0-1);

- тривалість спаду (t1-0);

- спад вершини (∆U).

Розглянемо основні переваги цифрової техніки й імпульсного способу передачі сигналів порівняно з аналоговими пристроями й аналоговим (неперервним) способом передачі.

Першою перевагою імпульсного способу передачі є висока якість передачі цифрових сигналів.

При роботі в iмпульсному режимі, спотворення інформації через наявність шумів значно знижуються, оскільки виявляється достатнім, щоб рівень імпульсного сигналу тільки перевищував рівень шумів.

На противагу, навіть незначна зашумленість аналогового сигналу призводить до зникнення тiєї частини повідомлення, амплітуда якої є нижчою рівня шумів.

На рисунку 6 проілюстроване наступне:

- при передачі аналогового сигналу (рисунок 6а), та частина повідомлення, амплітуда якої була нижчою рівня шумів, не буде прийнята;

- при імпульсній передачі (рисунок 6б), усі чотири представлених імпульси будуть передані, а для того, щоб повністю відтворити інформацію, необхідно тільки відфільтрувати корисний сигнал і підсилити його.

Рисунок 6

Другою перевагою імпульсного способу передачі є простота технічного обслуговування.

Оскільки більшість цифрових схем, навіть найскладніших, побудовано з елементарних уніфікованих вузлів, то, в підсумку ускладнення пристрою, збільшується лише кількість простих вузлів.

Третьою перевагою імпульсного способу передачі є економічність імпульсних пристроїв.

Під час того, як цифрові схеми працюють в імпульсному режимі, транзистори можуть бути тільки повністю відкритими або закритими, а тому споживання енергії є значно меншим.

Відповідно, зменшується вплив температури на роботу транзисторів.

У цілому, вплив температури та розкид параметрів напівпровідникових приладів не відбиваються істотно на роботі імпульсних пристроїв.

1.2 Прості еквівалентні перетворення

Згідно вище сказаного, за допомогою дискретизацiї за часом i квантування за рiвнем, аналоговий (неперервний) сигнал може бути перетворений на дискретний сигнал, i всi подальшi перетворення сигналу можуть виконуватися у дискретнiй (цифровiй) формi.

За критерiєм складностi, окремо видiляють клас перетворень iнформацiї, що отримали назву простих перетворень iнформацiї.

Простим перетворенням iнформацiї називають таке перетворення, що полягає в замiнi кожної лiтери повiдомлення, представленого у вихiдному алфавiтi X, на певну комбiнацiю лiтер кiнцевого алфавiту Y.

Наведемо приклади простих перетворень iнформацiї:

˗ множина X = {0, 1, 2, 3}, множина Y = {a, b}, перетворення полягає в замiні лiтер 0, 1, 2, 3 iз X на певні попарні комбiнацiї з лiтер a i b, такі як 0 -> aa, 1 -> ab, 2 -> ba, 3 -> bb);

˗ множина X = {0, 1, 2, 3}, множина Y = {•, ‒ }, перетворення полягає в замiні лiтер 0, 1, 2, 3 iз X на певнi попарні комбiнацiї з лiтер •i ‒, такі як 0 -> • •, 1 -> • ‒, 2 -> ‒ •, 3 -> ‒ ‒);

˗ множина X = {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7}, множина Y = {0, 1}, перетворення полягає в замiні лiтер 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 iз X на певнi потрійні комбiнацiї з лiтер 0 i 1, такі як 0 -> 000, 1 -> 001, 2 -> 010, 3 -> 011, 4 -> 100, 5 -> 101, 6 -> 110, 7 -> 111.

Таким чином, за допомогою простих еквiвалентних перетворень, дискретну iнформацiю, задану в будь-якому вихiдному алфавiтi, можна представити у двохлiтерному кiнцевому алфавiтi.

Інформаційні основи цифрових автоматів охоплюють поняття про перетворення інформації, перетворювачі інформації, алфавітні оператори та проблеми їх задавання.

З абстрактної точки зору, перетворення інформації є відображенням множини слів у деякому алфавіті у множину слів в іншому алфавіті.

Пристрій, що перетворює інформацію, називають перетворювачем інформації (наприклад, радіоприймач, який перетворює електромагнітні хвилі на голос; людина, що вирішує задачу - на вхід надходить постановка задачі, а на виході отримується її рішення).

Перетворення інформації, що є, взагалі кажучи, частковими, також називають алфавітними операторами.

Проблема задавання алфавітного оператору зі скінченною областю визначення вирішується тривіально, наприклад: за допомогою двовимірного масиву, у лівій частині якого зберігаються елементи області визначення, а в правій – відповідні елементи області значень.

Основною проблемою визначення алфавітних операторів є проблема знаходження способів задавання алфавітних операторів із нескінченною областю визначення за допомогою скінченних засобiв.

Важливим різновидом алфавітних операторів є абстрактні автомати (АА).

3 КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ

1. Пояснити специфiку поняття інформації.

2. Сформулювати властивостi інформації.

3. Пояснити основнi вiдмiнностi аналогових i дискретних сигналiв.

4. У чому полягає процес дискретизацiї інформації ?

5. Що являють собою простi еквiвалентнi перетворення ?

6. Розкрити iнформаційні основи цифрових автоматів, акцентуючи увагу на поняттi інформації й особливостях неперервного та дискретного підходiв до вивчення довкiлля пiд інформаційним кутом зору.

7. Обгрунтувати універсальність алфавітного способу подання інформації та його значення.

8. Розкрити поняття перетворення та перетворювачів інформації.

9. Що являють собою алфавітні оператори та проблеми їх задавання ?

4 ІНДИВІДУАЛЬНІ КОНТРОЛЬНІ ЗАВДАННЯ

ЗАВДАННЯ 1.

Виконати генерацiю та вiзуалiзацiю одного з наведених нижче видiв iмпульсiв, застосовуючи iнструментальне середовище вiдповiдної спецiалiзованої програми (MatLAB, Electronics Workbench тощо):

1) прямокутнi імпульси;

2) трикутні імпульси;

3) дзвоноподібні імпульси;

4) пилкоподібні імпульси;

5) східчасті імпульси;

6) дельта-імпульси;

7) трапецеїдальні імпульси;

8) меандровi iмпульси;

9) радіолокаційнi iмпульси;

10) додатнi iмпульси;

11) від'ємнi імпульси;

13) інші види імпульсів (за узгодженням із викладачем).

ЗАВДАННЯ 2.

Етап 1.Задати вихiдний алфавiт X, який мiстить n лiтер, i кiнцевий двохлiтерний алфавiт Y (значення n слiд взяти з таблицi 1, згiдно з iндивiдуальним номером варiанту; вибiр конкретного складу лiтер алфавітів X i Y може бути довiльним).

Етап 2.Задати просте еквiвалентне перетворення інформації, що буде полягати в однозначнiй замiнi кожної лiтери повiдомлення, представленого у вихiдному алфавiтi X, на певну комбiнацiю лiтер кінцевого алфавiту Y.

Етап 3. Сформувати дискретну iнформацiю, задану в вихідному алфавiтi X, i за допомогою простого еквiвалентного перетворення, визначеного на етапi 2, представити її у двохлiтерному кiнцевому алфавiтi Y.

Таблиця 1

Додаток А

Вимоги до оформлення, захисту та оцінювання

лабораторних робіт

Під час захисту лабораторної роботи, студент повинен здійснити:

− коротке викладення теоретичних основ і змісту визначальних етапів виконання роботи;

− демонстрацію результатів роботи;

− відповіді на питання викладача;

− подання підсумкового звіту про виконання роботи.

Звіт з лабораторної роботи повинен містити такі складові частини:

− титульний аркуш (зразок оформлення знаходиться далі, в Додатку Б);

− формулювання теми та мети лабораторної роботи;

− постановка індивідуального контрольного завдання на лабораторну роботу;

− покроковий опис ходу виконання роботи;

− опис результатів, отриманих у процесі виконання роботи;

− висновки;

− перелік використаної літератури.

Звіт про виконання лабораторної роботи може бути оформлений у наступній формі:

− письмовий (рукописний, друкований, електронний тощо);

− усний (доповідь, прокоментований показ на комп’ютері, озвучений слайдовий показ тощо);

− письмово-усний.

Електронний, усний і письмово-усний варіанти звіту припускаються тільки за дозволом викладача в тому разі, якщо студент вільно володіє темою та здатен доповісти її лаконічно, дохідливо та наочно в усній формі.

оцінку за виконання лабораторної роботи виставляють, згідно з існуючими положеннями, за однією з наведених нижче шкал, із наступним переведенням у виміри двох інших шкал:

− за національною шкалою, тобто за чотирибальною системою („відмінно/5”, „добре/4”, „задовільно/3”, „незадовільно/2”);

− за європейською шкалою ECTS, тобто за семибальною системою (“відмінно/A”, “добре/B,C”, “задовільно/D,E”, “незадовільно/FX,F”);

− за стобальною шкалою ХНТУ.

Основними критеріями оцінювання лабораторної роботи є:

− повнота та правильність виконання завдань;

− здатність студента до творчого застосування набутих ним знань, умінь і навичок (диференціації, інтеграції та уніфікації знань; застосування правил, методів, принципів і законів у конкретних ситуаціях; інтерпретації схем, графіків, діаграм; встановлювання різниці між причинами та наслідками; аналізу та оцінювання фактів і подій, прогнозування очікуваних результатів від прийнятих рішень тощо);

− здатність студента викладати матеріал на папері логічно, послідовно, з дотриманням вимог ЄСКД та ЄСТД.

При перевірці результатів виконання лабораторної роботи, виставляють диференційовану оцінку згідно з наступними вимогами:

− „відмінно” виставляють у тому разі, якщо студент виявив: всебічні, систематизовані, глибокі знання програмного матеріалу; вміння вільно виконувати завдання; засвоєння основної та додаткової літератури, що передбачена програмою, на рівні творчого використання;

− „добре”виставляють у тому разі, якщо студент виявив: повне знання програмного матеріалу; вміння виконання завдань; засвоєння основної літератури, що передбачена програмою, на рівні аналогічного відтворення;

− „задовільно”виставляють у тому разі, якщо студент виявив: повне знання основного програмного матеріалу в обсязі, що є необхідним для подальшого навчання та роботи; здатність упоратися з виконанням завдань, які передбачено програмою, на рівні репродуктивного відтворення.

Виконання лабораторної роботи на найвищий бал (оцінку “Відмінно/5/A”) передбачає обов`язкову наявність у звіті з лабораторної роботи елементів творчої роботи над матеріалом (порівняльного огляду, аналізу, формулювання та обгрунтування раціональних пропозицій, створення презентаційних матеріалів тощо), наведення прикладів практичного використання технологій комп'ютерної логіки.

Рекомендовано наступні види завдань творчої та практичної спрямованості:

− проаналізувати приклади ефективного використання технологій комп'ютерної логіки в комп'ютерній підтримці підприємств (організацій, установ) на основі відомостей із фундаментальної та періодичної літератури, власного досвіду;

− проаналізувати поточний стан і розробити пропозиції щодо підвищення ефективності використання технологій комп'ютерної логіки в комп'ютерній підтримці конкретного підприємства (організації, установи) за місцем проходження практики (місцем проживання, роботи тощо).

Виконання лабораторної роботи на оцінку “Добре/4/B,C”) передбачає розкриття поставленого завдання з наведенням прикладів практичного використання операційної системи.

Виконання лабораторної роботи на оцінку “Задовільно/3/D,E”) передбачає достатність розкриття поставленого завдання на основі репродуктивного відтворення матеріалів із запропонованого переліку літератури.

Таблиця А.1

Правила переведення балів внутрішньої 100-бальної шкали ХНТУ

в національну та європейську шкали

Додаток Б

ЗРАЗОК ОФОРМЛЕННЯ ТИТУЛЬНОГО АРКУША

ЗВІТУ ПРО ВИКОНАННЯ ЛАБОРАТОРНОЇ РОБОТИ

12
• 3
• 4
• 5
• 6
• 7
• 8
• 9
• 10
• 11
• 12
• 13
• 14
• 15
• 16
• Далее ⇒