1 основные типы электронных средств генерации и преобразования сигналов

Дата: 2025-06-14; Просмотры: 1

Оценка:

0.00 из 5.00 — оценок

Скачиваний: 0

Скачать

1.1 Виды сообщений и сигналов

Обмен информации возможен лишь между источником информации (ИИ) и получателем информации (ПИ), в общем случае называемые абонентами (корреспондентами). Разные определения информации (от лат. – изложение, разъяснение) отражают уровень рассмотрения этого понятия:

– отображение реального мира; некоторые сведения,

– сведения, представляющие что-то новое для получателя (бытовое),

– сведения, являющиеся предметом переработки данных, совокупность каких-либо данных (техническое).

Главное: информация - это не сами предметы и процессы реального мира, а их представление (отражение) в виде описаний, чертежей, формул, образов, чисел и других абстрактных характеристик.

Комплексные информационные технологии (ИТ) включают этапы:

1) формирование информации,

2) переработка информации (формирование сигналов, их преобразование, хранение, обработка, передача, отображение, регистрация);

3) использование результатов работы с информацией.

Для работы с информацией ее разделяют на отдельные фрагменты определенной формы и формата, называемые сообщениями. Сообщения - совокупность ограниченной длины условных знаков, содержащих некоторую информацию; используемые знаки (буквы, рисунки, сигналы) образуют алфавит, из которого по определенным правилам формируется конкретное сообщение; внешне сообщение характеризуется длиной – количеством знаков.

Как правило, переработка сообщений связана с затратами технических и временных ресурсов; поэтому сообщения заменяются набором сигналов. Сигнал (носитель информации) – это физический процесс или параметр, позволяющий зафиксировать знаки алфавита (сообщение) и способный передаваться от источника информации к потребителю. Виды сигналов: звуковые, механические, электрические, оптические, радио, магнитные, электронные, …..

Наибольшее распространение получили электрические сигналы. В них достаточно просто преобразуются другие виды сигналов на этапе формирования: это осуществляется путем изменения физических параметров носителя информации. Процесс передачи сигналов от отправителя к получателю называется связью, а среда распространения сигналов – линией связи (ЛС).

Передача информации между источником и получателем сопровождается разного рода помехами, искажающими сообщения; для борьбы с этими явлениями используют различные средства программного и технического характера. Кроме линий связи в передаче информации используются также преобразователи, передатчик (Прд), приемник (Прм). Сформированная с использованием конкретной линии связи подсистема, обеспечивающая передачу независимых сообщений – называется каналом связи. Объединение каналов связи, источника и получателя сообщения называют системой связи .

Информационная емкость сообщения определяется его длиной и вероятностью появления конкретного сигнала в каждом разряде (элементе). Например, сообщение состоит из двух а1 и а2 независимых и равновероятных элементов (m – число возможных исходов): J=n log₂m=1×log₂2=1бит. Для слова из 7 букв русского языка (при равномерном и независимом распределении букв!) имеем: J=n log₂m=7×log₂32=35.

Избыточность источника информации – относительное количество данных, не влияющих на содержание сообщения; например, излишние слова, союзы, знаки препинания исключают из телеграмм (в русском языке до 50%).

Производительность источника информации – среднее количество информации, создаваемое источником в единицу времени. Канал связи включает ряд средств для преобразования сигналов к удобному для передачи виду, которые обеспечивают требуемую степень достоверности передачи. В общем случае это могут быть модулятор, демодулятор, шифратор, дешифратор, устройства сравнения и голосования, каналы обратной связи.

Достоверность передачи информации оценивается степенью соответствия принятого сообщения переданному (коэффициент ошибок передачи к_ош=N_иск/N_общ , где N_иск – число ошибочно принятых, искажённых элементов сообщения, N_общ – общее число переданных элементов, длина сообщения). Допустимый уровень достоверности передачи оценивается для различных сообщений по-разному (передача музыки, человеческого голоса, цвета, управляющих сигналов, чисел и т.п.).

Взаимодействие непрерывных и дискретных сигналов зависит от природы сообщения. За время DT=t_к–t_н непрерывный сигнал образует бесконечное множество значений в некоторых пределах, которые являются непрерывными функциями времени (телефонные, фототелеграфные сигналы).

Дискретные сигналы могут иметь конечное число значений. При обработке дискретных сигналов все их уровни удобно фиксировать с использованием кодирования цифрами, а далее использовать эти цифры для обработки (такие сигналы называются цифровыми). Применение цифровых сигналов получает всё более широкое распространение в силу их простоты реализации в микроэлектронике и повышенной достоверности.

Одна из важнейших проблем обработки сообщений состоит в замене непрерывного сигнала набором дискретных сигналов и обратно без потери содержания информации.

Наряду с временным представлением сигналов (изменение их значений от времени) важное практическое значение имеет спектральный анализ периодических непрерывных сигналов. Периодическим называется сигнал, значения которого повторяются через определенные равные промежутки времени, называемые периодом Т. Простейшим из них является гармоническое колебание: х(t) =Acos(wt+j).

Для реальных сигналов всегда можно выделить интервал частот Δf_c=f_н–f_в , в пределах которого гармонические составляющие несут основную часть энергии сигнала. На частотах выше f_в и ниже f_н амплитуды гармонических составляющих настолько малы, что ими можно пренебречь. Ограничение спектра частот представления сигнала ведет к его искажению при обработке. Поэтому актуальным является вопрос об определении такой ширины спектра частот сигнала Δf_c для систем разного назначения, при которой на приемной стороне можно принять и восстановить сообщение с достаточно высокой точностью.

Одна из важнейших проблем обработки сообщений состоит в замене непрерывного сигнала набором дискретных сигналов и обратно без потери содержания информации. Замена непрерывного сигнала его значениями, измеряемыми в отдельные моменты времени, называется квантованием по времени (иногда вместо Df берут f_max ). При ограниченном спектре частот используется теорема Котельникова: любая непрерывная функция x(t) с ограниченным спектром частот Df = f_max–f_min полностью определяется конечной последовательностью своих мгновенных значений, отсчитанных через равные интервалы времени Dt £ 1/(2×Df). Следовательно, на интервале времени существования сигнала DТ необходимо иметь n =DT/Dt = 2×Df×DT отсчетов значений функции.

Для полученных дискретных значений сигнала нужно провести квантование по уровню: через выбранные шаги квантования Dх. Чтобы исключить влияние помех, величину Dх надо выбирать в 2 раза больше уровня помех. Квантованные сигналы отличаются большей помехоустойчивостью, чем непрерывные. Это одна из причин преобразования непрерывных сигналов в дискретные перед их обработкой.

Пример. Основная мощность речевых сигналов человека лежит в области 150-600 Гц, хотя ухо человека воспринимает звук в диапазоне 16-20000 Гц. Анализ артикуляции показал, что удовлетворительная разборчивость и сохранение тембра (узнаваемость) обеспечивается в области (300-3400) Гц – эта ширина спектра частот и принята в телефонии.

Пример. В телефонии при f_max =3,4 кГц должно быть n=2×Df×DT=6800 отсчётов в секунду. Если чаще – качество сигнала увеличивается, хотя и незначительно; при более редком – заметно падает.

Пример. Качество сигналов при передаче речи обеспечивает 128 уровней квантования, телевизионного изображения – 30, фототелеграф – 12, текст – 2.

Выводы. Замена реального непрерывного сигнала его основными гармоническими составляющими и теорема Котельникова позволяют определить величину x(t) в любой момент времени по мгновенным дискретным амплитудам. Для увеличения точности замены непрерывных сигналов дискретными надо уменьшить Dt или учитывать больше гармоник разложения основного сигнала.

Обобщёнными физическими параметрами сигнала являются:

а) длительность DТ,

б) ширина спектра частот Df = f_max – f_min ,

в) динамический диапазон сигнала DН характеризует превышение максимальной мощности сигнала Р_с над мощностью возможных помех Р_п: DН=lg(Р_с/P_n),

д) уровень (амплитуда) сигнала.

Для сравнения мощностей сигналов, передаваемых по системе электросвязи, используются логарифмические единицы – децибелы (обозначается дБ, dB). Бел – десятичный логарифм отношения двух мощностей (физическая природа сравниваемых мощностей может быть электрическая, электромагнитная, акустическая, но выражена в одинаковых единицах, например ваттах).

1.2 Первичное преобразование сигналов и сообщений

В соответствие со структурной схемой передачи сообщений на входе и выходе системы имеются устройства, осуществляющие преобразования сообщения в электрический сигнал (датчики): контактные и бесконтактные, дискретные и непрерывные, с чувствительными элементами различной природы. Среди них можно выделить:

- датчики непрерывных и дискретных сигналов температуры, давления, ... ,

- сигнальные датчики пожара, наличия и перемещения предмета или явления (извещатель, клавиатура, перфокарта, излучатель, ... ),

- преобразователи звуковых и видеосообщений (речь, музыка, фото, кино,),

- факсимильные устройства,

- телевизионные устройства,

- телеграфные устройства,

- устройства передачи данных по металлическим и оптоволоконным проводам, водопроводным трубам.

Датчики дискретных сигналов широко используются в системах обработки данных и автоматизированных системах управления технологическими процессами (клавишные устройства: нажатия (тактильные) и прикосновения (сенсорные). контактные и бесконтактные, оптически-имитационные ультрафиолетовые, жёсткие и гибкие). В системах охраны авто информацию формируют более 5 видов датчиков.

Факсимильные сигналы (фототелеграф) передают неподвижные изображения (рисунки, чертежи, текст, фотографии …). Устройство преобразования факсимильного сообщения (изображения) преобразует световой поток, отраженный от изображения, в электрический сигнал; после передачи по ЛС сигнал преобразуется в изображение в приемном факсимильном аппарате. Передаваемое изображение накладывается на барабан передающего факсимильного аппарата, на поверхность которого проектируется (позицируется) точечное световое пятно (или линия), перемещаемое вдоль оси барабана; при вращении барабана осуществляется развертка изображения. Отраженный световой поток воздействует на фотоэлемент, в результате чего в его цепи появляется изменяющийся во времени ток, мгновенное значение которого определяется оптической плотностью (отображающей способностью) элементов изображения.

В приемном аппарате сигнал подается на безынерционную газовую лампу, интенсивность свечения которой пропорциональна мгновенному значению сигнала. Пучок света от нее фиксируется на светочувствительную бумагу, закрепленной на вращающемся барабане. После проявления получается искомое изображение. Кроме оптико-механических устройств с барабанной разверткой нашли широкое применение и плоскостные факсимильные аппараты, а также аппараты с развертывающими устройствами, осуществляющими электронное сканирование элементов изображения.

В волоконно-оптических датчиках оптическое волокно может быть применено просто в качестве линии передачи, а может играть роль чувствительного элемента датчика. В последнем случае используются чувствительность волокна к электрическому полю (эффект Керра), магнитному полю (эффект Фарадея), к вибрации, температуре, давлению, деформациям (изгибу). Многие из этих эффектов в оптических системах связи оцениваются как недостатки, в датчиках же их появление считается скорее преимуществом, которое следует развивать. Современные волоконно-оптические датчики позволяют измерять почти все: давление, температуру, расстояние, положение в пространстве, скорость вращения, скорость линейного перемещения, ускорение, колебания, массу, звуковые волны, уровень жидкости, деформацию, коэффициент преломления, электрическое поле, электрический ток, магнитное поле, концентрацию газа, дозу радиационного излучения и т.д.

1.3 Преобразование спектра сигналов. Виды модуляции

Для передачи сигнала необходимо предоставить соответствующую полосу частот, динамический диапазон системы передачи не должен быть меньше динамического диапазона сигнала, а пропускная способность системы должна быть согласована с информационной ёмкостью сигнала. Здесь есть полная аналогия с системой транспортировки: указывая габариты и массу, мы определяем характер средств транспортировки, цвет товара при этом не играет роли.

Чтобы передать сигнал, нужно воспользоваться каким-либо переносчиком. В качестве среды переносчика естественно использовать те материальные объекты, которые имеют свойство перемещаться в пространстве, например, электромагнитное поле в проводах (проводная связь) и в открытом пространстве (радиосвязь), световой луч (оптическая связь).

Таким образом, в пункте передачи информацию необходимо преобразовывать в сигнал X(t), удобный для его передачи по соответствующей среде распространения, но наделенный всеми признаками первичного сигнала.

Обычно в качестве переносчиков сигналов по форме используются гармонические колебания высокой частоты - несущие колебания х(t)=A cos(ωt+φ). Процесс преобразования первичного сигнала заключается в изменении одного или нескольких параметров несущего колебания по закону изменения первичного сигнала (т. е. в наделении несущего колебания признаками первичного сигнала) называется модуляцией. Модуляцию можно осуществлять изменением одного из из параметров непрерывного и дискретного сигнала:

- амплитуды А (амплитудная модуляция),

- частоты ω (частотная модуляция),

- начальной фазы φ (фазовая модуляция).

По внешнему виду сигнала V(t) трудно различить, какой вид модуляции применен - частотный или фазовый. Поэтому оба эти вида называют угловой модуляцией. Спектр модулированной несущей при угловой модуляции состоит из бесконечного числа дискретных составляющих.

Модуляцию гармонического несущего колебания первичным сигналом S(t) называют непрерывной, так как в качестве переносчика выбран непрерывный периодический сигнал X(t). Особенности непрерывной модуляции:

Þ при амплитудной модуляции ширина спектра модулированного сигнала, как правило, значительно меньше, чем при угловой модуляции; эта экономия частотного спектра для передачи сигнала позволяет в многоканальных системах передачи выделять большее число изолированных каналов;

Þ угловая модуляция более устойчива к воздействию помех и применяется для повышения достоверности передачи, а также в ЛС с большими помехами.

1.4 Технико-экономические показатели систем переработки информации

Сравнение различных систем переработки информации проводиться по различным технико-экономическим показателям, выделяемым обычно в четыре группы:

А. Информационные показатели:

1) скорость переработки информации,

2) пропускная способность,

3) ширина занимаемой полосы частот (∆f),

4) вероятность ошибочного приема единичного элемента сообщения (для дискретных и цифровых систем),

5) отношение сигнал/помеха (дБ).

Критерий сравнения можно сформулировать так: наиболее совершенна та система, которая обладает наибольшей помехоустойчивостью при заданной скорости передачи (повышение скорости передачи обычно приводит к уменьшению помехоустойчивости и наоборот).

Б. Экономические показатели:

6) стоимость (разработки и создания системы, строительство одного канало-километра связи, АРМ-С, …);

7) стоимость эксплуатации системы, строительство одного канало-километра связи, АРМ-С, ….

В. Эксплуатационные показатели:

8) надежность средств и систем переработки информации,

9) число и квалификация обслуживающего персонала,

10) сложность и продолжительность регламентных работ,

11) используемые методы и средства контроля и диагностики неисправностей.

Г. Конструктивно- технологические показатели:

12) сложность устройств и качество аппаратурной реализации на современном уровне научных и технических достижений,

13) уровень унификации оборудования,

14) эргономические показатели.

При оценке эффективности систем необходимо оценивать их не по отдельным показателям, а в целом по совокупности показателей. Методики балльной оценки Парето и Борда, нормализации разнонаправленных критериев изложены в работах [ ]. Существуют обобщенные оценки эффективности, основанные на различных комбинациях технико-экономических показателей, взятых с соответствующими весовыми коэффициентами w_i учитываемых параметров. Для расчёта весовых коэффициентов используются экспертные оценки.

Нормализация разнонаправленных критериев предполагает пересчёт значений максимизируемых критериев по формуле H_ij = (y_ij - y_i ^min)/(y_i ^max - y_i ^min) и минимизируемых критериев по формуле H_ij=(y_i ^max - y_ij) / (y_i ^max- y_i ^min).

Например, для трёх систем А, Б и В известны значения выбранных критериев (максимизируемые критерии К1, К2, К3 и К4, критерий К5 - минимизируемый). Результаты пересчёта приведены в таблице 1.1, где также показаны значения показателя относительного соответствия W(j) =S w_i× H_ij .

Вывод. Максимальное значение показатель относительного соответствия имеет система В, далее следуют системы А и Б.

Таблица 1.1 – Пересчёт разнонаправленных критериев

Для определения весовых коэффициентов w _i критериев создаётся группа экспертов Э1, Э2, …, которые оценивают важность критериев для целей анализа систем разными способами (простейший, простой, парных сравнений, обобщённый). Результаты работы экспертов последним способом, например, приведены курсивом в таблице 1.2; затем по указанным в таблице 1.2 формулам проведена обработка порядковых оценок и получены значения весовых коэффициентов w_i .