6 Тарау. Ақпараттық жүйені кодтаудың негiздерi

6.1 Сигнал мен каналдың физикалық сипаттамасына сәйкестік.

6.2 Хабарлама және байланыс каналдар қайнар көзінің статистикалық қасиетіне сәйкестік.

6.3 Үздіксіз және дискретті байланыс каналдарының моделі.

6.4 Үздіксіз және дискретті байланыс каналдарының өткізу мүмкіндіктері.

6.5 Уақыт бойынша дискреттеу.

6.6 Котельников теоремасы бойынша есептеулердің дәлдігін таңдау.

6.1 Сигнал мен каналдың физикалық сипаттамасына сәйкестік

Сигнал дегеніміз физикалық құрылымдардың обьектінің немесе ортаның физикалық қасиеттері, жағдайы және тәртібі туралы берілетін ақпараттық қызмет. Жалпы алғанда, сигналдарды өңдеу мақсаты деп оларда бейнеленген нақты ақпараттық мәліметтерді (пайдалысында, мақсаттысында) алып, ол мәліметтерді қабылдау және одан әрі пайдалану үлгісіне келтіруді айтады.

Қажетті деп іріктеп алынған мақсатты сигналдарды саралау кезінде негізгі сигналдармен бірге оларға бөгет жасайтын шулармен түрлі кедергілерді тіркейді. Түрлі кедергілерге өлшеу барысы кезінде тұрақтылықты бұзатын әртүрлі факторлар, мысалы: электрлік бақылауды өлшеу кезінде бұзатын найзағай разрядтары және т.б. Ақпараттық сигналдардағы тіркелген барлық сигналдардан пайдалысын бөліп алу, бірақ пайдалысын сақтай отырып, ақпараттық сигналдағы шулар мен бөгеттерді шекті мөлшеріне дейін жою, сигналдарды алғашқы өңдеудің (бақылау нәтижелерінің) ең басты міндеттерінің бірі саналады.

Сигналдарды пайдалысына және бөгет жасайтынына (шулар) бөліп алу шартты түрде екенін көрсету қажет. Бөгет жасайтын сигналдардың көздері болып түрлі физикалық процестер, құбылыстар және обьектілер саналады. Бөгет жасайтын сигналдардың шығу табиғатын анықтағанда олар ақпараттық разрядтарға ауысып кетуі мүмкін.

Сигналдардың өлшемдері

Сигналдардың көп өлшемді қызметтері бар. Олар: уақытша және өзгерістерге тәуелсіз, жан-жақты таратылған. Көбінесе бір өлшемде берілген сигналдардың нәтижесінде пайда болған көп өлшемді сигналдар жиі пайдаланылады.

Көп өлшемді сигналдар өз аргументтері бойынша әртүрлі мәліметтер беретін болып кездесуі мүмкін.

Көп өлшемді сигналдар бір өлшемді сигналдардың реттелген қосындысы түрінде қаралады. Осыны ескере отырып математикалық аппараттар жеткілікті мөлшерде терең зерттейтін бір өлшемді сигнал-дарды талдау және өңдеудің көптеген принциптерімен практикалық әдістері көп өлшемді сигналдарға да пайдаланылады. Сигналдардың физикалық табиғаты сигналдардың математикалық аппараттарда өңделуінде ешбір мәнге ие бола алмайды.

Сонымен қатар, көп өлшемді сигналдарды өңдеудің өз ерекшеліктері бар және олардың сандарының дәрежесі көп болуына байланысты бір өлшемді сигналдардан айырмашылықтары көп болуы мүмкін. Көп өлшемді сигналдарды дискретизациялау барысында сигналдардың тек жиілік спекторы ғана емес, дискретизацияның расторлық үлгісінің де маңызы зор.

6.2 Хабарлама және байланыс каналдар қайнар көзінің статистикалық қасиетіне сәйкестік

Сигналдардың математикалық жазылуы

Сигналдар теориялық зерттеу мен практикалық талдаудың обьектісі болуы үшін оны математикалық жазу әдісі - сигналдың математикалық моделі көрсетілуі қажет. Математикалық жазу сигналдың физикалық табиғатынан және оны жеткізетін материалдық үлгіден оқшаулауға, сигналдарда кластық топқа бөлуге, оларды салыстыруға, дәрежелерін анықтауға, сигналдарды өңдеудің жүйесін модельдендіруге жағдай туғызады. Тәртібінде сигналдарды жазу сигналдың белгілі ақпараттық параметрлерінің тәуелді ауыспалы (аргументі) – s(х), y(t)-нен сигналдың қызметтік тәуелділігіне ауыстыруға жағдай туғызады. Сигналдардың математикалық қызметін жазу заттай да, сол сияқты кешенді де болуы мүмкін.

Сигналдардың математикалық модельдері

Физикалық мәліметтерді талдау теориясы мен өңдеу тиісті физикалық өрістер мен процестердің математикалық моделіне негізделеді. Модельдер кесте, графика, қызметтік тәуелділік, заттың бір күйінен екінші күйіне ауысу және теңесу жағдайларымен беріледі. Егер үлгідегі тізбелер істің зерттеліп отырған обьектінің жағдайы мен тәртібін белгілі дәлдікпен болжауға мүмкіндік беретін болса математикалық модельдердің түп нұсқасы болып саналуы мүмкін.

Тәуелсіз үзілістерге берілген тапсырмалардың интервалы арқылы анықталатын және сигналдың таралу аумағы, сигналдың математикалық моделінің кез келген бөлінбес бөлшегі. Үзілістерге арналған интервал тапсырмаларының мысалдары:

a ≤ x ≤ b, x Î [a,b].

A < y ≤ b, y Î (a,b].

a < z < b, z Î (a,b).

Тәуелсіз үзілістердің мәнінің таралу аумағы –Ґ тен +Ґ дейін әдеттегідей R:=(-Ґ ,+Ґ ), x Î R индексімен белгіленеді. Сонымен қатар, сигналдарды анықтау аумағы үзілістердің мәнін сандық түрде айқындауы мүмкін (бүтіндік, рационалдық, заттық, комплекстік).

Модельдердің сигналдық түрлері

Физикалық деректерді талдауда сигналдардың математикалық модельдерін құруға екі түрлі әдісті пайдалануға болады.

Бірінші әдіс мазмұны кез келген уақытта немесе кеңістіктің жай нүктесінде мәлім және дәл анықталған болуы мүмкін аударылған (детерминирленген) сигналдарға негізделеді. Математикалық әдістерде аударылған сигналдар – бұл жеткілікті дәрежеде дәлдеп, есептеп, оны математикалық формулалармен немесе есептеу алгоритмдерімен нақтылап жазуға болады.

Екінші әдіс кездейсоқ сигналдар мәнін көрсетеді, олар кейбір мүмкіндіктерді еске алып, нақты мазмұнға ие болатынын ескеріп және статистикалық суреттемелерді пайдаланып жазу қажет.

Кездейсоқ жағдайлардың болуына сигналдардың өзіне тән физикалық табиғилылығы себеп болады. Мысалы: ядролық геофизикалық әдістер және тіркелген сигналдардың уақытқа немесе пайда болған орнына, мазмұнына байланысты болады. Осы тұрғыдан алғанда сигналдардың кездейсоқтығы өзінің табиғатына, обьектілердің физикалық қасиетіне байланысты кездейсоқ анықталатын параметрлермен немесе құрылысы күрделі, нәтижесін анықтау қиын геологиялық ортаның әсерлерінен алынған бейне деп қарауға болады.

Сигналдарды топтастыру

Сигналдарды топтастыру олардың математикалық модельдерге сәйкестік белгілеріне қарай жүзеге асырылады. Барлық сигналдар аударылған және кездейсоқ екі ірі топқа бөлінеді.

Ақпарат және сигналдарды беру теориясында ақпарат ретінде оларды кеңістік пен уақытта беру аспектісінде қарастырылатын қандайда бір оқиғалар, процестер, оқиғалар туралы мәліметтер жиынын түсінеді.

Ақпаратты хабарлама түрінде береді. Хабарлама деп көзден адресатқа жіберуге арналған және белгілі бір формада көрсетілген ақпаратты айтады. Хабарлама мысалы ретінде мыналар бола алады: телеграмма мәтіндері, сөз, музыка, телевизиялық бейне, компьютердің шығысындағы деректер, обьектілерді автоматты түрде басқару жүйесіндегі командалар және т.с.с. Хабарламаны ақпаратты тасығыш болып табылатын сигналдар көмегімен береді. Сигналдардың негізгі түрі электрлік болып табылады. Кейінгі кезде оптикалық сигналдар кең таралуда, мысалы, ақпаратты талшықты-оптикалық беру желісінде.

Ақпарат теориясында ақпаратты сигнал көмегімен қашықтыққа беру кезінде орын алатын процестердің қасиетін зерттейді. Сонымен қатар, ақпаратты беру жылдамдығы мен сапасы түсініктері маңызды мәнге ие.

Ақпаратты беру сапасы неғұрлым жоғары болса, қабылдаушы жақтағы ақпараттың өзгерісі соғұрлым аз болады. Ақпаратты беру жылдамдығының артуына байланысты ақпараттың жоғалуы және сапасының төмендеуіне қарсы арнайы шаралар қабылдау керек.

Ақпараттық жүйенің обьектілері

Функционалдық тағайындалуына байланысты ақпараттық техниканың негізгі кластарын бөліп қарастыруға болады:

• желілер, байланыс жүйелері және телекоммуникациялар (телеграфтық, телефондық, телевизиялық, компьютерлік және т.б.);

• ақпараттық-өлшеу жүйелері (радионавигациялық, радио-локациялық, телеметрикалықжәне т.б.);

• ақпаратты түрлендіру жүйелері (аналог-сандық, сандық-аналогтық түрлендіргіштер, сандық компьютерлер және т.б.);

• ақпараттық-іздеу жүйелері және деректер базалары негізінде ақпаратты сақтау жүйелері;

• обьектілерді эксперименталді бақылау және басқару жүйелері.

Ақпаратты беру жүйесінің жалпыланған схемасы 6.1-суретте көрсетілген.

Ақпарат көзі

Беруші

Байланыс

Қабыл-дағыш

Ақпарат қабылдаушы

Кедергі көзі

6.1-сурет - Ақпаратты беру жүйесінің құрылымдық схемасы

Беруші бастапқы хабарлама A(x)-ны 1(x) сигналына түрлендіреді, мұндағы x – тәуелсіз айнымалы. Хабарламалар мен сигналдар уақытқа байланысты жиі қарастырылады. Байланыс линиясының ролін кез келген физикалық орта орындай алады (ауа, өткізгіш, оптикалық талшық). Кедергілер әсерінен өзгеріске ұшыраған сигнал 2(x) қабылдағышта хабарламаның көшірмесіне түрленеді B(x). Ол мүмкіндігінше оригинал A(x)-қа жақын болуы керек.

Көп арналы ақпаратты беру жүйесі бір ғана байланыс желісі бойынша бір мезгілде және өзара тәуелсіз хабарлама беруді қамтамасыз етеді. Ондай жүйенің құрылымдық схемасы 6.2-суретте көрсетілген.

Тығыздық

Кедергі көздері

Бөлгіш

6.2-сурет - Жүйенің құрылымдық схемасы

ИС, ПС – хабарлама көзі мен алушысы, К – кодерлер, М- модуляторлар, Дк- декодерлер, Дм-демодуляторлар.

Байланыс түйіні (ақпараттық түйін) неғұрлым күрделі жүйе болып табылады, себебі көпарналы ақпаратты берумен қатар келесілерді қамтамасыз етеді:

• Хабарламаның көзі мен алушының арасында қысқа жолды таңдау;

• Приоритеттер жүйесін сақтау;

• Бос арналар болмаған кезде ақпаратты жинау мен сақтау;

• Барлық көрсетілген функцияларды автоматты режимде компьютермен басқару.

Ақпараттық желі байланыс линиялары көмегімен қосылған ақпараттық түйіндер жиыны болып табылады.

Графтың төбелері gi, i=1,…,n, ақпарат түйіндерін білдіреді, доғалар-байланыс линиялары, олардың координаталары ij болып өткізу қабілеті, хабарлама ағынының интенсивтігі, арна құны және тағы басқалар табылады.

Ақпараттық жүйені бұқаралық қызмет көрсетудің желілік жүйесі ретінде қарастырады. Ақпараттық желілерді құру кезінде анализ, синтез және оңтайландыру есептерін шешу қажет. Есептердің негізгі кластары мыналар:

• хабарлама көздерінің ақпараттық сипаттамасының анализі;

• сигналдармен кедергілердің анализі мен синтезі;

• ақпаратты беру әдістерінің кедергіге төзімділігінің анализі мен синтезі;

• ақпаратты беру әдістерінің кедергіге төзімділігінің анализімен синтезі;

• корректерлеуші кодттардың анализі мен синтезі (қателерді табу мен түзету);

• ақпаратты беру арналарының анализінің синтезі.