ИНФОРМАЦИОННАЯ ТЕХНИКА.
Королев С.А.
Каф. 2
Литература:
Зиновьев А.Л., Филиппов Л.И. «Введение в теорию сигналов и цепей». М. Высшая школа, 1999
Филипчук Е.В., Королев С.А. «Оценка эффективности алгоритмов обработки информации». МИФИ, 1985
Левин Б.Р., Шварц В. «Вероятностные модели и методы в системах связи и управления». М. радио и связь,1985.
М. Макс «Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях». Т.1,2. М. Мир, 1983.
Куликовский Л.Ф., Мотов В.В. «Теоретические основы информационных процессов». М. Высшая школа, 1987.
Филипчук Е.В., Паханов С.В. «Теория информации и помехоустойчивое кодирование» М. МИФИ, 1989.
Садовский Г.А. «Теоретические основы информационно-измерительной техники», 2008.
Трояновский В.М. «Информационно-управляющие системы и прикладная теория случайных процессов». Учебное пособие, 2004.
Общие положения и определения.
Использование понятия информация в различных сферах деятельности современного общества.
Информация – фундаментальная категория естествознания.
Понятие информации:
в широком смысле информация – формализованное отражение реального мира; в практическом смысле – сведения и данные, являющиеся объектом хранения, передачи, преобразования, восприятия, анализа и управления.
Информация передается и хранится в виде сообщений. Под сообщениями понимается совокупность знаков или значений сигналов, содержащих информацию.
Примеры:
Последовательность или совокупность кодовых слов
Значения физических величин или процессов
Текстовые
Речевые
Графические и т.д.
Для передачи сообщений необходимо использовать определенные физические процессы, то есть сигналы.
Сигнал – изменяющийся во времени физический процесс, отображающий передаваемое сообщение о состоянии объекта наблюдения, значении его параметров, либо передающий команды управления или оценки состояния объекта.
Совокупность технических средств, используемых для передачи сообщений от источника до потребителя, называется системой связи (СС).
Обобщенная структура СС.
Источник сообщения
|
Сообщ. ------ |
Передатчик кодер
|
Сигн. ------ |
Канал |
Прин. сигн. ------ |
Приемник декод
|
Прин. сообщ. ------ |
Получатель
|
|
| | | |
|
||||||
|
Источник шумов
|
|
||||||
Информационная техника – компонент ТК.
ТК – дисциплина, изучающая общие закономерности процессов получения и преобразования информации и управления в технических системах.
Функции ИТ – сбор, переработка, передача, хранение, поиск и предоставление информации.
Основные разделы ИТ:
Информационно-измерительная техника (ИИТ)
Вычислительная техника
Техника передачи информации (техника связи)
Техника хранения и поиска информации
Техника представления и отображения информации
Предмет нашего курса – ИИТ и построение на ее базе ИИС.
ИИТ предназначена для получения опытным путем количественно определенной информации о состоянии физических и технологических процессов, технологических объектов, технических систем и в целом об объектах реального мира.
Данную информацию получают посредством реализации следующих процессов:
Обнаружение событий
Измерение физических величин
Процессы счета
Процессы контроля состояния
Распознавание образов
Диагностика состояния
ИИС – совокупность компонентов ИИТ, реализующих конкретную техническую задачу информационного обеспечения измерений и контроля состояний физических установок и ТОУ. ИИС совершают разнообразные действия над поступающими в систему и несущими информацию сигналами. Процессы выполнения этих действий называют обработкой информации.
Основные типы алгоритмов обработки информации:
Алгоритмы централизованной обработки (дискретизация, квантование, массового обслуживания, сжатия во времени)
Алгоритмы повышения помехоустойчивости и фильтрации
Алгоритмы восстановления сигналов и аппроксимации
Диагностические и тестовые алгоритмы
Алгоритмы вычисления обобщенных показателей
Предмет настоящего цикла ИТ:
Теория сигналов
Теория информации
Алгоритмы обработки информации, в том числе цифровых сигналов
Архитектура, технические средства и проектирование ИИС.
В рамках курса будут рассмотрены основные алгоритмы обработки информации в ИИС, причем будут рассмотрены информационные характеристики алгоритмов, т.е. их эффективность, определяемая как неоднозначность выполняемого преобразования.
Методы исследования характеристик ИИС базируются на математических моделях сигналов, шумов и систем.
Тема 1. Теория сигналов.
Сигнал – физический процесс, содержащий информацию об интересующем нас объекте или процессе – воспроизводится на физическом носителе.
Параметры состояния носителя в общем случае могут быть представлены некоторой функцией времени и координат.
,
где
- параметр состояния
носителя,
– вектор
координат носителя,
– время.
Примеры параметра состояния носителя: I, U, R, S, l и т.д.
- динамический
сигнал,
- статический
сигнал.
В сигнале могут существовать информативные, структурные и идентифицирующие параметры.
Пример:
где
A - информативный параметр,
t – структурный параметр,
0
-
идентифицирующий
параметр.
Сигналы без информативных параметров – кодовые, цифровые.
Виды сигналов (моделей сигналов)
Детерминированный сигнал – сигнал, точно определенный в любой момент времени. Например, аналитическая функция.
Периодический сигнал
– целое,
– период.
Пример:
Любой спокойный периодический сигнал может быть представлен в виде композиции гармонических колебаний с частотами, кратными основной частоте.
ω
=
f=
Примеры
К периодическим сигналам относят:
Гармонические:
Полигармонические:
Полигармонические
сигналы могут включать постоянную
составляющую
и сумму гармонических с любыми значениями
амплитуд гармоник и фаз с частотами,
кратными фундаментальной частоте
,
равной или кратной минимальной частоте
гармоник.
Непериодические сигналы
Понятие
интервала наблюдения
],
Вставка: преимущества гармонического (sin/cos) разложения периодических сигналов.
Информационные параметры детерминированных сигналов
Интервал наблюдения не должен быть меньше (для периодического сигнала) периода основной гармоники:
Максимальное (пиковое) значение на
Постоянная составляющая (среднее значение):
Средневыпрямленное значение:
Среднеквадратичное значение (действующее):
С энергетических позиций - сигналы с бесконечной и конечной (ограниченной) энергией:
Апериодические сигналы без постоянной составляющей.
Импульсные сигналы.
Случайные сигналы
Случайным сигналом называют временную функцию, значения которой априори на интервале наблюдения не известны. Случайный сигнал содержит две компоненты:
Полезный сигнал
Шум (помеха)
Источники помех/шумов:
Внутренние (тепловые шумы)
Внешние:
Индустриальные
Флуктуации внешней среды
Молнии
Специальные наводки
Классификация по временным/ частотным свойствам:
Флуктуационные
Импульсные
Периодические
Основные модели взаимодействия полезного сигнала и шума:
Аддитивные
Мультипликативные
Комбинированные
Типы сигналов:
Аналоговый сигнал:
Дискретный сигнал - последовательность отсчетов:
Квантованный сигнал (по амплитуде):
Цифровой сигнал – дискретный + квантованный
Преобразования типа сигнала:
Дискретизация
Квантование
Аналогово-цифровое (АЦП)
Восстановление (например, ЦАП)
Формы представления математических моделей сигналов:
Во временной области (аргумент время)
В частотной области (аргумент частота)
Представление в частотной области – спектральное.
Спектры детерминированных сигналов