Методология системотехнического проектирования электронных и радиоэлектронных средств (в двух частях)

пищи) и вредной (создание помех находящимся по близости электронным приборам).

4.По природе физических процессов можно разделить входы и выходы электрической природы (движение электронов в проводниках, электростатические и электромагнитныеполя); входыи выходы неэлектрической природы (температура, влажность, давление, радиоактивный фон, механические вибрации и т.д.).

5.По классам свойств входы и выходы можно разделить на пространственные; временные; информационные; физические.

Для описания входов и выходов любой информационной системы достаточно подробно описать эти свойства [1].

Каждая ТС находится в определенном взаимодействии с окружающей средой.

Вкачестве окружающей среды может выступать надсистема, объекты живой и неживой природы и другие ТС, которые находятся в функциональном или вынужденном взаимодействии срассматриваемой ТС и оказываютзаметноевлияниена еёпро- ектно-конструкторское решение [6].

ТС, как правило, эксплуатируется в динамических условиях. Даже если система имеет стационарное назначение и, грубо говоря, «стоит на месте», условия вокруг неё могут самопроизвольно изменяться в силу объективных обстоятельств [9, 10]. Следствиями этого будут:

– изменение качественного и количественного состава входов и выходов «черного ящика»;

– изменение степени полезности входов и выходов вплоть до изменения полезных на вредные;

– одновременное сочетание противоположных качеств полезности.

Например, одним из многочисленных полезных входов смартфона является радиочастотный сигнал, переносящий информацию от звонящего абонента. При этом соответствующим полезным выходом будет являться акустический речевой сигнал. Вредным входом является радиочастотная помеха, а соответствующим ей вредным выходом будет являться акустическая помеха, разрушающая или зашумляющая полезный информационный акустический сигнал. Вход электропитания является полезным входом, однако работа электрического тока частично преобразуется в тепловую энергию (вредный выход), которая влияет на элементы ЭРЭС и на объекты окружающей среды.

После того как определены входы и выходы системы, необходимо детально описать свойства соответствующих процессов, т.е. установить физическую природу связей, физические величины соответствующих параметров, диапазон их возможных значений, единицы измерения и размерность (рисунки 3.6–3.8, таблица 3.5) [6–8, 11–16].

260

Таблица 3.5 – Фрагмент словаря входов (выходов) «черного ящика» [6]

На этапах анализа связей ТС со средой и синтеза ФПД одним из основных требований к системотехнику является наличие у него способности к использованию фонда известных на данный момент физических и физико-технических эффектов и явлений.

Вкачестве примера на рисунке 3.9 приведена фотография обычного домашнего компьютера с указанием некоторых основных интерфейсов в терминах словаря входов и выходов «черного ящика» (см. таблицу 3.5).

Коротко общая процедура анализа модели «черного ящика» такова [1]: 1) перечислить все входы и выходы в отдельных списках; 2) полностью описать каждый перечисленный член;

3) попытаться связать множества входов со множествами выходов, угадывая знакомые преобразующие агенты или передаточные функции.

Вперечисленных операциях уяснение задачи незаметно сливается с синтезом систем. Действительно, положим, что задача распознания в третьем пункте процедуры не решается с первой попытки. Тогда следующим логическим шагом было бы разбиение совокупной системы на все меньшие подсистемы, пока не обнаружится, что некоторое подмножество входов может быть преобразовано желательным способом. Это влечет за собой формирование внутренней структуры системы, т.е. ее

262

синтез. Возникаетвопрос, гдета грань, котораяотделяетэтап анализа задачи отэтапа синтеза системы, и как её определить?

видеовход

аудиовыходы

Рисунок 3.9 – Примеры интерфейсов персонального компьютера

Итак, первый шаг – составить исчерпывающий перечень всех входов и выходов системы, рассматриваемой как «черный ящик». Очевидно, что входы и выходы можно сгруппировать по тому, несут они информацию, энергию или материалы. Такая группировка полезна тем, что проектирование частей системы, работающих с тремя типами входов, допускает известное разделение.

Например, если входом является информация в электрической форме, то нужен инженер-связист, чтобы спроектировать передатчик – входное оборудование. Энергетическим входом в эту систему является электрическое питание, а потому требуется инженер-энергетик, чтобы спроектировать различные подсистемы, превращающие и распределяющие энергию.

Следующий шаг – дать полное техническое описание каждого входа и выхода. Если входом является поток информации, то необходимо знать его источник, его начало, продолжительность и конец, его язык или код, его информационное содержание, скорость и избыточность. Важны также его физические свойства; если

263

информация поступает в электрической форме, то необходимо знать форму сигнала во времени, его положение на оси частот и т.д.

Эти входы затем анализируются для определения числа их видов и интенсивности каждого вида. Если существует только один вид входа, например пассажиры, проходящие через турникет метрополитена, то система (сбора монет) будет очень простой. Если же в этом примере поведение входов (людей), интенсивность входов

иреакция системы таковы, что образуется очередь недопустимой длины, то система будет сложнее: ряд турникетов, разменный автомат и мегафонная установка. Для проектирования такой системы потребуется инженер-механик, специалистпомассовому обслуживанию и специалист по технической психологии.

При наличии более чем одного вида входов система будет ещё сложнее, так как она должна различать каждый вид. Когда мы говорим по телефону, один вид входа посылается при снятии трубки (сигналвызова); другой вид – при набореномера (импульсы набора); третий – при возвращении трубки на место (сигнал отбоя). Система различает входы благодаря учету последовательности событий; говорят, что входы уплотнены во времени. Другой пример той же идеи для материальных входов – система нефтепровода, транспортирующая по очереди различные сорта нефти.

Платное шоссе, где взимаются разные сборы с легковых и грузовых автомобилей, может иметь разные полосы движения через шлагбаумы; здесь входы уплотнены в пространстве. Другой пример для информационных входов – станция пожарной сигнализации, к которой могут подключаться по разным линиям сотни пожарных извещателей из всех частей города. Стоит отметить, что в информационных системах весьма распространено частотное уплотнение.

Мы назвали тринаиболеераспространённых метода уплотнения, желаяпоказать полезность разделения входов и выходов по числу и виду. Полезным оказывается

иотличение этих аспектов проектирования от тех, которые связаны с единичным входом.

Иногда проводят синтез системы отдельнодля каждоговида входов, а затем рассматривают,какиеусложнениявозникаютпри одновременномдействии многихвходов. Авторы [17] используют весьма удачные термины: проектирование единичной нити для первого аспекта и проектирование большой нагрузки для второго. Второй термин, однако, недостаточно общий, так как требование множественных входов не всегда заставляет обращаться к методам теории массового обслуживания (или, как её ещё называют, теории очередей).

Рассмотрим, например, проектирование домашнего радиоприёмника. Проблема единичной нити – связатьи спроектировать функции усиления и демодуляции таким образом, чтобы слушать только одну передающую станцию. Проблема множественныхвходов – спроектировать функциювыбора станции, обеспечивающую приём одной станции без помех от других станций. Мы можем рассматривать входы как «ждущие неопределенно долго в очереди», но такая интерпретация в терминах теории массового обслуживания нисколько не облегчает проектирование регулятора настройки, хотя она могла бы привести нас к шкале предварительной кнопочной настройки и «искателям сигналов», если бы эти идеи не были уже известны. Более

264

общий термин «проектирование множественных входов» включает проектирование большой нагрузки как частный, но важный случай.

В домашнем радиоприёмнике желательными выходами являются сигналы станций, но только от одной станции сразу. Это подсказывает другую полезную дихотомию: желательные и нежелательные входы и выходы. Нежелательным множественным входом (уплотнённым по частоте) являются атмосферные или космические помехи. Этот вход может искажать или не искажать радиопрограмму в зависимости от конструкции приёмника и силы желательных входных сигналов. Желательный единичный вход способен произвести нежелательный множественный выход. Например, плохой сглаживающий фильтр способен превратить часть желательного энергетического входа частотой 50 Гц в нежелательный гармонический фон. С другой стороны, радиоприёмник может производить нежелательные выходы, когда питание включено, но других выходов нет, например тепловой шум в настроенном входном контуре или в преобразовательной лампе. Защитой от них может служить более эффективный входной контур или ступень усиления высокой частоты между антенной и преобразователем.

Эти примеры показывают, что значительная часть проектирования направлена на предупреждение того, чтобы желательные или нежелательные входы, или даже полное отсутствие входов, производили нежелательные выходы. Этот аспект назы-

вается проектированием противодействия [1].

Проектирование противодействия не имеет какого-либо одного определенного орудия, как не имеет его проектирование единичной нити и множественных входов. Преждечем утверждать нечтоболееположительное, необходимознать, окаком виде систем идет речь. Если, скажем, это передающие системы, то во всех трех аспектах проектирования понадобятся теории шума, взаимных помех, модуляции, электронных схем и пассивных четырехполюсников.

Один важный раздел проектирования противодействия получил название состязательного проектирования. Оно применяется, когда нежелательный единичный или множественный вход, поступающий из человеческого источника, пытается разрушить систему или нарушить её желательные выходы.

Простые примеры: противник, заглушающий желательный вход в радиоприемник организованными помехами, и антиракета, атакующая ракету.

Хотя состязательные аспекты всегда присутствовали при выборе и разработке коммерческих систем, но гонка вооружений сделала проектирование противодействия специальностью военизированных наций. Проектирование противодействия не дает новшеств, а лишь подчеркивает значение уже существующих. Прежде всего следует возможно более полно изучить технику и тактику противника, а тем временем держать свои средства и действия в тайнеили ввести противника в заблуждение. Этап синтеза состоит в создании средств, способных противостоять самым последним ухищрениям другой стороны. Так как состязательное преимущество никогда

265

не длится долго, а время упреждения в проектировании всегда коротко, то быстрота проектирования становится жизненной необходимостью [1].

Свойства сообщений и сигналов. В таблице 3.6 приведен полный перечень свойств сигналов и сообщений [1]. Какие именно описывать свойства входов и выходов, зависит в значительной мере от типа рассматриваемой системы, аналитических методов, которыми располагает проектировщик, и других факторов. В некоторых задачах информационные свойства могут иметь малое значение, тогда как в других они играют ведущую роль. Кроме того, некоторые свойства можно описать разными способами. Например, сигналы можно описать во временной области формами волн (временные функции сигналов) или в частотной области спектрами. Выбор метода зависит от сравнительного удобства, возможности измерения и других факторов.

Пространственные, или географические, свойства. Пространственные коорди-

наты источников и адресатов почти всегда указаны. В ряде случаев, как в телефонных системах, источники однозначно описываются присвоением каждому особого номера; в этих системах для передачи сигналов требуется образовать определённые пути между парами номеров. В радиовещании координаты адресатов непосредственно не известны; здесь важно лишь знать расстояния, на которых будет принят сигнал заданной мощности.

Таблица 3.6 – Свойства сообщений и сигналов

266

Окончание таблицы 3.6

Например,телефонныйобмен характеризуется часовыми колебаниями в течение суток, колебаниями по дням недели, временам года, праздникам и долговременными тенденциями.

При выборе системы со многими входами внимание обычно сосредоточивается на коллективных временных и пространственных свойствах всего класса или подклассов источников, создающих сообщения одного рода. Пример – класс источников, создающих телефонные сообщения. В таблице 3.6 перечислены свойства, для которых даются статистические описания, в том числе средняя скорость сообщений из каждого источника, их средняя длина и т.д. Параметры соответствующих распределений обычно не являются постоянными во времени, иными словами, перед нами нестационарные процессы. Для адекватного описания таких процессов необходимо исследовать автокорреляционную функцию, чтобы обнаружить периодичности и тренды.

267

Временные свойства. Начало и конец сообщений и сигналов представляют собой мгновения во времени. Во многих случаях эти мгновения очень важны и отмечаются специальными стартовыми и стоповыми сигналами. Длительность сообщения или сигнала есть разность во времени между началом и концом. Часто при анализе сигналов вместо слов «начало» и «длительность» употребляются слова «эпоха» и «эра». Иногда бывает важно записывать одно или несколько из этих временных свойств. Например, записывают начало, конец и длительность междугородных телефонных разговоров, чтобы на основании этих данных предъявить абоненту счет.

Начало, конец и длительность для сообщения и длясигнала не обязательно одни и те же. Начало и конец сигнала должны всегда быть позже начала и конца сообщения, так как в физически осуществимых кодирующих устройствах неизбежна задержка. Для сокращения длительности сигнал может кодироваться более эффективно, чем сообщение, и его можно передавать по быстродействующей системе. Всякое различие в длительности сообщения и сигнала требует хранения сигнала в кодирующем устройстве.

Информационные свойства. Полная характеристика входов и выходов должна включать их информационные свойства. Причины, почему для систем со многими входами эти свойства описываются статистически, совершенно очевидны.

Например, число кодирующих устройств и число их типов в информационной системе зависят от частоты появления различных языков и от числа сообщений на каждом языке.

Средняя скорость производства информации в элементарной системе связи должна быть одна и та же во всех частях системы. В практических многозвенных системах возможны три ситуации. Кодированный сигнал по отношению к соответствующему сообщению может иметь: 1) то же самое количество информации; 2) меньшее количество; 3) в ограниченном отрезке времени большее количество.

Предположим, что нужно понять, как ведет себя система, в которой сообщения переходят из одного места в другое. Среди многих вопросов, которые можно задать по поводу этих сообщений, будут и такие:

а) сколько протекает информации; б) сколько имеется различных видов сообщений;

в) каково значение каждого сообщения для получателя; г) какова ценность сообщений;

д) как часто проходит сообщение каждого вида и как связаны между собой прохождения сообщений разных видов?

Ответы на эти вопросы могут быть весьма существенны для разработки новой системы. Однако теория информации совершенно не занимается вопросами в и г. Её предмет – вопросы а, б и д, но мера информации, которую она дает, является весьма частной – гораздо более узкой, чем требуется для создания практических систем.

Сообщения и сигналы могут быть непрерывными или дискретными функциями времени, но одно равносильно другому.

268

Положим, что сообщения выбираются из совокупности m символов (где m –раз- мер используемого алфавита. Например, для русского алфавита m = 33, для английского – m = 26, для двоичного (или бинарного) – m = 2 и т.д.). Пусть этим символам приписаны вероятности p1, p2, …, pi, …, pm и символы появляются независимо. Важным параметром такого распределения является среднее значение

m

h pi f pi .

i 1

Шеннон использовал этот параметр для определения средней информации на символ, выбрав функцию f pi со следующими свойствами:

1)количество информации для любого символа является неотрицательной величиной, т.е. hi 0;

2)функция h непрерывна по pi ;

3)информации в символе тем больше, чем менее он вероятен, т.е. функция убывает монотонно относительно pi и если все m вероятностей одинаковы, то количе-

ство информации на символ достигает максимума;

4) мера информации аддитивна, т.е. если p1 и p2 – вероятности двух событий,

наступающих независимо, то информация, заключенная в совместном наступлении двух событий, равна h p1, p2 h1 h2 .

Условная единица информации соответствует алфавитуиз двух равновероятных символов:

Величина hназывается энтропией источника. Энтропия максимальна, когда последовательность знаков случайна, т.е. когда следующим знаком может быть с одинаковой вероятностью любой из возможных символов независимо от того, что было раньше. Формула (3.3) при этом дает максимально возможную информацию на знак при алфавите в m символов. Так как p1 p2 pm 1/ m и между символами нет связи, то

hmax log2 m.

В реальности в большинствеупотребительных языков символы алфавита неравновероятны. Например, среднее количество информации на знак для английского

269