книги из ГПНТБ / Гойхман Э.Ш. Основы теории передачи информации в автоматизированных системах управления
.pdfАРТИЛЛЕРИЙСКАЯ РАДИОТЕХНИЧЕСКАЯ ОРДЕНА ОТЕЧЕСТВЕННОЙ ВОЙНЫ
АКАДЕМИЯ СОВЕТСКОЙ АРМИИ имени Маршала Советского Союза ГОВОРОВА Л. А.
Э. III. ГОЙХМАН, Ю. И. ЛОСЕВ
ОСНОВЫ ТЕОРИИ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ В АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМАХ
УПРАВЛЕНИЯ
1 9 6 4
VH.HVr. r
;; J-’OHh
BVHhHtFJAU ’00.i
33M x
ь н
V- -b - / <>J
Пособие содержит изложение основных положений теории пе редачи сообщений применительно к используемым в АСУ систе мам передачи информации (в первую очередь цифровой) и основ ных принципов построения этих систем.
При написании пособия основное внимание уделялось нагляд ности изложения и вскрытию физической сущности изучаемых во просов.
Первая, вторая, третья, четвертая и седьмая главы написаны Гойхманом Э. Ш., пятая и шестая — Лосевым Ю. И.
При подготовке к изданию настоящего пособия учтены советы, сделанные В. С. Дулицким, В. Н. Манжосом, Н. Д. Плотниковым, В. Н. Руженцевым, Б. И. Самойленко, И. М. Сливняком, Н. А. Си вяковым, А. Д. Черненьким.
Авторы приносят указанным товарищам, а также рецензентам А. Н. Фуженкову и М. И. Костромицкому искреннюю благодар ность.
2
Г Л А В А I
§ 1.1. Понятие об автоматизированных системах управления
Одним из основных направлений развития народного хозяйства
СССР является автоматизация процессов производства.
«В течение двадцатилетия осуществится в массовом масштабе комплексная автоматизация производства со все большим перехо дом к цехам и предприятиям-автоматам, обеспечивающим высокую технико-экономическую эффективность. Ускорится внедрение высокосовершенных систем автоматического управления. Получат ши рокое применение кибернетика, электронные счетно-решающие и управляющие устройства в производственных процессах промыш ленности, строительной индустрии и транспорта, в научных иссле дованиях, в плановых и проектно-конструкторских расчетах, в сфе ре учета и управления». (Из Программы КПСС).
Важной для народного хозяйства является проблема создания автоматизированных систем управления технологическими процес сами в различных отраслях промышленности с применением элек тронных вычислительных машин (ЭВМ). Применение ЭВМ позво ляет реализовать огромные скорости управления сложными произ водствами и осуществить непрерывный контроль за процессами.
Для осуществления комплексной автоматизации производства как одна из крупнейших общегосударственных проблем ставится, проблема построения единой государственной сети вычислитель ных центров. Из соображений наиболее полного использования ЭВМ и вследствие территориальной разобщенности различных объектов, входящих в состав автоматизированной системы управ ления (АСУ), возникает проблема дистанционного использования ЭВМ.
Некоторый опыт такого использования ЭВМ имеется и в нашей стране. Так, институт кибернетики АН УССР успешно осуществил эксперимент по управлению производственными процессами, про исходящими на расстоянии в несколько сотен километров от вы числительного центра. Предполагается, что крупные вычислитель ные центры будут связаны с заводами и совнархозами каналами связи, по которым с помощью дискретных сигналов на значитель ные расстояния будут передаваться потоки информации, включаю щие в себя исходные данные для расчетов, осуществляемых маши ной, а также результаты этих расчетов.
Трудно переоценить важность задачи автоматизации управле ния войсками и в первую очередь войсками противовоздушной обороны. Современные средства воздушного нападения характери
3
зуются не только колоссальной разрушительной силой, но и огром ными скоростями. Скорости перемещения как средств нападения, так и средств обороны столь велики, что человек физически не в состоянии реагировать на изменения обстановки. Необходимые для успешного решения задач перехвата и наведения сложные расчеты должны быть выполнены в течение немногих секунд, что может быть осуществлено лишь с помощью ЭВМ.
Поскольку боевые действия войск ПВО ведутся на территории, значительно превышающей зону действия одного радиолокатора, возникла проблема обобщения результатов наблюдений ряда ра диолокационных станций, что также требует применения ЭВМ. Неотъемлемой частью современной системы ПВО являются теле механические средства, обеспечивающие контроль и управление активными средствами (пилотными и беспилотными) па расстоя нии.
Таким образом, эффективная противовоздушная оборона не мыслима без практически мгновенно реагирующей на изменения обстановки автоматизированной системы управления средствами ПВО (АСУ ПВО), которая решает следующие основные задачи:
а) получение информации о воздушных целях (обнаружение, опознавание и определение координат);
б) передачу полученной информации, ее отображение на инди каторах, обобщение и автоматическая обработка на ЭВМ для вы работки оптимальных решений о распределении целей между огневыми средствами;
в) управление родами войск ПВО (истребительной авиацией и ЗУР) при осуществлении перехвата и уничтожения противника.
Примерная схема прохождения потоков информации в совре менных АСУ ПВО приведена на рис. 1.1.
§ 1.2. Системы передачи информации как составные элементы АСУ
Автоматизация управления как в народном хозяйстве, так и в войсках невозможна без наличия систем связи и телемеханики, обеспечивающих быструю и достоверную передачу необходимых потоков информации.
Из видов связи в АСУ применяются телефонная, телеграфная, фототелеграфная и главным образом новый вид связи, называе мый передачей данных.
Передачей данных, или телекодовой связью, принято называть передачу информации, обрабатываемой с помощью вычислитель ных машин или созданной в результате действия этих машин *.
При этом виде связи передача осуществляется дискретными (обычно двоичными) сигналами.
* Терминология в этой новой области связи еще не установилась и терми ны «передача данных» и «телекодовая связь» еще не получили окончательного определения.
4
Примерная схема прохождения информации в современных ПСУ П80
Съем и преоБрч-
Jolqmje Koopjiwem t>рЬоцчныи код
Ина>орУ|сщи/ i от соседе
I Автоматическая обработка |
^ |
информации и Бнроботка оптимчхь- |
|
\ «мх решении 343WU цмераспределеин^ ри иа&гугиир огце&ых ср е д ств
Рис. 1.1
При таких видах связи, как телефония и телеграфия, восприя тие информации осуществляется непосредственно человеком, и благодаря свойственной человеческому языку избыточности не большие искажения передаваемого текста не приводят к наруше нию достоверности принятых сообщений. Совершенно иначе обстоит дело при передаче данных, где даже незначительное количество ошибок может полностью исказить результаты обработки инфор мации. Поэтому основной особенностью систем передачи данных является необходимость обеспечения высокой достоверности пере дачи информации. Вопрос о международных нормах па допусти мое количество ошибок для различных систем передачи данных находится в стадии изучения. Однако уже сейчас ясно, что речь может идти о вероятностях появления ошибок порядка 10~5-f-10-9 Так, например, к каналам связи американской системы управле ния ПВО «Сейдж» предъявляется требование не более одного сбоя на 105 переданных двоичных сигналов.
Важными составными элементами АСУ являются телемехани ческие системы.
Телемеханикой называется область техники и научная дисцип лина, охватывающая теорию и технические средства преобразова ния и передачи на расстояние информации для управления маши нами, механизмами и комплексными системами.
Телемеханические системы обычно включают в себя системы телеуправления и телеконтроля.
Телеуправление есть управление на расстоянии машинами, ме ханизмами и комплексными системами путем передачи по каналам связи кодированных сигналов. Системы телеуправления обычно дополняются системами телеконтроля, в которых контроль осуще ствляется путем передачи с контролируемого объекта закодиро ванных сигналов. Так, например, в АСУ ПВО системы телеуправ ления и телеконтроля применяются преимущественно в звеньях управления огневыми средствами (см. рис. 1.1).
По своей структуре телемеханические сигналы могут иметь раз нообразный характер. Характерной особенностью первичных теле механических сигналов, используемых для управления движением самолетов и ракет, является узость спектра этих сигналов, обу словленная большой инерционностью управляемых объектов.
§ 1.3. Предмет курса
Наукой, изучающей общие законы управления в сложных ди намических системах (к которым, в частности, относятся и АСУ), является кибернетика.
Важным разделом кибернетики является теория передачи сооб щений— теоретическая основа техники передачи информации.
Основными проблемами теории передачи сообщений являются проблемы эффективности и достоверности. Эта теория определяет также принципы и основные пути построения оптимальных систем
передачи информации.
S *
6
Проблема эффективности состоит в определении возможных путей, обеспечивающих передачу наибольшего количества инфор мации наиболее экономным способом. Важным аспектом этой про блемы является задача наиболее рационального использования ли ний связи, одним из путей решения которой является создание многоканальных систем связи.
Проблема достоверности состоит в определении путей, обеспе чивающих при наличии помех максимальное соответствие приня тых сообщений переданным.
Случайный характер протекающих в системах передачи инфор мации процессов обусловливает широкое использование в теории передачи сообщений вероятностных методов.
Задачей излагаемого в пособии курса является изучение основ ных положений теории передачи сообщений и на их базе принци пов передачи и преобразования информации в системах связи и в первую очередь в системах передачи данных, используемых в АСУ. Значительная часть пособия содержит изложение вопросов, общих для систем связи и телемеханики. Вместе с тем вопросы, связан ные со специфическими особенностями передачи информации в си стемах радиотелеуправления и радиовизирования, выходят за рам ки курса и в пособии не рассматриваются.
7
Г Л А В А II
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ ПЕРЕДАЧИ СООБЩЕНИИ
§ 2.1. Информация и сигнал
Основными понятиями теории передачи сообщений являются понятия информации и сигнала.
Одной из закономерностей окружающего нас мира является взаимосвязь между материальными объектами и явлениями. В процессе взаимодействия между материальными объектами про является присущее материи свойство отражения, высшими форма ми которого являются ощущение и сознание.
Информация — это специфическая форма связи материальных систем, имеющая в своей основе отражение как объективное свой ство всей материи [1].
Информация возникает тогда, когда имеет место не только воз действие одной материальной системы на другие, но и использова ние этого воздействия для целей управления сложными динамиче скими системами.
В теории передачи сообщений под информацией понимаются сведения о каком-либо событии (которое произошло или должно произойти), поступающие к получателю извне в результате его взаимодействия с окружающей средой.
Получателями информации могут быть как живые существа, так и различные технические устройства, в которых полученные сведения используются (непосредственно или спустя некоторое время) для целей управления. Восприятие астрономом видимого в телескопе света далекой звезды, изменение траектории зенитной управляемой ракеты под воздействием радиосигналов, поступаю щих с наземной станции наведения,— примеры воздействия раз личного вида информации на принимающий ее объект. Получен ная информация может быть использована для целей управления как непосредственно, так и после соответствующей обработки, вы полняемой, например, на ЭВМ. Таким образом, информация мо жет передаваться, храниться, перерабатываться и использоваться.
В теории передачи сообщений под сообщением понимается все то, что подлежит передаче {например, телеграмма, телевизионное изображение, человеческая речь и др.).
Передача информации от источника к получателю осуществ ляется с помощью сигнала. Сигнал представляет собой несущий информацию и распространяющийся во времени материальный
8
процесс, сигнал может быть передан на расстояние в виде некото рого возмущения (электромагнитного, светового, акустического
ит. д.).
Всоответствии с этим в электросвязи под сигналом понимает
ся электрическое возмущение, однозначно отображающее переда ваемое сообщение.
Сигнал однозначно отображает некоторую сторону события, но сам как физическое явление может не иметь ничего общего с ото бражаемым событием. Так, например, телевизионный сигнал пред ставляет собой электромагнитное возмущение, однозначно отобра жающее освещенность отдельных элементарных участков поверх ности находящегося перед иконоскопом объекта. Однако физиче ская природа телевизионного сигнала резко отличается от приро ды отображаемого объекта. Смысл сигнала заключается не в его физической природе и энергетических характеристиках, а в его соответствии отображаемому событию. Сигнал существует лишь в пределах организованной системы управления. Вне этой системы он может сохранить свою физическую природу, но, теряя свое основное свойство переносчика информации, фактически перестает быть сигналом. Так, например, снимаемые с устройства автомати ческого съема РЛС импульсы, содержащие в закодированном виде информацию о цели, являются сигналами лишь постольку, посколь ку они используются в аппаратуре обработки и обобщения инфор мации АСУ. Воздействие этих же импульсов на вход радиовеща тельного приемника будет воспринято лишь как появление беспо рядочных помех.
Не следует думать, что передаваемые сигналы и содержащаяся в них информация должны быть обязательно обработаны и исполь зованы немедленно. Полученный сигнал перед его использованием может быть на необходимое время зафиксирован, например в устройствах памяти ЭВМ, в устройствах отображения информа ции, а также в виде печатного текста и др. При этом сигнал пре вращается в совокупность статичных во времени, расположенных определенным образом в пространстве символов (намагниченные в разной степени элементарные участки поверхности магнитного барабана, буквы текста, бороздки на звуковой дорожке и т. д.) т. е. в сообщение.
Преобразование и передача сообщений и сигналов производит ся с помощью систем связи, к рассмотрению которых и перейдем.
§2.2. Системы связи
2.2.1.Структурная схема системы связи
Системой связи называется совокупность технических средств, обеспечивающих передачу сообщений от отправителя к получате лю. Она включает в себя передающее и приемное устройства, ко торые связаны между собой линией связи. Структурная схема си стемы электрической связи приведена на рис. 2.1.
9