Вопросы для самопроверки по теме 1.4

1. Какие органы чувств человека вам известны?

2. Какие из органов чувств человека являются самыми «быстродействующими»?

3. Что такое «латентное» время?

Тема 1.5. Информативность информации. Из­мерительная информация и управляющая информация

Следует сказать и ещё об одном понятии, непосред­ственно связанном с процессом получения и использования ин­формации.

Это "информативность", которая определяет степень достоверности получаемой и используемой информации [3].

Поскольку мы занимаемся вопросами получения информации тех­ническими средствами, то степень информативности следует опре­делять через точность и надежность средств контроля и измерений. Информативность предопределяется, таким образом, техническими возможностями средств измерений и контроля, а также используе­мыми методиками, поэтому количественные оценки информатив­ности будут даны в завершающем разделе курса ФОПИ при рассмотрении конкретных задач получения информации техническими средствами.

Информация может быть представлена в дискретной и анало­говой формах. При передаче или записи информационного сигнала в дискретной форме последний может быть предварительно разбит на свои простейшие части, например на единицы измерения (вольты, амперы, миллиметры, граммы и т.п.).

Поясним это на примере звукового сигнала.

Звук — это слышимые человеком колебания, распространяющиеся в воздухе. Что же представляет собой звук в аудиоаппаратуре? В звуковой аппаратуре звук представляется либо непрерывным электрическим сигналом, либо набором двоичных цифр (нулей и единиц). Аппаратура, в которой звук представляется в форме непрерывного электрического сигнала, называется аналоговой, а сам рабочий сигнал — аналоговым.

Преобразование звуковых колебаний в аналоговый сигнал можно выполнить, например, следующим образом. Мембрана из тонкого металла, расположенная в непосредственной близости с катушкой индуктивности, подключенной в электрическую цепь и находящейся в поле действия постоянного магнита, подчиняясь колебаниям воздуха и колеблясь вместе с ним, вызывает соответствующие колебания напряжения в цепи. Эти колебания как бы моделируют оригинальную звуковую волну. Так работает простейший микрофон. Полученный в результате такого преобразования аналоговый сигнал может быть записан на магнитную ленту и впоследствии воспроизведен.

Аналоговый сигнал может быть преобразован в цифровой — последовательность дискретных значений. В таком виде звуковой сигнал может быть «введен» в компьютер, обработан цифровыми методами и сохранен на цифровом носителе в виде некоторого набора описывающих его чисел.

Важно понять, что аналоговый или цифровой аудиосигнал — это лишь формы представления звуковых колебаний материи, придуманные человеком для того, чтобы иметь возможность анализировать и обрабатывать звук. Сам по себе аналоговый или цифровой сигнал в исходном виде не может быть услышан. Чтобы воссоздать закодированное в цифровых данных звучание, необходимо вызвать соответствующие колебания воздуха, потому что именно эти колебания и есть звук. Это можно сделать, лишь заставив колебаться какой -либо предмет, расположенный в воздушном пространстве (например, диффузор громкоговорителя), в соответствии с колебаниями напряжения в электрической цепи — аналоговым сигналом. Таким образом, чтобы «прослушать» цифровой сигнал, необходимо вернуться к аналоговому, а затем с его помощью заставить колебаться диффузор громкоговорителя. При передаче непрерывных сигналов обычно достаточно передавать не сам сигнал, а лишь последовательность его мгновенных значений, выделенных из исходного сигнала по определённому закону. Квантование сигнала производится по времени, уровню или по обоим параметрам одновременно. При квантовании сигнала по времени сигнал через равные промежутки времени М прерывается (импульсный сигнал) либо изменяется скачком (ступенчатый сигнал). Например, непрерывный сигнал, проходя через контакты' периодически включаемого электрического реле, преобразуется в последовательность импульсных сигналов. При бесконечно малых интервалах включения (отключения), т. е. при бесконечно большой частоте переключений контактов, получается точное представление непрерывного сигнала. При квантовании сигнала по уровню соответствующие мгновенные значения непрерывного сигнала заменяются ближайшими дискретными уровнями, которые образуют дискретную шкалу квантования. Любое значение сигнала, находящееся между уровнями, округляется до значения ближайшего уровня.

При бесконечно большом числе уровней квантованный сигнал превращается в исходный непрерывный сигнал.

Процесс разбивки информационного сигнала на элементарные его части называется квантованием, а сам элементарный сигнал - шагом квантования. Квантование — это процедура замены величины усредненного дискретного отсчета ближайшим значением из набора фиксированных величин — уровней квантования. Термин "квантование" происходит от латинского слова "quantum", что означает "сколько". Процедура оценки, или оценивания, т. е. получение ответа на вопрос "сколько", — это и есть процедура квантования.

Рис. 1.4. Квантование сигнала: а - по времени; б – по уровню;

х_о(t) — исходный сигналу_x{t) — квантованный сигнал; Δt — интервал квантования; Δх — уровень квантования

Чем меньше шаг квантования, тем с большей точностью можно передать результирующий информативный сиг­нал, если технические средства его приема обладают соответст­вующей чувствительностью, т. е. если они способны зафиксировать каждый шаг квантования.

Вспомним DVD – диски с фильмами. Чем меньше шаг квантования, тем хуже изображение, но больше фильмов можно записать на один диск. Ещё несколько лет назад вполне достаточным казалось использовать 256 уровней для квантования телевизионного сигнала. Сейчас считается нормой квантовать сигнал на 1024 уровня.

Конечно, при передаче дискретных сигналов они всегда пере­даются с некоторой ошибкой - вне зависимости от чувствительно­сти приемо-измерительной аппаратуры.

Эта ошибка называется шумом квантования, и считают, что она не превышает шага кванто­вания.

Примером приборов, регистрирующих информацию по дис­кретному принципу, могут быть: счетчик электроэнергии с цифро­вой индикацией, часы с цифровым циферблатом и т. п. Заметим, что все современные ЭВМ, начиная от карманного калькулятора до стационарных, крупных вычислитель­ных машин, работают только на дискретной информации.

При пе­редаче и приеме информативного сигнала в аналоговой форме его квантование не производится, он передается и принимается в виде непрерывных величин - например, в виде текущих значений тока или напряжения и т. п.

Для оценки аналогового сигнала и выраже­ния его в численном значении его обязательно приходится кванто­вать.

Такую процедуру квантования аналогового информационного сигнала при его регистрации выполняют соответствующие прибо­ры или оператор (например, считывая показания со шкалы стре­лочного вольтметра).

Представление информации любых сигналов в дискретной форме и в аналоговой форме удобно при проектировании и исполь­зовании технических средств, работающих соответственно по дис­кретному принципу и аналоговому принципу.

В действительности, т. е. физически аналоговых каких-либо величин, а следовательно, и аналоговых информационных сигналов быть не может.

Объясняет­ся это строением живой и неживой материи. Все в природе, технике и как результат этого и при измерениях чего-либо физическими способами - дискретно. Вопрос только в том, на каком уровне осу­ществляется квантование и каков его шаг.

Поясним это очень важное для нас положение, означающее, что при физических методах получения информации она фактически всегда имеет дискретную форму. Начнем с того, что и природа, включая и все живые организмы и человека, хранит и пе­редает только дискретную информацию. Так, информационную ем­кость любой живой клетки принято оценивать числом и характери­стиками нуклеотидов, т. е. простейших или элементарных носите­лей информации, которые и предопределяют шаг квантования. Дискретность неживой природы и всего того, что мы называем «техникой» доказана еще в курсе физики средней школы: - строе­ние твердого тела, жидкостей и газов - дискретно в смысле их ком­бинационного состава из элементарных материальных частиц.

Последнее означает, что хранимая и снимаемая с материаль­ных тел и веществ информация также должна быть по этой причи­не дискретной. Физические основы получения информации – это, по сути дела технические измерения характеристик физических по­лей и волн, несущих от ОПИ (ОК) интересующую нас информацию.

Отметим еще один важный факт: вся информация подразделя­ется на два принципиально отличающиеся друг от друга вида - это из­мерительная информация и управляющая информация.

Измерительная информация есть результат измерений, и эта информация просто сохраняется как некая совокупность получен­ных знаний и сведений.

Управляющая информация может быть получена не только в результате технических измерений, главное её отличие от перво­го вида – она практически всегда не представляется в явном виде, удобном для непосредственного восприятия человеком, а применяется для управления различными процессами во всех возможных областях деятельности человека.

Все физические поля и волны дискретны. Так, электромагнит­ные поля и волны энергетически описываются квантами энергии, акустические колебания есть колебания элементарных материаль­ных частиц; тепловая энергия также дискретна, так как теплопередача - это колебания материальных, а иногда и элементарных частиц ве­ществ и материалов или тепловое (электромагнитное) излучение нагретых тел. Вся электротехника и электроника также «дискрет­ны» в том смысле, что в их устройствах всегда имеются или «дис­кретные» заряды равные некоторой сумме зарядов одного электро­на, или «дискретные» токи, образующиеся движением суммы от­дельных электронов. Понятно, что значительные заряды и большие токи есть какая-то сумма соответственно неподвижных или движущихся электронов — т.е. дискретных и элементарных частиц материи.

Современная измерительная техника строится на электронной базе и с применением ЭВМ. Для нас это означает, что физические методы получения информации всегда, по существу, будут давать результат в дискретной форме. Другое дело – в целом ряде практи­ческих случаев, например, при проектировании средств измерения и при получении информации с использованием средств измерения удобно использовать аналоговую форму получения и записи сигна­лов.

Есть три весомые причины, заставляющие поступать так и практически не искажающие ре­зультаты измерений.

Первая причина - это современная теоретиче­ская база и современный математический аппарат, разработанные для анализа и синтеза аналоговых сигналов, применение которого и удобно, и эффективно.

Вторая причина - чисто физическая - «шаги квантования» по элементар­ным частицам твердого тела, по величине элементарного электри­ческого заряда, равного заряду одного электрона, наименьшей ве­личины тока в виде перемещения одного электрона и т. п. - по сво­им абсолютным значениям настолько малы, что лежат много ниже реальной и необходимой чувствительности измерительных приборов. Действи­тельно, не существует практических приборов, позволяющих измерить, напри­мер, вес, заряд или ток одного электрона. Даже самые чувствитель­ные технические средства измерения способны регистрировать массы, заряды, токи и т. п., которые в тысячи, а иногда и миллионы раз превышают исходные шаги квантования этих величин.

Третья причина - это шумы, помехи и различные дестабилизирующие факторы, значительно большие, чем минимально возможные шаги квантования, затрудняющие процедуры измерений, а следовательно, и получение достоверной информации с предельно малым шагом квантования. По этим трем причинам физические способы получе­ния информации, основанные на технических измерениях, всегда будут давать некоторый усредненный результат по величине ошиб­Ки, во много раз превышающей возможные предельные шаги кван­тования.

Из вышесказанного можно сделать два основополагающих вывода:

-по существу физические источники информации, информативные сигналы, и сама информация имеет дискретную форму;

-на практике в силу несовершенства технических средств измерений и влияния различных дестабили­зирующих факторов, получаемая информация имеет аналоговую форму, но при необходимости аналого­вая форма получаемой информации может быть переведена в дискретную, но с шагом квантования во много, много раз превышающим шаги квантования, предопределяющиеся дискретностью твердых тел, жидкостей и газов.