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

языка составляет h 4,14 бит на букву против h 4,7 бит на букву, как если бы вероятность появления букв в сообщениях не зависела от очередности их появления. Таким образом, можно заключить, чтоанглийский алфавит эквивалентен новому алфавиту из 18 символов (антилогарифм 4,14), появляющихся с равными вероятностями. Это приводит к еще одному информационному свойству входов и выходов «черного ящика».

Пусть имеется источник, производящий дискретные сообщения с алфавитом из m символов. Эффективность языка определяется как

Эту величину иногда называют относительной энтропией. Избыточность языка есть дополнение эффективности до единицы:

R 1 E .

Избыточность хороша во всех практических системах связи.

Например, громадное интуитивное знание родного языка, которым обладает большинство людей, делает их способными предсказывать недостающие части сообщений. Знакомство со словами, грамматикой и идиомами позволяет заполнять пробелы и исправлять искажения.

Важно помнить, что энтропия не имеет никакого отношения к тому, что обозначают символы; она учитывает только их частоту и корреляцию. Иначе говоря, статистическая теория связи не дает меру для семантического содержания, или концептуального значения, сообщений. Энтропия является абсолютно объективной мерой. Она не говорит ничего о ценности информации для источника или для адресата. Системотехник должен принимать это во внимание, так как при решении задач ему может потребоваться знать, что означает каждый символ или последовательность символов для источника и для предполагаемого адресата.

Физические свойства. Для удобства изложения статистическая теория связи разделяется на две области:

1)исследование сообщений и сигналов;

2)связь при наличии шума.

Исследование физических свойств сигналов является логическим началом второй области.

Физические свойства сигналов необходимо знать, многие из них должны быть совместимы с сигнальным каналом и другими элементами информационной системы.

Например, имеющийся сигнальный канал может принимать и передавать сигналы в любом коде, если кодирование использует надлежащий род колебательных явлений и результирующие частотные спектры согласуются с передающими свойствами канала в границах допусков, установленных техническими стандартами. Физическиесвойства сигналов можноизменятьсоответствующими преобразователями.

270

В таблице 3.6 произвольно указаны лишь сигналы, передаваемые колебательными явлениями. Символы сообщения кодируются в сигналы посредством изменения некоторого свойства распространяющегося колебания: амплитуды, фазы, частоты или поляризации электрического колебания и т.п. Для того чтобы декодировать сообщение, приемник должен исследовать модулированное свойство.

Описание волновой формы сигнала включает различение видов импульсной модуляции и между ними всеми как классом и непрерывной модуляцией. Оно также включает различие между сигналами, занимающими периодические отрезки времени, и сигналами, действующими непрерывно.

Важными свойствами кодированного сигнального колебания являются его амплитудный и фазовый спектры. У исходных сигналов амплитудный спектр может лежать в очень широких границах, но обычно большая часть энергии сигнала сосредоточена в узком участке этого диапазона. Термины «ширина полосы» и «частотное положение» служат инженерным приближением к описанию существенных характеристик спектра, которые надо согласовать с каналом. Ширина полосы – это интервал частот, содержащий основную часть спектра, необходимую для передачи практически всего сообщения. Частотное положение – место этой полосы на шкале частот.

Например,спектр колебаний речи простирается примерно от 50 до более чем 8000 Гц, но для нужд телефонии необходимо передавать лишь часть спектра, лежащую примерно между 250 и 3500 Гц. В реальных системах эта полоса может быть расположена где угодно на шкале частот, от исходной речевой частоты до тысяч мегагерц.

Канал передачи информации как «черный ящик». Свойства канала. На рисунке 3.10 показана упрощённая структурная схема системы электросвязи [18]. В процессе распространения сигналов по каналу передачи информации среда изменяет свойства сигналов, поэтому канал можно рассматривать как преобразователь свойств данногопроцесса, а следовательно, канал можнопредставитьмоделью «черного ящика».

Рисунок 3.10 – Упрощённая структурная схема системы электросвязи

271

Свойства канала можноизлагатьисходя либоизлегкоизмеримых передаточных характеристик, либо из теории информации [1]. Передаточные свойства удобнее для инженерных расчетов. Свойства, выведенные из теории информации, являются в некоторых отношениях более фундаментальными. Оба множества свойств взаимосвязаны и дополняют одно другое.

Передаточные свойства. Эти свойства можно измерять обычными техническими методами на концах физического канала, не зная, что в нем происходит (таблица 3.7). Большинство свойств обычно рассматривается как ухудшение передачи (а иногда так и называется).

Таблица 3.7 – Передаточные свойства сигнального канала

Передаточные свойства различаются тем, насколько они ограничивают передаточный потенциал канала. К одному классу относятся свойства, которые при некоторых затратах можно компенсировать до любой желательной степени, так что остаточные эффекты не будут налагать существенных ограничений на работу канала.

272

Например, потери можно компенсировать усилением, затухание и фазовое искажение – выравнивателями, а неустойчивость – автоматическим регулированием. В многоканальных системах связи эти функции выполняются многофункциональным устройством, которое получило название ретранслятора. Такие устройства размещаются вдоль линии для выправления характеристик, перечисленных в таблице 3.7.

Равномерная задержка составляет особый класс, так как отсутствуют физические средства создания отрицательной задержки, ее нельзя уменьшить. Правда, для односторонних каналов встречающиеся на практике задержки большей частью не имеют значения. Существуют исключения, например в системах, передающих сигналы целеуказания для антиракет, время является важной координатой, поэтому задержка канала должна учитываться управляющими машинами наведения. Задержка имеет важноезначениепри двусторонней связи как вследствие еёвлияния на эхо (или отражения), так и ввиду помех, которые она создает для быстрого обмена информацией между собеседниками.

Еще один класс представлен группой трех свойств, принципиально ограничивающих передаточные возможности канала. Это ширина полосы, мощность сигнала и шум, или помехи. Максимальная допустимая мощность сигнала тесно связана с нелинейными эффектами, указанными в таблице 3.7; она не должна превышать величину, при которой эти нелинейные эффекты остаются в допустимых пределах. Иногда мощность сигнала ограничивается другими факторами, например необходимостью предотвратить помехи для других каналов или постановлением регулирующего органа (Федеральной комиссией по связи). Когда максимальная мощность установлена в соответствии с этими соображениями, на первый план выступают сравнительные уровни сигнала и шума. Таким образом, три фундаментальных свойства этой группы сводятся к двум: ширине полосы и отношению сигнал/шум. Из этих двух свойств выводится новая важная характеристика – пропускная способ-

ность канала.

Практическое действие на систему различных искажений и помех зависит от вида сообщения.

Например, в телефонии человеческое ухо, принимающее сообщения, реагирует только на относительные амплитуды частотных составляющих речевого колебания, пренебрегая в общем их относительными фазами (если только фазовое искажение не слишком велико). В аналоговом телевидении справедливо обратное. При обычных методах кодирования искажение задержки смещает элементы изображения от их истинных положений и смазывает контуры изображения, тогда как небольшое амплитудное искажение вызывает лишь малозаметные изменения яркости. Разумеется, если применяется фазовая или частотная модуляция, то фазовое искажение в канале может превратиться в амплитудное искажение декодированного сигнала.

273

Разные виды информационных сигналов обладают также различной чувствительностью к неустойчивости передаточных свойств. Кроме того, некоторые сигналы допускают больший уровень шума, чем другие.

Например, важное преимущество систем с частотной модуляцией и многих систем с импульсной модуляцией состоит втом, что они могут работать при сравнительно малом отношении сигнал/шум.

Информационная пропускная способность канала. Информационной пропуск-

ной способностью канала называется максимальная теоретическая скорость передачи информации, к которой можно приблизиться, но нельзя превзойти.

Понятия теории информации, относящиеся к каналу, можно резюмировать следующим образом. Когда сигналы передаются по шумящему каналу (предполагается случайный шум как вредный процесс, поступающий одновременно с полезным сигналов на вход приемной системы), декодирующее устройство из-за вносимого шума не может точно определить, какие сигналы были посланы. Эта неопределенность приводит к тому, что декодирующее устройство не извлекает из принимаемых сигналов всей посланной информации. Значит, скорость информации для принимаемых сигналов меньше, чем для исходных, т.е.

R = H – Q,

где R – скорость информации для принимаемых сигналов (бит/с); H – скорость информации для передаваемых сигналов; Q –неопределенность в принимаемых сигналах (ненадежность по Шеннону).

С помощью процесса максимизации определяется максимальная возможная скорость информации, при которой неопределенность Q можно удерживать меньше любой сколь угодно малой величины. Эта скорость называется информационной пропускной способностью канала:

C W log2 1 SN ,

где С – информационная пропускная способность канала, бит/с; W – ширина полосы частот канала; S – средняя мощность сигнала; N – средняя мощность шума (предполагается белый тепловой шум).

В случае передачи информации непрерывными сигналами ее максимальная скорость будет

C 2W logm ,

где m – число различных символов или уровней сигнала; W – верхняя граница амплитудного спектра передаваемого сигнала. В этом случае согласно теореме одискретизации сигнал полностью определяется своими отсчетами через интервалы 1/2W, с; иными словами, все информационное содержание сигнала заключено в этих выборочных значениях.

274

и контроль внешних интерфейсов – обязанность системотехника, потому что для этого необходимы знания как о системе, так и о её окружении. Надлежащий контроль интерфейсов – обязательное условие успешного функционирования системы.

Таким образом, управление интерфейсами – важная сторона системной инженерии. Он включает:

1)выявление и описание интерфейсов в целях определения общей концепции системы;

2)координацию работ и контроль интерфейсов для обеспечения целостности системы в ходе проектирования, изготовления и последующей модернизации.

Границы между компонентами внутри ТС устанавливают её внутренние интерфейсы. Задача их определения также возлагается на системного инженера, потому что её нельзя отнести к сфере ответственности инженеров, проектирующих компоненты. Следовательно, определение и реализация внутренних интерфейсов включают поиск компромиссов применительно к конструкции компонентов, которые они соединяют.

Взаимодействия. Взаимодействиемеждудвумя элементами системы осуществляется с помощью соединяющего их интерфейса. Так, интерфейс между руками водителя и рулевым колесом позволяет водителю направлять автомобиль в нужную сторону (взаимодействовать с ней), прилагая усилия к рулю и через него к колесам. Интерфейс между шинами и дорогой позволяет автомобилю двигаться вперед и поворачивать за счет сцепления с дорогой, а заодно защищает корпус машины от неровностей дорожного полотна.

Приведенные примеры показывают, как функциональные взаимодействия (изменение направления и приведение в движение) определяются физическими взаимодействиями (поворачивание руля, а значит, и ведущих колес), которые передаются через физические интерфейсы. На рисунке 3.11 изображены аналогичные отношения между физическими интерфейсами для управления летательным аппаратом и соответствующими функциональными взаимодействиями.

Рисунок 3.11 – Функциональные взаимодействия и физические интерфейсы

276

Важное, но иногда недооцениваемое внешнее взаимодействие осуществляется во время технического обслуживания и ремонта системы. Эта деятельность по необходимости требует доступа к различным системным функциям в целях их проверки на соответствие установленным требованиям. Следовательно, необходимо предусмотреть специальные контрольные точки, к которым можно подключиться с внешней стороны при минимуме манипуляций. В некоторые сложные системы включается широкий набор встроенных средств контроля, которые могут проводить техническую диагностику во время нормального функционирования системы. Определение таких интерфейсов – ещё одна задача системного инженера.

Проблема внешней и внутренней совместимости. Синтез систем, и особенно общая концептуализация, значительно облегчается, если входы и выходы системы описаны с достаточной полнотой и технической точностью [1].

Это станет понятно, если представить синтез как процесс согласования, в котором система, рассматриваемая как своего рода многофункциональный преобразователь, согласует множество входов с множеством желательных выходов (рисунок 3.12). Если перечни входов и выходов достаточно полны и точны, то они будут подсказывать, как выделять подсистемы, пока, наконец, проектировщик не увидит, чтоданноеподмножествовходов преобразуетсяжелательнымспособомпри помощи уже известного функционального устройства.

Рисунок 3.12 – Обобщённая схема согласования входов и выходов

Иными словами, коль скоро синтез есть согласование проектировщиком его запаса моделей и заранее изученных преобразователей с множеством данных входов

ивыходов, то систематический метод для правильного описания входов и выходов будет облегчать поиски ответа. Так как этот процесс применим в равной мере к системам (внешняя совместимость, или совместимость ТС с факторами среды) и подсистемам (внутренняя совместимость, или совместимость подсистем технической системы друг с другом), то мы имеем право сказать, что синтез состоит в выделении

ипроектировании однофункциональных преобразователей и путей связи между ними.

Проблему совместимости можно сформулировать точнее следующим образом (рисунок 3.13). Имеются две подсистемы А и В и требуется, чтобы некоторая информация переходила от А к В, т.е. требуется построить большую систему АВ. Системы могут быть любого рода.

277

Например, пусть А – профессор, а В – группа студентов или наоборот; или пусть А – космический корабль, а В – наземный центр; или пусть А – рекламодатель, а В – его желательный рынок.

Задача согласования интерфейсов гласит: каковытехнические условия, при которых В может эффективно принимать информацию от А?

Рисунок 3.13 – Проблема совместимости

Система А передает сообщения системе В кодированными сигналами. Эти сигналы обладают определенным набором свойств. Для того чтобы две системы А и В были совместимы, значение каждого свойства сигналов, передаваемых системой А, должно совпадать со значением соответствующего свойства, которое система В может воспринимать, в пределах, установленных критериями качества работы (например, техническими стандартами). Если эти условия невыполнены, тосистемы называются несовместимыми и между А и В необходимо поместить преобразователь, согласующий несовместимые свойства друг с другом. Техническое описание несогласованных свойств включает требования к желательным преобразователям между входами и выходами.

Анализ проблемы совместимости поэтому естественно начинать с вопросов о каждом таком свойстве. Объём проектной работы определяется числом, видами и величинами несогласованностей. Затем идут другие вопросы, например о правильном физическом размещении нужныхпреобразователей. Положение каждого преобразователя зависит от технологии, экономики и других факторов. Но в принципе, преобразователи можно либо поместить на одном из концов канала, соединяющего А и В, либо поделить между двумя концами, либо разбросать группами в ряде точек канала, либо распределить непрерывно вдоль него.

Заметим, что необходимо описать два множества свойств на входе и два на выходе. На входе необходимо описать свойства входных сигналов и свойства, которые способна воспринимать входная сторона преобразователя. Можно предложить систематический метод для правильного описания свойств сигналов. Но число комбинаций этих свойств столь велико, что нет надежды составить полный список заранее проанализированных преобразователей. Поэтому в настоящем разделе остановимся на описании свойств сигналов, а в следующем рассмотрим лишь некоторые классы

278

преобразователей, чтобы дать известное понятие о синтезе посредством согласования.

Интерфейсные элементы. Для систематизации подхода к выявлению внешних

ивнутренних интерфейсов удобно выделить среди них три типа:

1)соединители, которые обеспечивают передачуэлектрических сигналов между компонентами;

2)изоляторы, которые блокируют такие взаимодействия;

2) преобразователи, которые изменяют характер среды взаимодействия. Подобные интерфейсы реализуются в виде составных частей компонентов или субкомпонентов, которые можно представлять как интерфейсные элементы.

В таблице 3.9 перечислен ряд характерных интерфейсных элементов каждого из трех типов для каждой из четырех сред взаимодействия, а именно: электрической, механической, гидравлической и человекомашинной.

Таблица 3.9 – Примеры интерфейсных элементов

Функция установления или разрыва соединения между двумя компонентами (то есть разрешения или запрета взаимодействия между ними) должна рассматриваться как важный элемент проектногорешения, частовключаемый в состав средств управления системой.

Функция соединения несмежных компонентов системы кабелями, трубами, рычагами и т.д. зачастую не является частью какого-то одного компонента системы. Несмотря на их пассивную природу, таким «проводящим» элементам следует уделять особое внимание на уровне системы, чтобы быть уверенным, что их интерфейсы верно скомпонованы и сконфигурированы.

Относительная простота интерфейсных элементов не умаляет их роли в обеспечении функционирования и надежности системы. Опыт показывает, что сбои системы в значительной степени происходят именно в интерфейсах. Обеспечение совместимости и надежности интерфейсов – зона особой ответственности системного инженера.

Человекомашинный интерфейс. Учитывая свойства проектируемых ТС, в частности ЭРЭС, в самостоятельную группувыделяется система «человек–машина».

279