Формы и виды представления информации.
ЕДИНИЦЫ КОЛИЧЕСТВА ИНФОРМАЦИИ [3]
Выделяют две формы представления информации – непрерывную и дискретную. Непрерывная форма – это величина, характеризующая процесс, не имеющий перерывов или промежутков, например, температура тела человека, скорость перемещения автомобиля за определенное время на участке пути без остановок (рис. 25а).
U, B
t, c
U, B
t, c
а) аналоговый сигнал, б) цифровой (дискретный) сигнал,
(непрерывный) (импульсный)
Рис. 25. Виды представления информации
Часто возникает необходимость представить информацию в форме, отличной от привычной. Так, для передачи информации на расстояние изобретен телеграфный код Морзе, в котором буквы и цифры закодированы с помощью коротких и длинных импульсом (точка, тире). Почтовый индекс, − закодированный адрес. Дискретная форма представления информации – это последовательность символов, характеризующая прерывистую, изменяющуюся величину.
Автоматы по индексам быстро и точно сортируют конверты. Преобразование адреса почтового отделения в 6-значное число позволило заменить малопроизводительный труд человека по сортировке писем автоматами.
Код – это ключ для перевода информации из одной формы в другую. Таким образом, процесс преобразования информации в совокупность символов, определяемую кодом, называется кодированием.
Электронные элементы, применяемые в компьютерах, имеют два состояния – есть импульс или нет импульса, поэтому вся информация для компьютеров кодируется в двоичной системе исчисления (рис. 25б). Любой символ (цифра, буква, знак) получает кодированное обозначение с помощью цифр 1 и 0, составляющих основу двоичной системы исчисления.
Информацию записывают с помощью символов: десятичных цифр, букв русского, латинского или другого алфавита, специальных знаков. Для обработки на компьютере информацию сначала переносят на машинные носители. С их помощью можно многократно вводить эту информацию.
Рассмотрим основные единицы информации. Наименьшей единицей информации является бит, принимающий значение 1 или 0. Более крупная единица информации – байт. Он состоит из 8 бит.
Таблица 11
Единицы измерения информации.
Единица |
Количество байтов (битов) |
||
Обозначение |
Наименование |
Точное значение |
Приближенное значение |
Кбит |
Килобит |
1024 |
103 |
Мбит |
Мегабит |
10242 |
106 |
Гбит |
Гигабит |
10243 |
109 |
1 Байт = 8 Бит |
|
|
|
Кбайт |
Килобайт |
1024 |
103 |
Мбайт |
Мегабайт |
10242 |
106 |
Гбайт |
Гигабайт |
10243 |
109 |
Байт – основная единица количества информации, хранимой в памяти ЭВМ, − используется для обработки более крупных единиц (табл. 11).
ИНФОРМАЦИЯ И ЕЕ ПЕРЕДАЧА [6]
Под словом «информация» понимают целенаправленные конкретные сообщения, смысл которых ясен человеку и может быть прочитан устройством, воспринимающим информацию.
В технике автоматизации это преимущественно сообщения о фактическом значении величин и о состоянии отдельных процессов.
Пример: Информация о температурных параметрах процессов, протекающих в печах отжига, используется для дозирования горючего, а о параметрах давления в контейнере – для регулирования притока воздуха.
В качестве носителей информации в технике автоматизации используют НГМД, магнитофонные ленты, а также оптические диски и другие физические переменные, например, ток, сжатый воздух, электромагнитные волны (табл. 12).
Таблица 12
Примеры отображения информации с помощью различных носителей
Носитель информации |
Способ отображения информации |
Использование носителя информации |
Дисковый кулачок |
С помощью переменного радиуса |
Ввод задающего воздействия в устройстве управления и т.д. |
Электрический ток (например, выходная величина термометра сопротивления) |
Электрическое напряжение |
Сбор данных о температуре в помещении |
Магнитная лента |
С помощью магнитной индукции |
Запоминание данных |
В зависимости от того, должна ли информация незамедлительно обрабатываться внутри системы, используются различные носители и средства отображения информации.
Передача информации [6]
Принцип передачи информации можно описать на примере структурной схемы, представленной на рис. 26.
С помощью передающего устройства ПУ производится сбор информации и ее передача. Для обеспечения дальнейшей передачи информации в устройстве кодирования УК осуществляется необходимое (в большинстве случаев) преобразование носителя информации. Через канал связей КПИ осуществляется передача информации. С помощью декодера Д информация снова преобразуется в форму пригодную для восприятия (прочтения) приемным устройством ПРУ. Прием информации осуществляется приемным устройством ПРУ.
ПУ
УК
КПИ
Д
ПрУ
ПУ – передающее устройство (источник информации)
УК – устройство кодирования
КПИ – канал передачи информации
Д – декодер
ПрУ – приемное устройство, потребитель информации.
Рис. 26. Принцип передачи информации
Основная цель передачи информации заключается в достоверном ее переносе с различных носителей. Канал, по которому осуществляется передача информации, называется каналом связи.
Пример. В промышленных установках с централизованными устройствами сбора результатов измерений и управляющими ЭВМ зачастую требуется передача информации на расстояния более 10 км. При выборе технологии и средств передачи информации решающими факторами являются восприимчивость оборудования к помехам и его стоимость. Применявшийся до последнего времени медный кабель уже не соответствует современным требованиям в точности, надежности и пропускной мощности. Кроме того, для его производства необходима дорогостоящая медь. Поэтому в настоящее время отдают предпочтение световодным кабелям, предназначенным для помещений с повышенной взрывоопасностью.
Такие кабели маловосприимчивы к электрическим и электромагнитным помехам промышленных предприятий. В качестве средств передачи используют оптические волокна из кварцевого стекла, производство которого имеет обширную сырьевую базу.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЛИНИИ СВЯЗИ [7]
Общие сведения [7]
В электросвязи все более широкое применение находят оптические системы с использованием одномодовых или многомодовых оптических волноводов. Волоконная оптика строится из волокон силикатного стекла или других подобных материалов с диаметром от 10 до 400 мкм с покрытием, имеющим несколько меньшую диэлектрическую постоянную. Такой кабель имеет исключительно малые потери: для волокна с высоким содержанием кварца потери составляют всего 0,5 дб/км. Волокна не обладают индуктивностью, поэтому они не подвержены действию электромагнитных помех.
По характеристикам и функциям в волоконно-оптической системе связи можно выделить три основные категории устройств:
источник света и связанную с ним схему возбуждения;
оптическое волокно и механическую конструкцию кабеля;
фотодетектор и приемную схему.
Ограничения, накладываемые на характеристики волоконно-оптических систем, в частности на расстояния между повторителями, определяется двумя параметрами: шириной полосы пропускания и мощностью оптического излучения. Поскольку каждый повторитель требует, чтобы фотодетектор и передатчик были расположены в непосредственной близости друг от друга и противоположно направлены, размещение повторителей на линии является критической характеристикой волоконно-оптической системы. Дисперсия и затухание определяется структурой волокна. Неисправности на соединителях или поврежденные волокна могут привести к тому, что на повторители будет поступать недостаточная мощность.
Следует учитывать и другие факторы, такие как частоту модуляции, оптическую яркость, чувствительность детектора, время нарастания сигнала, коэффициент шума и др.
Типы оптических волокон [7]
Существуют три основных типа волокон: многомодовые со ступенчатым изменением показателя преломления, многомодовые с плавным изменением показателя преломления и одномодовые. Имеет смысл кратко рассмотреть характеристику каждого типа.
Свет представляет собой электромагнитную волну. Распространение света по волокну требует, чтобы соединитель и волокно были правильно состыкованы.
Показатель преломления волокна зависит от расстояния по радиусу от центра волокна. Показатель преломления равен:
n = С / V ,
где: С – скорость света в вакууме (3×103 м/с);
V – скорость света в волокне.
Волокна со ступенчатым изменением показателя преломления [7]
На рис. 27 показано изменение показателя преломления таких волокон в зависимости от расстояния по радиусу от центра волокна. При радиусе Rс показатель преломления резко меняет величину. Поперечное сечение волокна делится на две области: круглую сердцевину и окружающую ее кольцевую оболочку. Внутри волокна оптическая энергия распространяется за счет полного внутреннего отражения на поверхности раздела сердцевина – оболочка. Показатель преломления сердцевины выше, чем оболочки. В принципе оболочкой мог бы служить и воздух, имеющий показатель 1,0. Однако оболочка служит еще для фиксации сердцевины. Типичные значения показателей преломления составляют n1 = 1,48 и n2 = 1,46.
Полоса пропускания волокна зависит от характеристик распространения. Строгий анализ распространения оптического излучения включает решение уравнения Максвелла с соответствующими граничными условиями. Этот анализ показывает, что распространяющаяся энергия распределена между количествами наложенных друг на друга составляющих поля, называемых модами. Различия в характеристиках распространения этих мод обуславливают дисперсию мод, которая является одним из факторов, ограничивающих полосу пропускания. Для иллюстрации причин возникновения дисперсии мод часто используют рассмотрение геометрии лучей.
По закону Снелла минимальный угол, при котором происходит полное внутреннее отражение, находят из выражения:
или
Лучи, которые падают на поверхность раздела сердцевина – оболочка под углом, меньшем 80,6º теряются в оболочке. На рис. 28 показана полная длина пути луча, падающего под таким углом составляет 1014 м.
Показатель
преломления
n1
сердцевина
n2
n1
RB
RC
RC
RB
оболочка
n2
Радиус
а) б)
Рис. 27. Профиль изменения показателя преломления для волокон со ступенчатым его изменением (а). Резкое понижение показателя преломления на границе между сердцевиной и оболочкой. (б) – поперечное сечение волокна. Центральная часть – сердцевина с показателем преломления n1 и окружающая ее оболочка с показателем преломления n2
Если сравнить с расстоянием, которое проходит луч, распространяющийся вдоль центральной оси волокна, получится разница в 14 м. Скорость распространения задана выражением:
м/с
Ввод
в сердцевину
неосевых
лучей
света
50 мкм
диаметр
сердцевины
сердцевина
оболочка