Достоверность информации Источники, и причины искажения информации

В управляющих системах может осуществляться передача информации от источника к приемнику, задержка ее на конечное время (хранение), преобразование в приемнике или передатчике. Нетрудно показать, что любая, обработав информации в системе связи и управления может быть сведена к набору названных операций.

Рассмотрим пример записи информации с некоторого производственного документа в один из видов памяти ЭВМ, например, на магнитную ленту. Предположим, что записи информации, содержащейся в документе, осуществляется в следующей очередности. С документа информация запи­сывается в оперативную память ЭВМ, а затем — па магнитную ленту. Процесс записи заключается считывании информации, содержащейся в документе, передаче ее в опе­ративную память ЭВМ, записи и храпении ее там. Затем информация вновь считывается, передается для обработки и снова записывается уже на магнитную ленту. При вы­полнении каждой из этих операций информация может быть искажена.

Предположим, что информация представлена, в виде двоичного четырехразрядного числа 1101. При передаче этого числа на входе приемника может оказаться число 1001, т. е. во втором разряде вместо 1 появился 0 — инфор­мация оказалась искаженной. Таким же образом может быть искажено при передаче значение числа в любом на четырех разрядов. При задержке информации, т. е. при запоминании, число 1101 может быть искажено таким же образом, как и при передаче.

Будем считать, что задержка информации осуществляется следующим образом. Получив число 1101, элемент системы связи и управления, скажем, человек, записывает его в один из видов памяти, например, на перфокарту. А идем через определенное время это число надо считать. В процессе записи числа на перфокарту или считывания его с перфокарты может произойти замена 1 на 0 или 0 на 1 в любом соответствующем разряде.

Аналогично может быть рассмотрена операция преоб­разования информации. В процессе преобразования над информацией, заданной в виде чисел, производятся ариф­метические, логические и другие операции. Например, ре­зультатом сложения двух двоичных чисел 1001 и 0100 должно быть число 1101. Однако вследствие искажения информации, возникающего в каждом из слагаемых или сумме, результатом может оказаться, скажем, число 0101.

Информация может быть представлена также в виде последовательности буке или цифр. Можно проследить, как проявляются искажения в этих случаях. Рассмотрим для примера последовательность букв к, р, а, б. Если пере­дается телеграмма, в которой имеется слово «краб», и в процессе передачи вместо буквы «б» будет принята буква «й», то слово «краб» превратится в слово «край». Может оказаться, что слова «краб» и «край» имеют смысл в тексте телеграммы, но переход от одного слона к другому полно­стью меняет ее содержание.

Рассмотренные выше последовательности состояли из цифр 0, 1 и из букв. Такие последовательности будем на­зывать дискретными. Они включают в себя набор симво­лов, где в качестве символа выступает цифра или буква. В виде дискретных последовательностей, кроме буквенного текста, может быть представлена информация датчиков, фиксирующих выпуск деталей на станках, информация о ходе производства, поступающая из производственных участков цеха или из цехов завода в центр управле­ния, и т. д.

При передаче, хранении или обработке дискретной по­следовательности появление искажения хотя бы в одном символе ведет к тому, что последовательность считается искаженной. Наоборот, если рассматриваемая последова­тельность не содержит ни одного искаженного символа, то она является неискаженной.

Так как появление искажений носит статистический характер, то качество передачи дискретной последователь­ности можно характеризовать вероятностью появления в ней искаженных символов. Эта вероятность выражается как отношение числа искаженных символов в достаточно длинной последовательности к числу символов этой после­довательности. Обозначим ее Р_ош.

Тогда вероятность появления неискаженного символа связана со значением Р_ош соотношением

.

Вероятность Р_с количественно характеризует достоверность принимаемого символа.

Наряду с формой представления информации в виде дискретных последовательностей, существует форма пред­ставления информации в непрерывном виде. Например, в виде непрерывной функции времени f(t), заданной на отрезке времени.

Одним из примеров информации, представленной непрерывном виде, является напряжение, появляющееся на выходе микрофона при воздействии на пего человеческой речи. Другим примером может служить кривая зависимости температуры плавки от времени, снимаемая в процессе наблюдения за ходом плавки в доменных печах и передаваемая в пункт управления, и т. д.

Как же охарактеризовать искажение информации в случае, когда она задана в непрерывном виде? Очевидно, характеристикой искажений может служить величина, являющаяся функцией отклонения неискаженной функции времени f(t) от искаженной. Обозначим ее f_и(t). В качестве величины отклонения обычно выбирается наиболь­шая величина абсолютного значения разности этих двух функций на всем отрезке времени

Если величина не превосходит некоторого заданного порогового значения ,то информация, представленная функцией f_и(t) считается неискаженной. Если же величина превосходит ее, считается, что информация, представленная f_и(t)искажена.

В качестве функции отклонения f_и(t) от f(t) обычно выбирается Р_ош — вероятность того, что превзойдет ₀. Это условие записывается так:

Р_ош=P{ }

Достоверность информации связана с вероятностью ошибки соотношением , аналогичным приведенному выше:

P_д=1- Р_ош.

Достоверность численно равна вероятности того, что величина не превзойдет . Искажение информации, представленной в непрерывном виде или в виде дискрет­ной последовательности, может происходить из-за помех. Помехой будем называть постороннее возмущение, дейст­вующее в системе управления и препятствующее правиль­ной передаче, хранению, преобразованию информации. Помехи в системах управления и связи могут создаваться различными источниками, причем источники могут нахо­диться как внутри системы, так и вне ее.

По характеру взаимодействия помех с сигналами, отображающими информацию в системе управления и связи, выделяют чаще всего помехи аддитивные и мультипликативные. Предположим, что сигнал задай некоторой функцией S, а помеха — функцией . Результат взаимодействия помехи, с сигналом обозначим через х. Тогда взаимодействие аддитивной помехи с сигналом выразится формулой

х = s + ,

а мультипликативной —

х = s∙ .

Взаимодействие сигнала и помехи может осуществлять­ся и по более сложным формулам, однако приведенные соотношения наиболее часто используются при анализе и синтезе систем связи и управления.

К числу источников аддитивных помех могут быть отнесены:

— естественные электромагнитные процессы в атмо­сфере Земли (например, грозовые разряды)

— радиоизлучения различных небесных тел;

— процессы, обусловленные работой различных элек­трических устройств и агрегатов;

— посторонние системы (соседние радиостанции и др.);

— различного рода флуктуации. Флуктуациями назы­ваются случайные отклонения тех или иных физических величин от их средних значений. Наиболее распространен­ными флуктуациями, обусловливающими помехи, являются флуктуации, вызванные тепловым движением (тепло­вой шум), и флуктуации тока, обусловленные дискретной природой носителей заряда (дробовой эффект);

— преобразования сигналов в отдельных элементах системы (шумы квантования, комбинационные помехи при преобразовании частоты и т. д.);

— помехи, специально создаваемые для нарушения связи.

К числу источников мультипликационных помех мож­но отнести процессы, вызванные изменением параметров среды, в которой распространяются сигналы (например, замирания в коротковолновых каналах связи и др.), а так­же техническими неисправностями аппаратуры (например сбои и отказы в перфораторах, бумажных лент и карт, в устройствах вывода информации на печать, сбои в процес­сорах вычислительной машины и т. д.) или плохой регулировочной аппаратуры и несовершенством элементов, входящих в систему связи и управления.

Несовершенство элементов систем связи и управления может проявляться, например, в перегрузке информацией моделей, являющихся неотъемлемыми элементами этих систем. Если при перфорации карт человеку приходится обрабатывать число карт, превышающее норму, возникает перегрузка, приводящая к ошибкам перфорации. Или, если оператор как элемент системы следит за состоянием процесса производства и не реагирует вовремя на его от­клонения, появляется ситуация, когда отсутствует не­которое управляющее воздействие, что приводит к отклонению от заданного качества результатов процесса.

Мультипликативные помехи возникают во всех случаях, когда параметры системы управления и связи претерпевают случайные изменения во времени. Они всегда существуют в реальных системах, но часто не влияют на нормальную работу системы. В таких случаях считается, что изменения параметров системы отсутствуют.

Рассмотрим воздействие мультипликативной помехи; па сигнал в том случае, когда истопником помехи явля­ется техническая неисправность аппаратуры системы. Предположим, что работа аппаратуры характеризуется наличием на ее выходе сигнала s, а техническая неис­правность некоторой функцией , принимающей два зна­чения: 0, если аппаратура неисправна, и 1 — в противном случае. Функция является мультипликативной помехой. Тогда результат взаимодействия х сигнала s и поме­хи выражается формулой

x=s×

причем в этом случае х принимает два значения: s, если аппаратура исправна ( =1), и 0 в противном случае ( ==0). Аналогичным образом можно рассмотреть воз­действие мультипликативной помехи в случае, когда изменяются параметры среды, в которой распространя­ется сигнал. Это явление для случая коротковолновых радиоканалов носит название «замирание», или «фединг». Функция при замираниях принимает не два значения 0 и 1, а изменяется в некотором диапазоне непрерывных значений.

Как аддитивные, так и мультипликативные помехи встречаются в виде флуктуационных, импульсных и синусоидальных помех. Флуктуациоиные помехи пред­ставляют последовательность кратковременных импуль­сов, следующих с большой частотой. Примером флуктуационной помехи, как уже указывалось, являются тепловые шумы, дробовой эффект. К флуктуационным помехам могут относиться космические помехи, помехи от многих одновременно работающих систем управления и связи.

Импульсные помехи представляют непериодиче­скую последовательность одиночных кратковременно импульсов. Частота их следования такова, что за время между двумя импульсами закапчиваются все переходные процессы в тракте прохождения импульса, вызванные первым импульсом. Импульсные помехи создаются атмосферными, промышленными и другими источниками помех. Синусоидальные помехи представляют синусои­дальные колебания с медленно меняющимися амплиту­дой, частотой фазой. Из-за относительно небольшой ши­рины спектра их называют также сосредоточенными помехами. Они создаются главным образом различными посторонними генераторами высокой частоты (промыш­ленными, медицинскими и др.).

Каждый из этих видов помех оказывает искажающее действие на сигнал. В зависимости от свойств тракта прохождения сигнала в системах управления и связи, а также от свойств сигнала воздействие каждого из видов помех на сигнал различно. Например, при воздействии импульсной помехи на сигнал искажениями будут охватываться меньшие участки сигнала, чем большую ширину полосы пропускания имеет тракт прохождения сигнала.