книги / Теория информации

Автоматизированная информационнаясистемастановитсяавотамд/им- зированной системой управления (АСУ), если поставляемая информация извлекается из какого-либо объекта (процесса), а выходная используется для целенаправленного изменения состояния того же объекта (процесса), причем абонентом, использующим информацию для выбора основных уп­ равляющих воздействий (принятия решения), является человек. Объектом могут быть техническая система, экологическая среда, коллектив людей. Существуют АСУ, в которых отдельные функции управления возлагаются на технические средства, в основном на ЭВМ и микропроцессоры.

Автоматизированные информационные системы и АСУ нашли ши­ рокое применение во всех отраслях народного хозяйства в первую очередь как информационно-справочные и информационно-советующие системы, системы управления технологическими процессами и коллективами лщцей. Большинство из них является локальными системами и функционируют на уровне предприятий и учреждений. В настоящее время происходит ин­ тенсивный процесс интеграции таких систем в системы производственных объединений и далее - в отраслевые и ведомственные системы.

Системы более высокого уровня становятся территориально рас­ средоточенными, иерархичными как по функциональному принципу, так и по реализации их техническими средствами. Обеспечение взаимо­ действия территориально рассредоточенных систем требует протяжен­ ных высокоскоростных и надежных каналов связи, а увеличение объ­ ема обрабатываемой информации - ЭВМ высокой производительности. Это привело к необходимости коллективного использования дорогосто­ ящих средств автоматизации (ЭВМ и линий связи) и обрабатываемой информации (банков и баз данных). Техническое развитие как самих электронных вычислительных машин, так и средств связи позволило решить эту проблему путем перехода к созданию распределенных ин- формационно-вычислителъных сетей коллективного пользования.

Централизация различных видов информации в одной сети дает возможность использовать ее для решения широкого спектра задач, связанных с административным управлением, планированием, науч­ ными исследованиями, конструкторскими разработками, технологией производства, снабжением, учетом и отчетностью. В недалеком буду­ щем использование информационно-вычислительных сетей позволит отказаться от традиционных форм массового общения, таких как теле­ фон, телеграф, почта, отдельные справочные службы.

Наиболее распространенными информационными системами явля­ ются системы, обеспечивающие передачу информации из одного места в другое (системы связи) и от одного момента времени до другого (системы хранения информации). Обе разновидности систем передачи информации имеют много общего в принципиальных вопросах обеспечения эффектив­ ности функционирования. Их применяют как самостоятельные системы и как подсистемы в составе любых более сложных информационных сис­ тем. Совокупность таких подсистем в информационно-вычислительной сети образует ее основное ядро - сеть передачи данных.

1.5. Критерии оценки качества информационных систем

При синтезе и анализе информационных систем необходимо опе­ рировать определенными качественными и количественными показа­ телями, позволяющими производить оценку систем, а также сопостав­ лять их с другими, подобными им системами.

Все задачи, стоящие перед информационными системами, сводят­ ся обычно к двум основным проблемам: обеспечению высокой эффек­ тивности и надежности системы.

Под эффективностью информационной системы понимается ее спо­ собность обеспечить передачу заданного количества информации на­ иболее экономичным способом. Очевидно, что эффективность системы прежде всего определяется максимально возможной скоростью передачи информации. Скорость передачи информации определяется количеством информации, передаваемой в единицу времени. Максимально возможную скорость передачи информации принято называть пропускной способнос­ тью системы. Пропускная способность характеризует потенциальные воз­ можности системы.

Так как эффективность характеризует экономичность системы, то наиболее полная ее количественная оценка будет характеризо­ ваться отношением передаваемой информации к затратам, связан­ ным с передачей данного количества информации. Для передачи информации с помощью сигнала необходимы определенные затра­ ты мощности. Кроме того, для передачи и обработки сигналов не­ обходимо определенное время. Наконец, каждый сигнал занимает в канале определенный диапазон частот, поэтому эффективность

характеризует способность системы обеспечить передачу данного количества информации с наименьшими затратами мощности сиг­ налов, времени и полосы частот.

Следует отметить, что известны и другие критерии оценки эффек­ тивности систем. Приведенное ранее определение эффективности от­ носится к чисто информационным системам.

Под надежностью технических систем обычно понимается ее спо­ собность к безотказной работе в течение заданного промежутка вре­ мени и в заданных условиях эксплуатации. При этом под отказом по­ нимается событие, приводящее к невозможности использования хотя бы одного из рабочих свойств системы. Количественно надежность оценивается различными показателями. Одним из таких показателей является вероятность безотказной работы системы в течение заданно­ го промежутка времени.

Однако для информационных систем весьма важной характеристи­ кой является информационная надежность, под которой будем понимать способность системы передавать информацию с достаточно высокой достоверностью. Достоверность количественно характеризуется сте­ пенью соответствия принятого сообщения переданному. Эту величину принято называть верностью.

Снижение достоверности передачи сообщений называется их иска­ жением, происходящим под воздействием внешних и внутренних (аппа­ ратных) помех. Способность информационной системы противостоять вредному действию помех называется помехоустойчивостью.

В дальнейшем будем оценивать системы не только в информацион­ ном аспекте, но и эффективностью (в информационном смысле) и поме­ хоустойчивостью.

Теория информации и кодирования устанавливает критерии оценки помехоустойчивости и эффективности информационных систем, а также указывает общие пути повышения помехоустой­ чивости и эффективности. Условия, при которых может быть до­ стигнуто повышение помехоустойчивости и эффективности, про­ тиворечивы. Повышение помехоустойчивости практически всегда сопровождается ухудшением эффективности, и наоборот, повыше­ ние эффективности отрицательно сказывается на помехоустойчи­ вости систем.

1. В чем сущность принципиальных различий в трактовке поня­ тия информации?

2.Каковы основные этапы обращения информации?

3.Охарактеризуйте разновидности информационных систем

итенденции их развития.

4.Объясните разницу в уровнях проблем передачи информации.

5.Каковы основные задачи теории информации?

6.В чем сущность теоретико-информационного подхода к исследо­ ваниям?

2. СИСТЕМЫ СВЯЗИ И ИХ ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

2.1. Основные понятия и определения

Объектом передачи в любой системе связи является сообщение, несущее какую-либо информацию.

В системах передачи сообщений смысловое содержание понятий информации и сообщения весьма близкое.

В общем случае под информацией понимают совокупность све­ дений о каких-либо событиях, явлениях или предметах. Для передачи или хранения информации используются различные знаки (символы), позволяющие выразить (представить) информацию в некоторой фор­ ме. Это могут быть буквы, цифры, жесты и рисунки, математические или музыкальные символы, слова и фразы человеческой речи, различ­ ные реализации форм электрических колебаний и т.д.

Под сообщением понимается форма представления информации. Иначе говоря, сообщение - это то, что подлежит передаче. Множество возможных сообщений с их вероятностными характеристиками на­ зывается ансамблем сообщений. Выбор сообщений из ансамбля осу­ ществляет источник сообщений. Процесс выбора является случайным; заранее не известно, какое сообщение будет передаваться. Различают дискретные и непрерывные сообщения.

Дискретные сообщения формируются в результате последователь­ ной выдачи источником отдельных элементов - знаков. Множество раз­ личных знаков называют алфавитом источника сообщений, а число знаков - объемом алфавита. В частности, знаками могут быть буквы естественного или искусственного языка, удовлетворяющие определен­ ным правилам взаимосвязи.

Сообщения, предназначенные для обработки в компьютерных информационных системах, принято называть данными.

Сообщение представляет собой последовательность состояний источника информации, разворачиваемую во времени. В зависимости от того, является ли множество состояний источника информации счет­ ным, конечным (с мощностью алфавита М) или принимающим свои со­ стояния из некоторого континуума возможных значений, источники делят

на дискретные и непрерывные (аналоговые). Под дискретным источни­ ком информации понимают некоторый объект, который в определенные моменты времени принимает одно из M-состояний дискретного множес­ тва. Непрерывный источник в каждый момент времени может принимать одно из бесконечного множества своих состояний. Соответствующим об­ разом вводится понятие источника сообщений, при этом все возможные источники можно разделить на дискретные и непрерывные.

Для передачи сообщения на расстояние необходимо наличие ка­ кого-то переносчика, материального носителя. В качестве таковых используются статические либо динамические средства, физические процессы. Физический процесс, используемый в качестве переносчи­ ка сообщения и отображающий передаваемое сообщение, называется сигналом.

Отображение сообщения обеспечивается изменением какой-либо физической величины, характеризующей процесс. Эта величина явля­ ется информационным параметром сигнала.

Сигналы, как и сообщения, могут быть непрерывными и дискрет­ ными. Информационный параметр непрерывного сигнала с течением времени может принимать любые мгновенные значения в опреде­ ленных пределах. Непрерывный сигнал часто называют аналоговым. Дискретный сигнал характеризуется конечным числом значений ин­ формационного параметра. Часто этот параметр принимает всего два значения.

В системах электросвязи в качестве переносчика, используемого для передачи сообщений на расстояние, применяют электрические сиг­ налы, поскольку они имеют наибольшую скорость распространения (приближающуюся к скорости света в вакууме - 3 • 108м/с).

В качестве сигнала можно использовать любой физический про­ цесс, изменяющийся в соответствии с передаваемым сообщением. Су­ щественно то, что сигналом является не сам физический процесс, а из­ менение отдельных параметров этого процесса. Указанные изменения определяются тем сообщением, которое несет данный сигнал.

Во многих случаях сигнал отображает временные процессы, проис­ ходящие в некоторой системе. Поэтому описанием конкретного сигнала может быть некоторая функция времени. Определив так или иначе эту функцию, определяем и сигнал. Однако такое полное описание сигнала требуется не всегда. Для решения ряда задач достаточно более общего

описания в виде нескольких обобщенных параметров, характеризующих основные свойства сигнала, подобно тому, как это делается в системах транспортирования.

Техника передачи информации есть, по существу, техника транс­ портирования (передачи) сигналов по каналам связи. Поэтому целесо­ образно определить параметры сигнала, которые являются основными с точки зрения его передачи. Такими параметрами являются длитель­ ность сигнала, динамический диапазон и ширина спектра.

Всякий сигнал, рассматриваемый как временной процесс, имеет начало и конец. Поэтому длительность сигнала Т является естествен­ ным его параметром, определяющим интервал времени, в пределах которого сигнал существует.

Характеристиками сигнала внутри интервала его существования являются динамический диапазон и скорость изменения сигнала.

Динамический диапазон определяется как отношение наиболь­ шей мгновенной мощности сигнала к наименьшей:

A = 10 l g - ----- (дБ).
i n i	Рc max

min

Динамический диапазон речи диктора равен 25-К30 дБ, вокального ансамбля 45^-55 дБ, симфонического оркестра 65-^75 дБ.

В реальных условиях всегда имеют место помехи. Для удовлетво­ рительной передачи требуется, чтобы наименьшая мощность сигнала превышала мощность помех. Отношение сигнала к помехе характери­ зует относительный уровень сигнала. Обычно определяется логарифм этого отношения, который называется превышением сигнала над по­ мехой. Это превышение и принимается в качестве второго параметра сигнала. Третьим параметром является ширина спектра сигнала F. Эта величина дает представление о скорости изменения сигнала внут­ ри интервала его существования. Спектр сигнала может простираться в пределах очень большой полосы частот. Однако для большинства сигналов можно указать полосу частот, в пределах которой сосредо­ точена его основная энергия. Этой полосой и определяется ширина спектра сигнала.

В технике связи спектр сигнала часто сознательно ограничивается. Это обусловлено тем, что аппаратура и линия связи имеют ограничен­ ную полосу пропускаемых частот. Ограничение спектра осуществляется

исходя из допустимых искажений сигнала. Например, при телефонной связи требуется выполнить два условия: чтобы речь была разборчива и корреспонденты могли узнать друг друга по голосу. Для выполне­ ния этих условий спектр речевого сигнала можно ограничить полосой от 300 до 3400 Гц. Передача более широкого спектра речи в этом случае нецелесообразна, так как это ведет к техническим усложнениям и уве­ личению затрат.

Более общей физической характеристикой сигнала является объ­

ем сигнала:	(2. 1)
Vc = TMcFc

Для неискаженной передачи сигнала емкость канала должна быть не меньше объема сигнала.

Важной характеристикой сигналов является также база:

v = 2 T F c.	(2.2)
Если v< 1, то сигналы называют узкополосными (простыми). Если
v » 1, то - широкополосными (сложными).
В естественных природных условиях сигналы,	создаваемые

и принимаемые живыми существами, распространяются в среде их обитания. Эту среду можно назвать каналом передачи сообщений. Отметим сразу, что даже в такой простейшей системе передачи ти­ пичным является наличие в канале помех, т.е. сигналов, создаваемых посторонними источниками. С возникновением потребности в быст­ рой передаче сообщений на большие расстояния у человека появилась необходимость в применении различных приспособлений («техни­ ческих средств»). В современных системах передачи в качестве фи­ зических носителей информации используют электрические токи или напряжения, а также электромагнитные колебания.

При передаче сообщений возникает необходимость использования таких технических средств, как датчик - преобразователь различных фи­ зических процессов в низкочастотные электрические токи, называемые первичными сигналами (например, микрофон, видикон); устройства коди­ рования дискретных сообщений, используемые как в целях согласования мощности алфавита источника М и числа используемых в канале пере­ дачи кодовых символов, так и в целях обеспечения высокой надежности передачи; устройства модуляции высокочастотных переносчиков сигналов первичными сигналами [2]. Поскольку получатель воспринимает сооб­

щение, как правило, в той форме, которая представляется на выходе ис­ ходного источника, в системе передачи оказываются необходимыми такие технические средства, как демодулятор, декодер, которые осуществляют обратное преобразование высокочастотных сигналов в аналоги первич­ ных, низкочастотных сигналов в аналоги исходных сообщений (например, с помощью динамика, кинескопа и т.д.).

2.2. Системы связи

Совокупность технических средств (аппаратно-программных) и среды распространения, требуемых для передачи сообщения от источника к по­ лучателю, называют системой связи. В функциональных схемах и их ре­ ализациях такие узлы, как кодер и модулятор, объединяют в передающем устройстве; аналогично демодулятор и декодер объединяются в едином устройстве - приемнике. Типичная функциональная схема, включающая в себя основные узлы системы связи, представлена на рис. 2.1. Указан­ ная здесь линия связи, во многих случаях отождествляемая с каналом пе­ редачи, предназначена для передачи сигналов с минимально возможной потерей их интенсивности от передатчика к приемнику. В системах элек­ трической связи линия связи, в частности, это пара проводов, кабель или волновод, в системах радиосвязи - область пространства, в которой рас­ пространяются электромагнитные волны от передатчика к приемнику.

В линии связи локализована неизбежно присутствующая в системе связи помеха и<Д приводящая к случайному непредсказуемому искаже­ нию формы передаваемого сигнала.

Рис. 2.1. Обобщ енная структурная схема системы электросвязи

Приемник обрабатывает принятый сигнал x(t), искаженный поме­ хой, и восстанавливает по нему переданное сообщение u(t). Обычно в приемнике выполняются операции, обратные тем, которые были осуществлены в передатчике.

Каналом связи принято называть совокупность технических средств, служащих для передачи сообщения от источника к потребителю. Этими средствами являются передатчик, линия связи и приемник.

Канал связи вместе с источником и потребителем образуют сис­ тему передачи и обработки информации. Различают системы пере­ дачи дискретных сообщений (например, система телеграфной связи) и системы передачи непрерывных сообщений (системы радиовеща­ ния, телевидения, телефонии и т.п.). Существуют также системы свя­ зи смешанного типа, в которых непрерывные сообщения передаются дискретными сигналами. К таким системам относятся, например, сис­ темы импульсно-кодовой модуляции.

При передаче сообщений в одну сторону от отправителя к полу­ чателю, или от «точки к точке» используется двухточечный односто­ ронний канал связи. Если источник и получатель поочередно меняются местами, то для обмена сигналами необходимо использовать поочеред­ ный двухсторонний канал связи, допускающий передачу как в одну, так и в противоположную сторону (полудуплексный режим). Большие возможности для обмена предоставляет одновременный двусторон­ ний канал связи, обеспечивающий одновременную передачу сигналов в противоположных направлениях (дуплексный режим).

Система связи называется многоканальной, если она обеспечивает взаимонезависимую передачу нескольких сообщений по одному об­ щему каналу связи.

При необходимости обмена сообщениями между многими отпра­ вителями и получателями, называемыми в этом случае пользователя­ ми или абонентами, требуется создание систем передачи сообщений (СПС) с большим числом каналов связи. Это приводит к концепции системы передачи и распределения сообщений (СПРС), т.е. системы связи в широком смысле. Такую систему обычно называют сетью свя­ зи (электросвязи), сетью передачи информации или сетью передачи сообщений. Примером СПРС является полносвязная сеть (рис. 2.2), где оконечные пункты (ОП) подключены друг к другу по принципу «каждый с каждым».

Данная сеть является некоммутируемой, и связь между абонентами осуществляется по постоянно закрепленным (некоммутируемым) каналам. Распределение информации в таких сетях обеспечивается специальными