Что такое кодирование и декодирование информации? Алфавит кодирования

Современный мир построен на использовании и передаче информации. Но голосом ведь всем её не донесёшь. Поэтому с давних времён был важен момент кодирования данных, чтобы они могли был прочитаны теми, для кого предназначалось. Постепенно также стало актуальным их шифрование. Необходимо было поместить в сообщение информацию, которая была понятна своим и не раскрыла смысла перед чужими. Обо всём этом мы и поговорим, выясняя, что такое кодирование и декодирование.

Разбираемся с терминологией

Без этого никак. Когда говорят о закодированном тексте, то это значит, что ему был сопоставлен другой набор символов. Это может быть использовано для увеличения надежности или же по той простой причине, что канал может использовать только ограниченное количество символом. Например, двоичный код, на котором работают современные компьютеры, построен на нулях и единицах.

Информация может быть закодирована в определённые символы и для того, чтобы её сохранить. В качестве примера можно привести результаты анализов, где содержатся показатели организма человека. Но наиболее популярным вопросом является такой: "Что такое кодирование и декодирование в информатике?" Искать ответ на него мы и будем.

О значении

Ранее процесс кодирования и декодирования информации играл вспомогательную роль и не рассматривался как отдельное направление математики. Но с появлением электронно-вычислительных машин ситуация существенно изменилась. Сейчас кодирование является центральным вопросом во время решения широкого спектра практических задач в программировании и поэтому пронизывает все информационные технологии. Так, с его помощью:

1. Защищается информация от несанкционированного доступа.
2. Обеспечивается помехоустойчивость при передаче по каналам связи данных.
3. Представляется информация произвольной природы (графика, текст, числа) в памяти компьютера.
4. Сжимается содержимое баз данных.

Об алфавите

Говоря о том, что такое кодирование и декодирование, сложно обойти вниманием основу всего этого. А именно, алфавит. Выделяют два вида – исходный и кодовый. В первом имеется начальная информация. Под кодовым подразумеваются изменённые данные, которые тем не менее могут при наличии ключа передать нам зашифрованное содержимое. В информатике для этого используется двоичный код, в основу которого положен алфавит, состоящий из нуля и единицы.

Давайте рассмотрим небольшой пример. Допустим, у нас есть два алфавита (А и Б), что состоят из конечного числа символов. Допустим, они выглядят следующим образом: А = {А0, А1, А2….А33}, Б = {Б0, Б1, Б3…Б34}. Элементы алфавита – это буквы. Тогда как их упорядоченный набор называется словом. У него есть определённая длина. Первая буква слова называется началом (префиксом), тогда как последняя - окончанием (постфиксом). Могут существовать различные правила построения конструкций. Например, одни системы кодирования информации требуют, чтобы был пропуск между словами, вторые обходятся без него. В целом алфавит необходим для построения универсальной системы отображения информации, её хранения, обработки и передачи. При этом предусматривается определённое соответствие между различными сигналами и элементами сообщений, которые в них зашифрованы.

Работа с данными

Когда информация преобразовывается в первоначальный вид, то происходящий при этом процесс называется декодирующим. Он должен выполняться по отношению к любым данным, что были зашифрованы. При этом используется так называемое обратное отображение (биекция). Давайте рассмотрим ситуацию с двоичной системой. У неё все кодовые слова обладают одинаковой длиной. Поэтому код называют равномерным (блочным). При этом кодирующей функцией выступает определённая подстановка. Можно взять в качестве примера вышеприведенную систему алфавита. Для обозначения определённых последовательностей используется множество элементарных кодов.

Допустим, что у нас есть А0 = {А, Б, В, Г} и Б0 = {1, 0}. Каким образом это можно представить компьютеру? А используя вот такую последовательность: А = 00, Б = 01, В = 10, Г = 11. Как видите, каждый символ имеет определённую кодировку. В компьютерную технику заносится справочная информация про алфавит кодирования, и она начинает ждать поступающих сигналов. Приходит нуль, за ним ещё один – ага, значит, это буква А. Если проводить параллели с набором слова в текстовом редакторе, то следует отметить, что будет передана не только одна буква, но и запущена соответствующая реакция на неё. Например, загорится определённая последовательность светодиодов монитора, где отображаются все введённые символы.

Специфика работы

Говоря про примеры кодирования и декодирования информации, следует отметить, что рассматриваемая система не является взаимно-однозначной. Например, букве А может соответствовать комбинация не только 00, но и 11, 10 или 01. Но при этом следует учитывать, что может быть только что-то одно. То есть за комбинацией закрепляется исключительно только определённый символ. Если схема кодирования подразумевает разделение любого слова на элементарные составляющие, то она называется разделимой. В случаях, когда одна буква не выступает в качестве начала другой, это префиксный подход. Это относится к вопросам программно-аппаратной составляющей. Определённое влияние на кодирование оказывает и архитектура, но из-за большого количества вариантов реализации рассматривать её довольно проблематично.

Побуквенное кодирование

Это наиболее простой подход. Если говорить про языки кодирования информации, то, пожалуй, это наиболее популярный вариант. В ограниченном варианте он был рассмотрен выше. Давайте узнаем, как выглядит код без разделителей. Допустим, у нас есть алфавит (исходный), в который помещены все русские буквы. Для кодирования используются десятичные цифры. Здесь А = 1, а Я = 33. Таким образом, последовательность букв АЯЯА можно передать как 133331. Если есть желание сделать алфавит равномерным, то необходимо внести определённые изменения. Так, для первых девяти букв придётся добавить по нулю. И рассмотренный нами пример АЯЯА превращается в 01333301.

Неравномерное кодирование

Рассмотренный ранее вариант считается удобным. Но в определённых случаях более умно сделать ставку на неравномерные коды. Это имеет смысл тогда, когда разные буквы в исходном тексте встречаются с различной частотой. Поэтому более частые символы имеет смысл кодировать короткими обозначениями, а редкие – длинными. Давайте построим бинарное дерево из букв русского алфавита. А на дополнение возьмём спецсимволы. Наиболее часто используются буквы, поэтому начинать мы будем с них: А – 0, Б – 1, В – 10, Г – 11 и так далее. И только после них уже будут использоваться знаки вопроса, процентов, двоеточия и прочие. Хотя, пожалуй, на первое место всё же следует поставить запятые и точки.

Об условии Фано

Теорема гласит, что любой код (префиксный и равномерный) допускает возможность однозначного кодирования. Допустим, что мы используем рассмотренный ранее пример с 01333301. Начинаем двигаться вправо. 0 ничего нам не даёт. А вот 01 позволяет идентифицировать букву А. Немного изменим начальный код и представим его как 01 333301. Далее выделяем первую Я, вторую и ещё одну А. В результате мы имеем 01 33 33 01. Хотя первоначально код был слитным, но сейчас мы можем с легкостью его декодировать, поскольку знаем, что в нём есть. А именно – А Я Я А. При этом заметьте, что он всегда расшифровывается однозначно, и никаких толкований в рамках принятой системы нет, благодаря чему можно обеспечить высокую достоверность передаваемой информации. Но как работают компьютеры?

Функционирование электронно-вычислительных машин

Кодирование и декодирование сигналов компьютерной техники базируется на использовании так называемых низких и высоких сигналов, которым в логическом измерении соответствуют нуль и единица. Что это значит? Допустим, у нас есть микроконтроллер. Если на один его вход поступает низкое напряжение в 1,5 В, то считается, что было передано значение логического нуля. Но если будет передано 5 В, то в соответствующую ячейку памяти будет записана единица. При этом необходимо добиться согласования источника информации с каналом связи. Вообще, при создании электроники необходимо учитывать большое количество различных моментов. Это и энергетические требования, и вид передаваемой информации (дискретная или непрерывная), и многое другое. При этом данные постоянно должны преобразовываться таким образом, чтобы они могли передаваться по каналам связи. Так, в случае с двоичной техникой сигналы представлены в виде напряжения, подаваемого на вход транзисторов или иных компонентов. Во время декодирования данные переводят сообщение в понятный для получателя вид.

Минимальная избыточность

На практике оказалось, что чрезвычайно важным является, чтобы код сообщения имел минимальную длину. Первоначально может показаться, какая разница – шесть, восемь или шестнадцать бит используется для кодирования? Но различия несущественны, если используется одно слово. А если миллиарды? Благо, можно подстроить алфавитное кодирование под все выдвигаемые требования. Но если про множество ничего неизвестно, то в таком случае сформулировать задачу оптимизации довольно трудно. Но на практике, как правило, всё же можно получить дополнительную информацию. Рассмотрим небольшой пример. Допустим, у нас есть сообщение, представленное на естественном языке. Но оно закодировано, и мы не можем прочитать его. Что нам поможет в задаче расшифровки? Как один из возможных вариантов – листок бумаги, на котором распределена вероятность появления букв. Благодаря этому построение оптимального кода в плане де/кодирования становится возможным с использованием точной математической формулировки и строгого решения.

Разбираем пример

Допустим, что у нас есть определённая разделимая схема алфавитного кодирования. Тогда все производные, что представляют собой упорядоченный набор, тоже будет иметь это свойство. При этом если длина элементарных кодов равна, то их перестановка не влияет на длину всего сообщения. Но если размер передаваемой информации напрямую зависит от того, какая последовательность букв, то, значит, были использованы составляющие различной протяженности. При этом, если есть конкретное сообщение и схема его кодирования, то можно подобрать такое решение задачи, когда его длина будет минимальной. Как этого достичь? Давайте рассмотрим подход с использованием алгоритма назначения элементарных кодов, позволяющего результативно подойти к решению задачи эффективности:

1. Следует отсортировать буквы в порядке убывания количественного вхождения.
2. Нужно разместить элементарные коды в порядке увеличения их длины.
3. И как завершение, необходимо разместить составляющие в оптимальном порядке, чтобы наиболее частые символы занимали меньше всего места.

В целом система несложная. Если работать с небольшими объемами данных. Но с современными компьютерами такое реализовать довольно проблематично из-за значительного количества информации.

Заключение

Вот мы и рассмотрели, что такое система кодирования и декодирования информации, какой она может быть, что сейчас существует в информатике, а также множество иных вопросов. Но всё же следует понимать, что эта тема является чрезвычайно объемной, одной статьи для этого недостаточно. Как продолжение темы можно рассмотреть шифрование данных, криптографию, изменение отображения информации в различной электронике, уровни её обработки и множество других моментов. Но отрасль компьютерных наук по праву считается одной из самых сложных, поэтому изучить всё это быстро не получится. К тому же теоретические знания здесь ой как не равны практическим умениям. А именно последние и обеспечивают качественный результат.