Характеристики современных операционных систем (многопоточность, симметричная многопроцессорность, распределенные операционные системы, объектно-ориентированный дизайн).
Операционная система (ОС) - это программа, которая обеспечивает возможность рационального использования оборудования компьютера удобным для пользователя образом.
Неуклонный рост требований к операционным системам приводит не только к улучшению их архитектуры, но и к возникновению новых способов их организации. В экспериментальных и коммерческих операционных системах были опробованы самые разнообразные подходы и структурные компоненты, большинство из которых можно объединить в следующие категории:
архитектура микроядра;
многопоточность;
симметричная многопроцессорность;
распределенные операционные системы;
объектно-ориентированное построение.
Отличительной особенностью большинства операционных систем на сегодняшний день является большое монолитное ядро. Ядро операционной системы обеспечивает большинство ее возможностей, включая планирование заданий, работу с файловой системой, сетевые функции, работу драйверов различных устройств, управление памятью и т.д. Обычно монолитное ядро реализуется как единый процесс, все элементы которого используют одно и то же адресное пространство. В архитектуре микроядра ядру отводится лишь несколько самых важных функций, в число которых входят работа с адресными пространствами, обеспечение взаимодействия между процессами и основное планирование. Работу других сервисов операционной системы обеспечивают процессы, которые иногда называют серверами. Эти процессы запускаются в пользовательском режиме и микроядро работает с ними так же, как и с другими приложениями. Такой подход позволяет разделить задачу разработки операционной системы на разработку ядра и разработку сервера. Серверы можно настраивать для требований конкретных приложений или среды. Выделение в структуре системы микроядра упрощает реализацию системы, обеспечивает ее гибкость, а также хорошо вписывается в распределенную среду. Фактически микроядро взаимодействует с локальным и удаленным сервером по одной и той же схеме, что упрощает построение распределенных систем.
Многопоточность (multithreading) — это технология, при которой процесс, выполняющий приложение, разделяется на несколько одновременно выполняемых потоков. Ниже приведены основные различия между потоком и процессом.
Поток. Диспетчеризуемая единица работы, включающая контекст процессора (куда входит содержимое программного счетчика и указателя вершины стека), а также свою собственную область стека (для организации вызова подпрограмм и хранения локальных данных). Команды потока выполняются последовательно; поток может быть прерван при переключении процессора на обработку другого потока.
Процесс. Набор из одного или нескольких потоков, а также связанных с этими потоками системных ресурсов (таких, как область памяти, в которую входят код и данные, открытые файлы, различные устройства). Эта концепция очень близка концепции выполняющейся программы. Разбивая приложение на несколько потоков, программист получает все преимущества модульности приложения и возможность управления связанными с приложением временными событиями. Многопоточность оказывается весьма полезной для приложений, выполняющих несколько независимых заданий, которые не требуют последовательного исполнения. В качестве примера такого приложения можно привести сервер базы данных, который одновременно принимает и обрабатывает несколько запросов клиентов. Если в пределах одного и того же процесса обрабатываются несколько потоков, то при переключении между различными потоками непроизводительный расход ресурсов процессора меньше, чем при переключении между разными процессами. Кроме того, потоки полезны при описанном в последующих главах структурировании процессов, которые являются частью ядра операционной системы. До недавнего времени все персональные компьютеры, рассчитанные на одного пользователя, и рабочие станции содержали один виртуальный микропроцессор общего назначения. В результате постоянного повышения требований к производительности и понижения стоимости микропроцессоров производители перешли к выпуску компьютеров с несколькими процессорами.
Для повышения эффективности и надежности используется технология симметричной многопроцессорности (symmetric multiprocessing — SMP). Этот термин относится к архитектуре аппаратного обеспечения компьютера, а также к образу действий операционной системы, соответствующему этой архитектурной особенности. Симметричную многопроцессорность можно определить как автономную компьютерную систему со следующими характеристиками. В системе имеется несколько процессоров. Эти процессоры, соединенные между собой коммуникационной шиной или какой-нибудь другой схемой, совместно используют одну и ту же основную память и одни и те же устройства ввода-вывода. Все процессоры могут выполнять одни и те же функции (отсюда название симметричная обработка). Операционная система, работающая в системе с симметричной многопроцессорностью, распределяет процессы или потоки между всеми процессорами. У многопроцессорных систем есть несколько потенциальных преимуществ по сравнению с однопроцессорными, в число которых входят следующие.
Производительность. Если задание, которое должен выполнить компьютер, можно организовать так, что какие-то части этого задания будут выполняться параллельно, это приведет к повышению производительности по сравнению с однопроцессорной системой с процессором того же типа. Сформулированное выше положение проиллюстрировано на рис. 2.12. В многозадачном режиме в один и тот же момент времени может выполняться только один процесс, тогда как остальные процессы вынуждены ожидать своей очереди. В многопроцессорной системе могут выполняться одновременно несколько процессов, причем каждый из них будет работать на отдельном процессоре. Надежность. При симметричной мультипроцессорной обработке отказ одного из процессоров не приведет к остановке машины, потому что все процессоры могут выполнять одни и те же функции. После такого сбоя система продолжит свою работу, хотя производительность ее несколько снизится. Наращивание. Добавляя в систему дополнительные процессоры, пользователь может повысить ее производительность.
Масштабируемость. Производители могут предлагать свои продукты в различных, различающихся ценой и производительностью, конфигурациях, предназначенных для работы с разным количеством процессоров. Важно отметить, что перечисленные выше преимущества являются скорее потенциальными, чем гарантированными. Чтобы надлежащим образом реализовать потенциал, заключенный в многопроцессорных вычислительных системах, операционная система должна предоставлять адекватный набор инструментов и возможностей.
-
Заблокирован
-
Выполняется
Рис. 2.12. Многозадачность и многопроцессорность
Часто можно встретить совместное обсуждение многопоточности и многопроцессорности, однако эти два понятия являются независимыми. Многопоточность — полезная концепция для структурирования процессов приложений и ядра даже на машине с одним процессором. С другой стороны, многопроцессорная система может обладать преимуществами по сравнению с однопроцессорной, даже если процессы не разделены на несколько потоков, потому что в такой системе можно запустить несколько процессов одновременно. Однако обе эти возможности хорошо согласуются между собой, а их совместное использование может дать заметный эффект. Заманчивой особенностью многопроцессорных систем является то, что наличие нескольких процессоров прозрачно для пользователя — за распределение потоков между процессорами и за синхронизацию разных процессов отвечает операционная система. В этой книге рассматриваются механизмы планирования и синхронизации, которые используются, чтобы все процессы и процессоры были видны пользователю в виде единой системы. Другая задача более высокого уровня — представление в виде единой системы кластера из нескольких отдельных компьютеров. В этом случае мы имеем дело с набором компьютеров, каждый из которых обладает своей собственной основной и вторичной памятью и своими модулями ввода-вывода. Распределенная операционная система создает видимость единого пространства основной и вторичной памяти, а также единой файловой системы. Хотя популярность кластеров неуклонно возрастает и на рынке появляется все больше кластерных продуктов, современные распределенные операционные системы все еще отстают в развитии от одно- и многопроцессорных систем.
Одним из последних новшеств в устройстве операционных систем стало использование объектно-ориентированных технологий. Объектно-ориентированный дизайн помогает навести порядок в процессе добавления к основному небольшому ядру дополнительных модулей. На уровне операционной системы объектно-ориентированная структура позволяет программистам настраивать операционную систему, не нарушая ее целостности. Кроме того, этот подход облегчает разработку распределенных инструментов и полноценных распределенных операционных систем.
Информационные системы (структура типичной ИС, принцип действия, одноканальные и многоканальные ИС, основные характеристики: уровень помех, чувствительность, избирательность, пропускная способность).
Термин информационная система (ИС) используется как в широком, так и в узком смысле.
В широком смысле информационная система есть совокупность технического, программного и организационного обеспечения, а также персонала, предназначенная для того, чтобы своевременно обеспечивать надлежащих людей надлежащей информацией[1].
В узком смысле информационной системой называют только подмножество компонентов ИС в широком смысле, включающее базы данных, СУБД и специализированные прикладные программы. ИС в узком смысле рассматривают как программно-аппаратную систему, предназначенную для автоматизации целенаправленной деятельности конечных пользователей, обеспечивающую, в соответствии с заложенной в нее логикой обработки, возможность получения, модификации и хранения информации[6].
В любом случае основной задачей ИС является удовлетворение конкретных информационных потребностей в рамках конкретной предметной области. Современные ИС де-факто немыслимы без использования баз данных и СУБД, поэтому термин «информационная система» на практике сливается по смыслу с термином «система баз данных».
Классификация по архитектуре
По степени распределённости отличают:
настольные (desktop), или локальные ИС, в которых все компоненты (БД, СУБД, клиентские приложения) находятся на одном компьютере;
распределённые (distributed) ИС, в которых компоненты распределены по нескольким компьютерам.
Распределённые ИС, в свою очередь, разделяют на:
файл-серверные ИС (ИС с архитектурой «файл-сервер»);
клиент-серверные ИС (ИС с архитектурой «клиент-сервер»).
В файл-серверных ИС база данных находится на файловом сервере, а СУБД и клиентские приложения находятся на рабочих станциях.
В клиент-серверных ИС база данных и СУБД находятся на сервере, а на рабочих станциях находятся клиентские приложения.
В свою очередь, клиент-серверные ИС разделяют на двухзвенные и многозвенные.
В двухзвенных (англ. two-tier) ИС всего два типа «звеньев»: сервер баз данных, на котором находятся БД и СУБД (back-end), и рабочие станции, на которых находятся клиентские приложения (front-end). Клиентские приложения обращаются к СУБД напрямую.
В многозвенных (англ. multi-tier) ИС добавляются промежуточные «звенья»: серверы приложений (application servers). Пользовательские клиентские приложения не обращаются к СУБД напрямую, они взаимодействуют с промежуточными звеньями. Типичный пример применения многозвенности — современные веб-приложения, использующие базы данных. В таких приложениях помимо звена СУБД и клиентского звена, выполняющегося в веб-браузере, имеется как минимум одно промежуточное звено — веб-сервер с соответствующим серверным ПО.
Классификация по степени автоматизации
По степени автоматизации ИС делятся на:
автоматизированные: информационные системы, в которых автоматизация может быть неполной (то есть требуется постоянное вмешательство персонала);
автоматические: информационные системы, в которых автоматизация является полной, то есть вмешательство персонала не требуется или требуется только эпизодически.
«Ручные ИС» («без компьютера») существовать не могут, поскольку существующие определения предписывают обязательное наличие в составе ИС аппаратно-программных средств. Вследствие этого понятия «автоматизированная информационная система», «компьютерная информационная система» и просто «информационная система» являются синонимами[4].
Классификация по характеру обработки данных
По характеру обработки данных ИС делятся на:
информационно-справочные, или информационно-поисковые ИС, в которых нет сложных алгоритмов обработки данных, а целью системы является поиск и выдача информации в удобном виде;
ИС обработки данных, или решающие ИС, в которых данные подвергаются обработке по сложным алгоритмам. К таким системам в первую очередь относят автоматизированные системы управления и системы поддержки принятия решений.
Классификация по сфере применения
Поскольку ИС создаются для удовлетворения информационных потребностей в рамках конкретной предметной области, то каждой предметной области (сфере применения) соответствует свой тип ИС. Перечислять все эти типы не имеет смысла, так как количество предметных областей велико, но можно указать в качестве примера следующие типы ИС:
Экономическая информационная система — информационная система, предназначенная для выполнения функций управления на предприятии.
Медицинская информационная система — информационная система, предназначенная для использования в лечебном или лечебно-профилактическом учреждении.
Географическая информационная система — информационная система, обеспечивающая сбор, хранение, обработку, доступ, отображение и распространение пространственно-координированных данных (пространственных данных).
Классификация по охвату задач (масштабности)
Персональная ИС предназначена для решения некоторого круга задач одного человека.
Групповая ИС ориентирована на коллективное использование информации членами рабочей группы или подразделения.
Корпоративная ИС в идеале охватывает все информационные процессы целого предприятия, достигая их полной согласованности, безызбыточности и прозрачности. Такие системы иногда называют системами комплексной автоматизации предприятия.
Структура ИС:
ИС можно представить в виде совокупности обеспечивающих подсистем – отдельных частей ИС, выделенных по какому-либо признаку.
1) Техническое обеспечение — комплекс технических средств, предназначенных для работы ИС, а также соответствующая документация на эти средства и технологические процессы.
2) Математическое обеспечение — совокупность математических методов, моделей, алгоритмов и программ для реализации целей и задач ИС, а также нормального функционирования комплекса технических средств.
3) ПО:
- системное (программы, ориентированные на пользователя и предназначенные для решения типовых задач обработки информации)
- специальное (программы, разработанные для конкретной ИС)
4) Информационное обеспечение — совокупность единой системы классификации и кодирования информации, унифицированных систем документации, схем информационных потоков, циркулирующих в организации, а также методология построения баз данных.
5) Организационное обеспечение — совокупность методов и средств, регламентирующих взаимодействие работников с техническими средствами и между собой в процессе разработки и эксплуатации информационной системы.
6) Правовое обеспечение — совокупность правовых норм, определяющих создание, юридический статус и функционирование информационных систем, регламентирующих порядок получения, преобразования и использования информации.
Процессы, обеспечивающие работу информационной системы любого назначения, условно можно представить в виде схемы, состоящей из блоков:
ввод информации из внешних или внутренних источников;
обработка входной информации и представление ее в удобном виде;
вывод информации для представления потребителям или передачи в другую систему;
обратная связь - это информация, переработанная людьми данной организации для коррекции входной информации.
Функционирование информационной системы в режиме коллективного пользования может быть описано в терминах систем массового обслуживания (СМО). На вход информационной системы поступает поток заявок от пользователей системы («клиентов» в терминах СМО). Заявки поступают в очередь на обслуживание, где ожидают, пока не освободятся ресурсы системы (канал обслуживания), занятые обслуживанием других заявок.
Простейшие модели СМО: одно- и m-канальные разомкнутые и замкнутые СМО с бесконечным числом мест ожидания.
Пусть одновременно могут обслуживаться заявки m пользователей, причём каждая заявка обрабатывается своим процессором и без перерывов. Допустим, что для регистрации (запоминания) поступающих заявок имеются достаточно большие ёмкости запоминающих устройств. При этих условиях для анализа функционирования информационной системы может быть использована модель m-канальной СМО с неограниченной очередью, условное графическое изображение которой показано на рис. 1.1.
Рисунок 1.1 – m-канальная система массового обслуживания
Модели замкнутых СМО используются для описания информационных систем, число пользователей которых ограничено, а каждый пользователь, направив заявку в систему, ожидает получения результата.
На рис. 1.2 показана замкнутая одноканальная СМО с числом пользователей N. Полагается, что каждый из них с интенсивностью λ отправляет заявки в СМО, если в СМО отсутствует заявка данного пользователя. Группа пользователей в этом случае может рассматриваться как N-канальная СМО с интенсивностью обслуживания λ.
Рисунок 1.2 – Схема замкнутой одноканальной СМО
Структурная схема одноканальной системы передачи информации приведена на рис. В.2. Информация поступает в систему в форме сообщений. Под сообщением понимают совокупность знаков или первичных сигналов, содержащих информацию. Источник сообщений в общем случае образует совокупность источника информации ИИ (исследуемого или наблюдаемого объекта) и первичного преобразователя ПП (датчика, человека-оператора и т.п.), воспринимающего информацию о его состояниях или протекающем в нем процессе. Различают дискретные и непрерывные сообщения.
Дискретные сообщения формируются в результате последовательной выдачи источником отдельных элементов - знаков. Множество различных знаков называют алфавитом источника сообщений, а число знаков - объемом алфавита. В частности, знаками могут быть буквы естественного или искусственного языка, удовлетворяющие определенным правилам взаимосвязи. Распространенной разновидностью дискретных сообщений являются данные.
Непрерывные сообщения не разделимы на элементы. Они описываются функциями времени, принимающими непрерывное множество значений. Типичными примерами непрерывных сообщений могут служить речь, телевизионное изображение. В ряде систем связи непрерывные сообщения с целью повышения качества передачи преобразуются в дискретные.
Для передачи сообщения по каналу связи ему необходимо поставить в соответствие определенный сигнал. В информационных системах под сигналом понимают физический процесс, отображающий (несущий) сообщение. Преобразование сообщения в сигнал, удобный для передачи по данному каналу связи, называют кодированием в широком смысле слова. Операцию восстановления сообщения по принятому сигналу называют декодированием.
Так как число возможных дискретных сообщений при неограниченном увеличении времени стремится к бесконечности, а за достаточно большой промежуток времени весьма велико, то ясно, что создать для каждого сообщения свой сигнал практически невозможно. Однако, поскольку дискретные сообщения складываются из знаков, имеется возможность обойтись конечным числом образцовых сигналов, соответствующих отдельным знакам алфавита источника.
Для обеспечения простоты и надежности распознавания образцовых сигналов их число целесообразно сократить до минимума. Поэтому, как правило, прибегают к операции представления исходных знаков в другом алфавите с меньшим числом знаков, называемых символами. При обозначении этой операции используется тот же термин "кодирование", рассматриваемый в узком смысле. Устройство, выполняющее такую операцию, называют кодирующим или кодером К. Так как алфавит символов меньше алфавита знаков, то каждому знаку соответствует некоторая последовательность символов, которую назовем кодовой комбинацией. Число символов в кодовой комбинации называют ее значностью, число ненулевых символов - весом.
Аналогично, для операции сопоставления символов со знаками исходного алфавита используется термин "декодирование". Техническая реализация ее осуществляется декодирующим устройством или декодером ДК. В простейшей системе связи кодирующее, а следовательно, и декодирующее устройство может отсутствовать.
Передающее устройство осуществляет преобразование непрерывных сообщений или знаков в сигналы, удобные для прохождения по конкретной линии связи (либо для хранения в некотором запоминающем устройстве). При этом один или несколько параметров выбранного носителя изменяют в соответствии с передаваемой информацией. Такой процесс называют модуляцией. Он осуществляется модулятором М. Обратное преобразование сигналов в символы производится демодулятором ДМ.
Под линией связи понимают любую физическую среду (воздух, металл, магнитную ленту и т.п.), обеспечивающую поступление сигналов от передающего устройства к приемному. Сигналы на выходе линии связи могут отличаться от переданных вследствие затухания, искажения и воздействия помех. Помехами называют любые мешающие возмущения, как внешние (атмосферные помехи, промышленные помехи), так и внутренние (источником которых является сама аппаратура связи), вызывающие случайные отклонения принятых сигналов от переданных. Эффект воздействия помех на различные блоки системы стараются учесть эквивалентным изменением характеристик линии связи. Поэтому источник помех условно относят к линии связи.
Из смеси сигнала, и помехи приемное устройство выделяет сигнал и посредством декодера восстанавливает Сообщение, которое в общем случае может отличаться от посланного. Меру соответствия принятого сообщения посланному называют верностью передачи. Обеспечение заданной верности передачи сообщений - важнейшая цель системы связи.
Принятое сообщение с выхода системы связи поступает к абоненту-получателю, которому была адресована исходная информация.
Совокупность средств, предназначенных для передачи сообщений, называют каналом связи. Для передачи информации от группы источников, сосредоточенных в одном пункте, к группе получателей, расположенных в другом пункте, часто целесообразно использовать только одну линию связи, организовав на ней требуемое число каналов. Такие системы называют многоканальными.
Чувстви́тельность — способность объекта реагировать определённым образом на определённое малое воздействие, а также количественная характеристика этой способности[1].
Параметрическая чувствительность — чувствительность объекта к отклонениям параметров его основных частей от номинальных значений основных характеристик объекта.
Чувствительность системы автоматического управления — зависимость динамических свойств системы автоматического управления (САУ) от изменения (вариации) её параметров и характеристик. Под вариацией параметров понимают любые отклонения их от значений, принятых за исходные; эти отклонения могут быть известны полностью и описаны некоторыми функциями времени или же известны только с точностью до принадлежности к определенному классу (например, ограничены по модулю). Вариации параметров могут быть конечные или бесконечно малые, при этом порядок дифференциального уравнения, описывающего их, может оставаться неизменным или изменяться. В качестве прямых оценок чувствительности принято использовать т. н. функции чувствительности, играющие большую роль в количественной оценке степени влияния вариаций параметров системы на её динамического свойства.
Избирательностью называют способность радиоприемного устройства выделять полезный сигнал и ослаблять действие мешающих сигналов (помех) с помощью различных способов избирательности: частотной, временной, пространственной, поляризационной и др.
Временная избирательность применяется в основном при приеме импульсных сигналов, когда момент появления их известен достаточно точно. При этом используется метод стробирования, когда приемник открывается только на время ожидаемого прихода импульсного сигнала. Остальное время приемник закрыт, что уменьшает воздействие помех.
Пространственная избирательность осуществляется с помощью остронаправленных приемных антенн, а в настоящее время и путем управления фазированными антенными решетками (ФАР). Если источники сигнала и помехи разнесены по угловым направлениям, то можно существенно ослабить уровень внешней помехи на входе приемника, формируя в направлении на источник сигнала максимум диаграммы направленности приемной антенны, а в направлении источника помехи нули (провалы) в диаграмме направленности.
Поляризационная избирательность имеет основное значение. Это объясняется тем, что в радиовещании и в основных системах радиосвязи сигналы отличаются по частоте и их разделение наиболее просто можно осуществить с помощью резонансных цепей и фильтров
В отличие от чувствительности избирательность (селективность) нельзя оценить одним числом, т.к. из-за наличия электронных приборов с нелинейными характеристиками эффекты, вызванные одновременным прохождением сигналов и помех, могут отличаться от тех, какие имели бы место при раздельном их приеме. Поэтому для оценки избирательности пользуются различными способами оценки избирательности. К ним относятся оценка односигнальной избирательности и оценка эффективной (многосигнальной) избирательности.
Пропускная способность — метрическая характеристика, показывающая соотношение предельного количества проходящих единиц (информации, предметов, объёма) в единицу времени через канал, систему, узел.
Используется в различных сферах:
в связи и информатике П. С. — предельно достижимое количество проходящей информации;
в транспорте П. С. — количество единиц транспорта;
в машиностроении — объем проходящего воздуха (масла, смазки).
Может измеряться в различных, иногда сугубо специализированных, единицах — штуки, бит/сек, тонны, кубические метры и т. д.
В информатике определение пропускной способности обычно применяется к каналу связи и определяется максимальным количеством переданной или полученной информации за единицу времени. Пропускная способность — один из важнейших с точки зрения пользователей факторов. Она оценивается количеством данных, которые сеть в пределе может передать за единицу времени от одного подсоединенного к ней устройства к другому.
Пропускная способность канала
Наибольшая возможная в данном канале скорость передачи информации называется его пропускной способностью. Пропускная способность канала есть скорость передачи информации при использовании «наилучших» (оптимальных) для данного канала источника, кодера и декодера, поэтому она характеризует только канал.
Пропускная способность дискретного (цифрового) канала без помех
C = log(m) бит/символ
где m — основание кода сигнала, используемого в канале. Скорость передачи информации в дискретном канале без шумов (идеальном канале) равна его пропускной способности, когда символы в канале независимы, а все m символов алфавита равновероятны (используются одинаково часто).
Пропускная способность нейронной сети
Пропускная способность нейронной сети — среднее арифметическое между объемами обрабатываемой и создаваемой информации нейронной сетью за единицу времени.
Понятие сигнала и канала связи (детерминированный, случайный, непрерывный, дискретный сигналы, квантование сигнала по уровню, по времени, по уровню и по времени одновременно; амплитудная, частотная и фазовая модуляции).
Канал связи (англ. channel, data line) — система технических средств и среда распространения сигналов для передачи сообщений (не только данных) от источника к получателю (и наоборот). Канал связи, понимаемый в узком смысле (тракт связи), представляет только физическую среду распространения сигналов, например, физическую линию связи.
Используют следующие характеристики канала
Эффективно передаваемая полоса частот
;Динамический диапазон
;Волновое сопротивление;
Пропускная способность;
Помехозащищённость
объём
Помехозащищённость
Помехозащищённость 
.
Где 
—
минимальное отношение
сигнал/шум;
Объём канала
Объём
канала 
[1] определяется
по формуле: 
,
где 
—
время, в течение которого канал занят
передаваемым сигналом;
Для
передачи сигнала по каналу без искажений
объём канала
должен
быть больше либо равен объёму сигнала 
,
т.е. 
.
Простейший случай вписывания объёма
сигнала в объём канала - это достижение
выполнения неравенств 
, 
>
и 
.
Тем не менее,
может
выполняться и в других случаях, что даёт
возможность добиться требуемых
характеристик канала изменением других
параметров. Например, с уменьшением
диапазона частот можно увеличить полосу
пропускания.
Классификация
Существует множество видов каналов связи, среди которых наиболее часто выделяют каналы проводной связи (воздушные, кабельные, световодные и др.) и каналы радиосвязи (тропосферные, спутниковые и др.). Такие каналы в свою очередь принято квалифицировать на основе характеристик входного и выходного сигналов, а также по изменению характеристик сигналов в зависимости от таких явлений, происходящих в канале, как замирания и затухание сигналов.
По типу среды распространения каналы связи делятся на проводные, акустические, оптические, инфракрасные и радиоканалы.
Каналы связи также классифицируют на[2]
непрерывные (на входе и выходе канала - непрерывные сигналы),
дискретные или цифровые (на входе и выходе канала - дискретные сигналы),
непрерывно-дискретные (на входе канала - непрерывные сигналы, а на выходе - дискретные сигналы),
дискретно-непрерывные (на входе канала - дискретные сигналы, а на выходе - непрерывные сигналы).
Каналы могут быть как линейными и нелинейными, временными и пространственно-временными[3]. Возможна классификация каналов связи по диапазону частот.
Сигнал (в теории информации и связи) — материальный носитель информации, используемый для передачи сообщений в системе связи. Сигнал может генерироваться, но его приём не обязателен, в отличие от сообщения, которое должно быть принято принимающей стороной, иначе оно не является сообщением. Сигналом может быть любой физический процесс, параметры которого изменяются в соответствии с передаваемым сообщением.
Сигнал, детерминированный или случайный, описывают математической моделью, функцией, характеризующей изменение параметров сигнала. Математическая модель представления сигнала, как функции времени, является основополагающей концепцией теоретической радиотехники, оказавшейся плодотворной как для анализа, так и для синтеза радиотехнических устройств и систем. В радиотехнике альтернативой сигналу, который несёт полезную информацию, является шум — обычно случайная функция времени, взаимодействующая (например, путём сложения) с сигналом и искажающая его. Основной задачей теоретической радиотехники является извлечение полезной информации из сигнала с обязательным учётом шума.
Понятие сигнал позволяет абстрагироваться от конкретной физической величины, например тока, напряжения, акустической волны и рассматривать вне физического контекста явления связанные кодированием информации и извлечением её из сигналов, которые обычно искажены шумами. В исследованиях сигнал часто представляется функцией времени, параметры которой могут нести нужную информацию. Способ записи этой функции, а также способ записи мешающих шумов называют математической моделью сигнала.
По физической природе носителя информации:
электрические;
электромагнитные;
оптические;
акустические
и др.;
По способу задания сигнала:
регулярные (детерминированные), заданные аналитической функцией;
нерегулярные (случайные), принимающие произвольные значения в любой момент времени. Для описания таких сигналов используется аппарат теории вероятностей.
В зависимости от функции, описывающей параметры сигнала, выделяют аналоговые, дискретные, квантованные и цифровые сигналы:
непрерывные (аналоговые), описываемые непрерывной функцией;
дискретные, описываемые функцией отсчётов, взятых в определённые моменты времени;
квантованные по уровню;
дискретные сигналы, квантованные по уровню (цифровые).
Детерминированные сигналы могут быть подразделены на периодические и непериодические. [1]
Детерминированные сигналы задаются в виде некоторой определенной функции времени. [2]
Детерминированные сигналы в окружающей среде отсутствуют, так как сигналов, которые являются полностью определенными, нет. Однако их представление как заранее известных, детерминированных функций используется для анализа случайных сигналов. [3]
Детерминированный сигнал может быть задан IB аналитической форме 1как функция времени s ( /) либо представлен графиком, таблицей, осциллограммой. [4]
Детерминированные сигналы на практике встречаются редко, но их анализ помогает понять многие результаты для более сложных случаев и поэтому имеет большую методическую ценность. [5]