22.11.2023 / Знаковые системы

Знаки, сигналы и символы. Знаковые системы.

Информация, полученная человеком из опыта, наблюдений или путём размышлений, должна быть некоторым образом зафиксирована в материальной форме для сохранения и сообщения другому человеку. Всю свою историю для сохранения и передачи информации человечество пользуется разнообразными знаками.

Знак

Знак представляет собой заменитель объекта – предмета, явления, действия, свойства или отношения. Знак позволяет передающему информацию вызвать в сознании принимающего информацию образ объекта.

Знаковая система

• Определяется множество всех входящих в неё знаков и правилами оперирования этими знаками.

• Примером знаковой системы является язык, которым человек пользуется для выражения своих мыслей, в общении с другими людьми.

• Каждая знаковая система строится на основе определённого алфавита и правил выполнения операций над знаками.

Форма знаков

В соответствии со способом восприятия знаки можно разделить на зрительные, слуховые, осязательные, обонятельные и вкусовые, причём в человеческом общении используются знаки первых трёх типов.

Зрительные знаки

К зрительным знакам, воспринимаемым с помощью зрения, относятся:

• буквы и цифры, которые используются в письменной речи,

• знаки химических элементов,

• музыкальные ноты,

• дорожные знаки и т.д.

Слуховые знаки

К слуховым знакам, воспринимаемым с помощью слуха, относятся:

• звуки, которые используются в устной речи,

• звуковые сигналы, которые производятся с помощью звонка, колокола, свистка, гудка, сирены и т.д.

Естественные языки

Человек широко использует для представления информации знаковые системы, которые называют языками. Естественные языки начали формироваться ещё в древнейшие времена в целях обеспечения обмена информацией между людьми. В настоящее время существуют сотни естественных языков.

• В устной речи используются различные звуки (фонемы).

• Основа письменной речи – алфавит, набор знаков, которые человек различает по их начертанию.

  • Алфавит русского языка называется кириллицей и содержит 33 знака.

  • Английский язык использует латиницу и содержит 26 знаков.

Формальные языки

В процессе развития науки были разработаны формальные языки, основное отличие которых от естественных языков состоит в существовании строгих правил грамматики и синтаксиса. Например, десятичную систему счисления можно рассматривать как формальный язык, имеющий алфавит и позволяющий не только именовать и записывать объекты, но и выполнять над ними арифметические операции по строго определённым правилам.

Двоичная знаковая система

В процессах хранения, обработки и передачи информации в компьютере используется двоичная система, алфавит, который состоит всего из двух {0,1}. Физически знаки реализуются в форме электрических импульсов, состояний ячеек оперативной памяти и участков поверхностей носителей информации. Именно двоичная знаковая система используется в компьютере, так как он различает только два состояния своих элементов: есть импульс (1) – нет импульса (0).

Сигналы

Для передачи информации на большие расстояния используются знаки в форме сигналов. Примеры включают световые сигналы светофора, звуковые сигналы школьного звонка, электрические сигналы в телефонных и компьютерных сетях, а также электромагнитные волны для передачи сигналов радио и телевидения.

Сигнал может быть непрерывным или дискретным. Аналоговый сигнал непрерывно изменяется по амплитуде и во времени. Дискретный сигнал принимает конечное число значений. Аналоговый сигнал может быть представлен в дискретном виде, например, в виде последовательности чисел.

Символы

Символами называются знаки, для которых связь между формой и значением устанавливается по общепринятому соглашению. Примерами таких знаков являются символы химических элементов, ноты, буквы или цифры.

Равномерные и неравномерные коды. Префиксные коды. Условие Фано.

Равномерный код

Равномерный код означает, что все символы алфавита кодируются кодами одинаковой длины. Это удобно, но не всегда оптимально, так как используются лишние биты.

Неравномерный код

Неравномерный код представляет собой более компактное кодирование, где элементы множества кодируются кодами различной длины. Для однозначного декодирования важно соблюсти условия Фано.

Условие Фано

• Прямое условие Фано: никакой код не совпадает с началом другого, более длинного кода.

• Обратное условие Фано: никакой код не совпадает с окончанием другого, более длинного кода.

Для однозначного декодирования достаточно выполнения хотя бы одного из условий Фано.

Равномерный код

Равномерный код использует коды одинаковой длины для всех символов алфавита. Прост и удобен, но не всегда оптимален, так как может использовать лишние биты.

Неравномерный код

Неравномерный код использует коды различной длины для элементов множества. Более компактен, и для однозначного декодирования важно соблюсти условия Фано.

Прямое условие Фано

Неравномерный код однозначно декодируется, если ни один код не совпадает с началом другого, более длинного кода.

Обратное условие Фано

Неравномерный код однозначно декодируется, если ни один код не совпадает с окончанием другого, более длинного кода.

Рекомендуется начинать решение задач с анализа выполнимости правил Фано для исходных кодов. В зависимости от того, какое из двух правил Фано выполняется, при дальнейшем решении задачи производится сравнение кодов. Если последовательность кодов подчиняется обратному условию Фано, то декодирование ведется с конца. При сравнении пары кодов удобно подписывать более короткий код под более длинным, выравнивая записи по левому (прямое условие Фано) или правому (обратное условие Фано) краю.