Модели процесса передачи данных

Ранее отмечалось, что информа­ция есть результат отражения одного объекта другим. При отраже­нии создается модель системы, которая по своему характеру являет­ся информационной. Однако наличия процесса отражения еще недо­статочно для формирования модели окружающего нас мира. Ин­формационный процесс при отражении должен обладать свойством обогащения информации. Различают структурное, статистическое, семантическое и прагматическое обогащения. Структурное обога­щение предполагает изменение параметров сообщения, отобража­ющего информацию, в зависимости от частотного спектра исследу­емого процесса, скорости обслуживания источников информации требуемой точности. При статистическом обогащении осуществ­ляют накопление статистических данных, обработку выборок из генеральных совокупностей накопленных данных, вычисление дис­персии и т. д. Целью статистического обогащения при передаче информации является снижение избыточности исходных сообщений. Семантическое обогащение означает минимизацию логической формы, исчислений и высказываний, выделение и классификацию понятий, содержания информации, переход от частных понятий к более общим. В итоге семантического обогащения удается обо­бщенно представить обрабатываемую либо передаваемую инфор­мацию и устранить логическую противоречивость в ней. Наиболее важной ступенью для принятия решения является прагматическое обогащение информации, при котором из полученной информации отбирается наиболее ценная, отвечающая целям и задачам пользо­вателя.

Условия реализации информационного процесса в системе. Сооб­щение, отображающее информацию, всегда представляется в виде сигнала. Под сигналом можно понимать изменение состояний неко­торого объекта. В зависимости от физической среды объекта раз­личают механические, электрические, световые, звуковые и другие сигналы. В этом смысле можно считать, что сигнал является отоб­ражением сообщения, однако в реальной жизни возможен и обрат­ный процесс: от материального объекта поступает сигнал, который далее становится источником сообщений. Например, в АСУ от объекта управления могут поступать статические и динамические сигналы. Статические сигналы отображают устойчивое состояние объектов и могут быть представлены в виде положения элемента системы, состояния электронного прибора, текста в документе и т. д. Эти сигналы находят практическое применение при подго­товке, хранении, накоплении информации. Динамические сигналы характеризуются быстрым изменением во времени и могут отоб­ражать изменения электрических параметров в системе. Они ис­пользуются для передачи информации и управления.

На логическом уровне сигналы разделяют на непрерывные и ди­скретные. Непрерывный сигнал отображается непрерывной функци­ей и физически представляет собой непрерывно изменяющееся зна­чение колебаний. Дискретный сигнал определяется конечным мно­жеством значений, которые отображают определенные состояния физической системы. При формализации реальные сигналы отоб­ражаются следующими видами функций:

1. Непрерывная функция непрерывного аргумента. Функция f (t) непрерывна на всем отрезке рассмотрения и описывает реальный сигнал в любой момент времени своим мгновенным значением. Никаких ограничений на выбор значений функций и мо­ментов времени не накладывается.

2. Непрерывная функция дискретного аргумента. Функ­ция f(t_i) непрерывна, но определяется лишь для дискретных момен­тов времени t_i которые выбираются с шагом квантования по време­ни ∆t. Шаг квантования задается исходя из спектральных свойств исходного физического процесса. Данная функция находит применение при переходе от непрерывного представления сигнала к дискрет­ному на основе теоремы Котельникова. Этот процесс получил название квантования непрерывной величины по времени.

3. Дискретная функция непрерывного аргумента. Функ­ция f_j(t) определяется набором конечных дискретных значений на всем интервале времени t для любого момента его. Дискретизация функции осуществляется за счет выбора определенной шкалы кван­тования по уровню. Реальный физический процесс переводится в дискретизированный непрерывный процесс с заданным шагом квантования по амплитуде. Это используется при конструировании датчиков, в которых шаг квантования задается требуемой точно­стью воспроизведения измеряемой величины. Шаг квантования мо­жет быть равномерным и неравномерным. Функция характеризует­ся набором своих дискретных отсчетов, возможности кодирования которых показаны выше.

4. Дискретная функция дискретного аргумента. Функ­ция f_j(t_i) может принимать дискретные значения из конечного мно­жества и определяется лишь в моменты времени t_i. В этом случае осуществляются квантование по времени и квантование по уровню. Физический процесс преобразуется в дискретизированный непрерывный процесс с определенным шагом квантования.

Таким образом, исходный сигнал, снимаемый с реального объекта, по своей природе имеет непрерывный характер. С целью повышения точности измерения он может быть превращен в набор дискретных значений. Как непрерывный, так и дискретный сигналы далее преобразуются в сообщение, что является начальной процеду­рой информационного процесса. Последующей процедурой, связан­ной с передачей, является обратное преобразование (сообщение в сигнал). По назначению информационные процессы разделяют на процессы сбора, подготовки, передачи, хранения, накопления, об­работки, представления информации. Как было выше показано, информация, переданная в систему информационной технологии, превращается в данные, а данные отображаются в виде некоторого носителя-сигнала, т. е. наблюдается непрерывная цепь преобразова­ния: материальный объект — сигнал — информация — данные — сигнал. Сигнал, возникающий как переносчик данных, должен об­ладать свойствами, соответствующими требуемому информацион­ному процессу. При подготовке информации на машинном носи­теле в качестве сигнала, отображающего данные, выступают неко­торые символы в соответствии с принятой системой классификации и кодирования информации. При передаче в качестве сигнала высту­пает переносчик, воздействуя на параметры которого, т. е. модулируя его, можно осуществить передачу данных на требуемое расстоя­ние по выбранному каналу связи. При хранении данные отобража­ется сигналом, фиксируемым в виде состояний ячеек (физической среды) памяти вычислительных средств.

Любой динамический сигнал, отображающий сообщение, может быть обобщенно оценен физическими характеристиками, к которым относятся: длительность сигнала Т, ширина спектра сигнала F, превышение сигнала над помехой Н. Знание этих характеристик необходимо для оценки возможности реализации сигнала на соот­ветствующих программно-аппаратных средствах в реальной систе­ме. Для этого сравнивают физические характеристики сигнала с физическими характеристиками той системы, в которой реализуется информационный процесс. Определим физические характеристики сигнала, отображающего код некоторого сообщения.

Пусть сигнал описывается непрерывной функцией f(t) с плот­ностью амплитудного спектра

где Т — длительность сигнала; w— угловая частота. Заметим, что данному спектру соответствует функция

где F — принятая ширина спектра сигнала.

Если элемент кода представляет собой на физическом уровне прямоугольной импульс амплитуды А и длительности t, то плот­ность амлитудного спектра сигнала составит:

Видно, что для , т. е. s(w)=0 при (рис. 36).

В зависимости от требований к форме импульса принима­ют разные целые значения n. Если n=m, где m>1, то ширина спектра , т. е. m определяется желаемым числом гармоник, входящих в состав рассматриваемого импульса. Чем больше m, тем выше качество импульса. Характерно, что ширина спектра импульса и его длительность являются взаимно обратными величинами. Поэтому с увеличением быстродействия информационного процесса расши­ряется ширина спектра сигнала, реализующего этот процесс. В об­щем случае произведение длительности сигнала на его спектр про­порционально длине кода и коэффициенту n. Превышение сигнала над помехой определяется как . где Р_c, Р_п — мощ­ности сигнала и помехи соответственно. Значения этих мощностей должны замеряться на входе потребителя информации. Обобщен­ную оценку физических характеристик сигнала дает понятие объема V=TFH. Эта величина соответствует объему параллелепипеда, сто­ронами которого являются физические характеристики сигнала. Геометрическое изображение может быть дано в системе коор­динат: время — t, частота — f, параметр мощности — h = log₂P (рис. 37).

Для системы, реализующей информационный процесс, могут быть приняты такие же физические характеристики, т. е. время, предоставляемое системой для данного сигнала, — Т_c ширина полосы пропускания системы — F_c, допустимое превышение сигнала над помехой в данной системе — Н_с. Обобщением этих характеристик может быть физический объем системы V_с=T_сF_сH_с. Для реализации сигналов в данной системе необходимым условием является V£V_c, а достаточными условиями будут Т£Т_с, F£F_с, Н£Н_с. Если соблюдается необходимое условие, то принципиально сигнал может, быть реализован в данной системе. Невыполнение при этом до­статочных условий может быть преодолено за счет преобразования сигнала с помощью отдельных процедур. Постоянство произведе­ния длительности сигнала на ширину спектра позволяет осущест­вить взаимный обмен между этими величинами, т. е. возможны запись и воспроизведение сигнала с различными скоростями при соответствующем изменении ширины спектра. Взаимный обмен между превышениями сигнала и другими физическими характери­стиками возможен за счет операций кодирования либо модуляции. Данный подход широко используется для процесса пере­дачи данных, поскольку при передаче органично присутствуют и кодирование, и модуляция.

При ограниченной мощности сигнала, что соответствует реаль­ной ситуации в технической системе, количество сведений (инфор­мации), которое содержит сигнал, может быть определено как

I=TFlog₂AP,

где А — постоянный коэффициент.

Информация, поступающая с реальных объектов в виде сиг­налов, зачастую существует на фоне действующих помех. В этих условиях возникает проблема выделения полезного сигнала, т. е. полезной информации, если имеют место помехи. Пусть с мате­риального объекта поступает общее количество сведений I₀, включа­ющее в себя информацию сигнала и информацию помех. Если считать, что сигнал и помеха аддитивны, то выделение сигнала возможно в виде I_с=I₀-I_п где I_с — количество сведений, которые содержатся в сигнале; I_п — количество сведений, вносимых поме­хой. Учитывая, что I₀=TFlog₂A(P_c+P_п), I_п=TF log₂ AP_п, получим

Отсюда следует, что выявление сигнала, поступающего от ре­ального объекта, на фоне помех возможно даже в случае, если Р_с<Р_п, так как при этом условии I_с>0. Это создает теоретическую предпосылку реализации информационных процессов при чрезвы­чайно малых уровнях сигналов относительно действующих помех. Количество сведений в сигнале резко уменьшается с ростом уровня помехи.