книги из ГПНТБ / Гойхман Э.Ш. Основы теории передачи информации в автоматизированных системах управления

АРТИЛЛЕРИЙСКАЯ РАДИОТЕХНИЧЕСКАЯ ОРДЕНА ОТЕЧЕСТВЕННОЙ ВОЙНЫ

АКАДЕМИЯ СОВЕТСКОЙ АРМИИ имени Маршала Советского Союза ГОВОРОВА Л. А.

Э. III. ГОЙХМАН, Ю. И. ЛОСЕВ

ОСНОВЫ ТЕОРИИ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ В АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМАХ

УПРАВЛЕНИЯ

1 9 6 4

VH.HVr. r

;; J-’OHh

BVHhHtFJAU ’00.i

33M x

ь н

V- -b - / <>J

Пособие содержит изложение основных положений теории пе­ редачи сообщений применительно к используемым в АСУ систе­ мам передачи информации (в первую очередь цифровой) и основ­ ных принципов построения этих систем.

При написании пособия основное внимание уделялось нагляд­ ности изложения и вскрытию физической сущности изучаемых во­ просов.

Первая, вторая, третья, четвертая и седьмая главы написаны Гойхманом Э. Ш., пятая и шестая — Лосевым Ю. И.

При подготовке к изданию настоящего пособия учтены советы, сделанные В. С. Дулицким, В. Н. Манжосом, Н. Д. Плотниковым, В. Н. Руженцевым, Б. И. Самойленко, И. М. Сливняком, Н. А. Си­ вяковым, А. Д. Черненьким.

Авторы приносят указанным товарищам, а также рецензентам А. Н. Фуженкову и М. И. Костромицкому искреннюю благодар­ ность.

2

Г Л А В А I

§ 1.1. Понятие об автоматизированных системах управления

Одним из основных направлений развития народного хозяйства

СССР является автоматизация процессов производства.

«В течение двадцатилетия осуществится в массовом масштабе комплексная автоматизация производства со все большим перехо­ дом к цехам и предприятиям-автоматам, обеспечивающим высокую технико-экономическую эффективность. Ускорится внедрение высокосовершенных систем автоматического управления. Получат ши­ рокое применение кибернетика, электронные счетно-решающие и управляющие устройства в производственных процессах промыш­ ленности, строительной индустрии и транспорта, в научных иссле­ дованиях, в плановых и проектно-конструкторских расчетах, в сфе­ ре учета и управления». (Из Программы КПСС).

Важной для народного хозяйства является проблема создания автоматизированных систем управления технологическими процес­ сами в различных отраслях промышленности с применением элек­ тронных вычислительных машин (ЭВМ). Применение ЭВМ позво­ ляет реализовать огромные скорости управления сложными произ­ водствами и осуществить непрерывный контроль за процессами.

Для осуществления комплексной автоматизации производства как одна из крупнейших общегосударственных проблем ставится, проблема построения единой государственной сети вычислитель­ ных центров. Из соображений наиболее полного использования ЭВМ и вследствие территориальной разобщенности различных объектов, входящих в состав автоматизированной системы управ­ ления (АСУ), возникает проблема дистанционного использования ЭВМ.

Некоторый опыт такого использования ЭВМ имеется и в нашей стране. Так, институт кибернетики АН УССР успешно осуществил эксперимент по управлению производственными процессами, про­ исходящими на расстоянии в несколько сотен километров от вы­ числительного центра. Предполагается, что крупные вычислитель­ ные центры будут связаны с заводами и совнархозами каналами связи, по которым с помощью дискретных сигналов на значитель­ ные расстояния будут передаваться потоки информации, включаю­ щие в себя исходные данные для расчетов, осуществляемых маши­ ной, а также результаты этих расчетов.

Трудно переоценить важность задачи автоматизации управле­ ния войсками и в первую очередь войсками противовоздушной обороны. Современные средства воздушного нападения характери­

3

зуются не только колоссальной разрушительной силой, но и огром­ ными скоростями. Скорости перемещения как средств нападения, так и средств обороны столь велики, что человек физически не в состоянии реагировать на изменения обстановки. Необходимые для успешного решения задач перехвата и наведения сложные расчеты должны быть выполнены в течение немногих секунд, что может быть осуществлено лишь с помощью ЭВМ.

Поскольку боевые действия войск ПВО ведутся на территории, значительно превышающей зону действия одного радиолокатора, возникла проблема обобщения результатов наблюдений ряда ра­ диолокационных станций, что также требует применения ЭВМ. Неотъемлемой частью современной системы ПВО являются теле­ механические средства, обеспечивающие контроль и управление активными средствами (пилотными и беспилотными) па расстоя­ нии.

Таким образом, эффективная противовоздушная оборона не­ мыслима без практически мгновенно реагирующей на изменения обстановки автоматизированной системы управления средствами ПВО (АСУ ПВО), которая решает следующие основные задачи:

а) получение информации о воздушных целях (обнаружение, опознавание и определение координат);

б) передачу полученной информации, ее отображение на инди­ каторах, обобщение и автоматическая обработка на ЭВМ для вы­ работки оптимальных решений о распределении целей между огневыми средствами;

в) управление родами войск ПВО (истребительной авиацией и ЗУР) при осуществлении перехвата и уничтожения противника.

Примерная схема прохождения потоков информации в совре­ менных АСУ ПВО приведена на рис. 1.1.

§ 1.2. Системы передачи информации как составные элементы АСУ

Автоматизация управления как в народном хозяйстве, так и в войсках невозможна без наличия систем связи и телемеханики, обеспечивающих быструю и достоверную передачу необходимых потоков информации.

Из видов связи в АСУ применяются телефонная, телеграфная, фототелеграфная и главным образом новый вид связи, называе­ мый передачей данных.

Передачей данных, или телекодовой связью, принято называть передачу информации, обрабатываемой с помощью вычислитель­ ных машин или созданной в результате действия этих машин *.

При этом виде связи передача осуществляется дискретными (обычно двоичными) сигналами.

* Терминология в этой новой области связи еще не установилась и терми­ ны «передача данных» и «телекодовая связь» еще не получили окончательного определения.

4

Примерная схема прохождения информации в современных ПСУ П80

Съем и преоБрч-

Jolqmje Koopjiwem t>рЬоцчныи код

Ина>орУ|сщи/ i от соседе

\ «мх решении 343WU цмераспределеин^ ри иа&гугиир огце&ых ср е д ств

Рис. 1.1

При таких видах связи, как телефония и телеграфия, восприя­ тие информации осуществляется непосредственно человеком, и благодаря свойственной человеческому языку избыточности не­ большие искажения передаваемого текста не приводят к наруше­ нию достоверности принятых сообщений. Совершенно иначе обстоит дело при передаче данных, где даже незначительное количество ошибок может полностью исказить результаты обработки инфор­ мации. Поэтому основной особенностью систем передачи данных является необходимость обеспечения высокой достоверности пере­ дачи информации. Вопрос о международных нормах па допусти­ мое количество ошибок для различных систем передачи данных находится в стадии изучения. Однако уже сейчас ясно, что речь может идти о вероятностях появления ошибок порядка 10~5-f-10-9 Так, например, к каналам связи американской системы управле­ ния ПВО «Сейдж» предъявляется требование не более одного сбоя на 105 переданных двоичных сигналов.

Важными составными элементами АСУ являются телемехани­ ческие системы.

Телемеханикой называется область техники и научная дисцип­ лина, охватывающая теорию и технические средства преобразова­ ния и передачи на расстояние информации для управления маши­ нами, механизмами и комплексными системами.

Телемеханические системы обычно включают в себя системы телеуправления и телеконтроля.

Телеуправление есть управление на расстоянии машинами, ме­ ханизмами и комплексными системами путем передачи по каналам связи кодированных сигналов. Системы телеуправления обычно дополняются системами телеконтроля, в которых контроль осуще­ ствляется путем передачи с контролируемого объекта закодиро­ ванных сигналов. Так, например, в АСУ ПВО системы телеуправ­ ления и телеконтроля применяются преимущественно в звеньях управления огневыми средствами (см. рис. 1.1).

По своей структуре телемеханические сигналы могут иметь раз­ нообразный характер. Характерной особенностью первичных теле­ механических сигналов, используемых для управления движением самолетов и ракет, является узость спектра этих сигналов, обу­ словленная большой инерционностью управляемых объектов.

§ 1.3. Предмет курса

Наукой, изучающей общие законы управления в сложных ди­ намических системах (к которым, в частности, относятся и АСУ), является кибернетика.

Важным разделом кибернетики является теория передачи сооб­ щений— теоретическая основа техники передачи информации.

Основными проблемами теории передачи сообщений являются проблемы эффективности и достоверности. Эта теория определяет также принципы и основные пути построения оптимальных систем

передачи информации.

S *

6

Проблема эффективности состоит в определении возможных путей, обеспечивающих передачу наибольшего количества инфор­ мации наиболее экономным способом. Важным аспектом этой про­ блемы является задача наиболее рационального использования ли­ ний связи, одним из путей решения которой является создание многоканальных систем связи.

Проблема достоверности состоит в определении путей, обеспе­ чивающих при наличии помех максимальное соответствие приня­ тых сообщений переданным.

Случайный характер протекающих в системах передачи инфор­ мации процессов обусловливает широкое использование в теории передачи сообщений вероятностных методов.

Задачей излагаемого в пособии курса является изучение основ­ ных положений теории передачи сообщений и на их базе принци­ пов передачи и преобразования информации в системах связи и в первую очередь в системах передачи данных, используемых в АСУ. Значительная часть пособия содержит изложение вопросов, общих для систем связи и телемеханики. Вместе с тем вопросы, связан­ ные со специфическими особенностями передачи информации в си­ стемах радиотелеуправления и радиовизирования, выходят за рам­ ки курса и в пособии не рассматриваются.

7

Г Л А В А II

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ ПЕРЕДАЧИ СООБЩЕНИИ

§ 2.1. Информация и сигнал

Основными понятиями теории передачи сообщений являются понятия информации и сигнала.

Одной из закономерностей окружающего нас мира является взаимосвязь между материальными объектами и явлениями. В процессе взаимодействия между материальными объектами про­ является присущее материи свойство отражения, высшими форма­ ми которого являются ощущение и сознание.

Информация — это специфическая форма связи материальных систем, имеющая в своей основе отражение как объективное свой­ ство всей материи [1].

Информация возникает тогда, когда имеет место не только воз­ действие одной материальной системы на другие, но и использова­ ние этого воздействия для целей управления сложными динамиче­ скими системами.

В теории передачи сообщений под информацией понимаются сведения о каком-либо событии (которое произошло или должно произойти), поступающие к получателю извне в результате его взаимодействия с окружающей средой.

Получателями информации могут быть как живые существа, так и различные технические устройства, в которых полученные сведения используются (непосредственно или спустя некоторое время) для целей управления. Восприятие астрономом видимого в телескопе света далекой звезды, изменение траектории зенитной управляемой ракеты под воздействием радиосигналов, поступаю­ щих с наземной станции наведения,— примеры воздействия раз­ личного вида информации на принимающий ее объект. Получен­ ная информация может быть использована для целей управления как непосредственно, так и после соответствующей обработки, вы­ полняемой, например, на ЭВМ. Таким образом, информация мо­ жет передаваться, храниться, перерабатываться и использоваться.

В теории передачи сообщений под сообщением понимается все то, что подлежит передаче {например, телеграмма, телевизионное изображение, человеческая речь и др.).

Передача информации от источника к получателю осуществ­ ляется с помощью сигнала. Сигнал представляет собой несущий информацию и распространяющийся во времени материальный

8

процесс, сигнал может быть передан на расстояние в виде некото­ рого возмущения (электромагнитного, светового, акустического

ит. д.).

Всоответствии с этим в электросвязи под сигналом понимает­

ся электрическое возмущение, однозначно отображающее переда­ ваемое сообщение.

Сигнал однозначно отображает некоторую сторону события, но сам как физическое явление может не иметь ничего общего с ото­ бражаемым событием. Так, например, телевизионный сигнал пред­ ставляет собой электромагнитное возмущение, однозначно отобра­ жающее освещенность отдельных элементарных участков поверх­ ности находящегося перед иконоскопом объекта. Однако физиче­ ская природа телевизионного сигнала резко отличается от приро­ ды отображаемого объекта. Смысл сигнала заключается не в его физической природе и энергетических характеристиках, а в его соответствии отображаемому событию. Сигнал существует лишь в пределах организованной системы управления. Вне этой системы он может сохранить свою физическую природу, но, теряя свое основное свойство переносчика информации, фактически перестает быть сигналом. Так, например, снимаемые с устройства автомати­ ческого съема РЛС импульсы, содержащие в закодированном виде информацию о цели, являются сигналами лишь постольку, посколь­ ку они используются в аппаратуре обработки и обобщения инфор­ мации АСУ. Воздействие этих же импульсов на вход радиовеща­ тельного приемника будет воспринято лишь как появление беспо­ рядочных помех.

Не следует думать, что передаваемые сигналы и содержащаяся в них информация должны быть обязательно обработаны и исполь­ зованы немедленно. Полученный сигнал перед его использованием может быть на необходимое время зафиксирован, например в устройствах памяти ЭВМ, в устройствах отображения информа­ ции, а также в виде печатного текста и др. При этом сигнал пре­ вращается в совокупность статичных во времени, расположенных определенным образом в пространстве символов (намагниченные в разной степени элементарные участки поверхности магнитного барабана, буквы текста, бороздки на звуковой дорожке и т. д.) т. е. в сообщение.

Преобразование и передача сообщений и сигналов производит­ ся с помощью систем связи, к рассмотрению которых и перейдем.

§2.2. Системы связи

2.2.1.Структурная схема системы связи

Системой связи называется совокупность технических средств, обеспечивающих передачу сообщений от отправителя к получате­ лю. Она включает в себя передающее и приемное устройства, ко­ торые связаны между собой линией связи. Структурная схема си­ стемы электрической связи приведена на рис. 2.1.

9