16

Лекция 11. Принципы передачи и преобразования информации

Во многих встречающихся на практике случаях функциональный блок мехатронного устройства, являющийся потребителем информации, удален от первичного источника информации (например, датчика) на некоторое, иногда довольно значительное, расстояние. При этом наряду с задачей получения информации возникает задача передачи этой информации по каналу связи. Если, например, в ИС очистного комбайна расстояние от датчиков скорости на звезде механизма перемещения до блока управления составляет несколько метров, то в системе «космический корабль - центр управления» это расстояние может достигать миллионы километров.

11.1. Согласование датчиков с вторичной аппаратурой

При соединении датчиков с вторичной аппаратурой (а также других измерительных преобразователей между собой) в общем случае их необходимо согласовывать не только по уровню сигналов и импедансу (значения комплексных электрических сопротивлений), но и по характеру сигнала (гармонический или импульсный), способу кодирования, используемому протоколу и т. п.

В трех встречающиеся на практике случаях согласования первичного и вторичного преобразователей по импедансу необходимо придерживаться следующих правил:

• для максимальной передачи напряжения вторичный преобразователь должен иметь возможно большее входное сопротивление;

• для максимальной передачи тока - возможно меньшее входное сопротивление;

• для максимальной передачи мощности - входное сопротивление вторичного преобразователя должно быть равно внутреннему сопротивлению первичного преобразователя (датчика).

Описанное правило согласования между собой источника сигна­ла и его нагрузки носит универсальный характер. Оно справедливо не только при соединении между собой датчиков и вторичной аппаратуры, но также при последовательном соединении любых измерительных преобразователей, каскадов электронных усилителей, любых источников электрической энергии (например, аккумуляторов, гальванических эле­ментов, солнечных батарей, электростанций) с нагрузкой.

11.2. Модуляция, дискретизация и кодирование измерительных сигналов

Передача информации по каналам связи осуществляется с по­мощью сигналов различного вида с использованием таких процедур, как модуляция, дискретизация (квантование) и кодирование.

Информация, выраженная в определенной форме, представляет собой сообщение. Сигнал является материальным носителем сообщения и, следовательно, так же, как сообщение, может быть непрерывным или дискретным. При передаче информации непрерывными сигналами тот или иной параметр носителя информации изменяется, оставаясь непре­рывной функцией времени. При использовании дискретных сигналов ин­формация передается в виде относительно кратковременных изменений параметров носителя (импульсов). Независимо от способа передачи сиг­налы должны обеспечивать однозначность представления сообщений и обладать устойчивостью к искажениям, возникающим по тем или иным причинам в канале связи.

Модуляция. Электрические сигналы, величина тока или напряжения которых определяется интенсивностью измеряемой величины (так называемые сигналы интенсивности или аналоговые сигналы), имеют ограниченное применение в ИС, поскольку при их передаче должны предъявляться достаточно жесткие требования к стабильности параметров канала связи. Сигналы интенсивности используются только для пе­редачи измерительной информации по проводным линиям связи неболь­шой протяженности. В большинстве случаев для передачи информации используются сигналы, формируемые путем модуляции гармонических колебаний (гармоническая модуляция) или последовательности им­пульсов (импульсная модуляция).

При гармонической модуляции переносчиком сообщения явля­ется переменный ток или напряжение:

U = U_osin(ω_ot+φ_o).

Параметрами модуляции могут быть переменные (чаще одна), входящие в последнее выражение: амплитуда U_o, частота ω_o=2πf₀ или фаза φ₀. Различают два вида гармонической модуляции: амплитудную и угловую. Угловая модуляция объединяет частотную и фазовую модуляции. Гармоническая модуляция измерительных сигналов производится чаще всего для согласования спектра передаваемого сигнала с частотной характеристикой канала связи, разделения спектров нескольких сигналов при необходимости их одновременной передачи по одному каналу.

При передаче по каналам связи больших объемов информации применяется импульсная модуляция, которая имеет целый ряд преиму­ществ перед гармонической. В качестве переносчика используют перио­дическую последовательность сравнительно узких прямоугольных им­пульсов. Последовательность импульсов одного знака характеризуется параметрами; амплитудой импульсов U; длительностью (шириной) им­пульсов Т_и; частотой следования (или тактовой частотой) f_т=1/Т, где Т - период следования импульсов (ω_т=2πf_т); положением (фазой) импуль­сов относительно тактовых (отсчетных) точек. Отношение Т/Т_и называет­ся скважностью импульса. По закону изменения передаваемого первич­ного сигнала s(t) можно изменять (модулировать) любой из перечислен­ных параметров импульсной последовательности.

В зависимости от того, какой параметр модулируется первичным сигналом s(t), различают амплитудно-импульсную, широтно-импульсную, время-импульсную (фазовую или частотную) и кодоимпульсную модуля­цию .

При кодоимпульсной модуляции каждому значению уровня сиг­нала (квантованному) приписывается определенный номер (код) обычно в двоичной системе. Вместо передачи величины сигнала в моменты отсчета функции s(t) передается число (в виде комбинации узких импульсов), соответ­ствующее номеру уровня сигнала в дан­ный момент (рис.11.1). При формирова­нии кодоимпульсной последовательно­сти одновременно с модуляцией осуще­ствляется операция кодирования, кото­рая несколько подробней будет рассмотрена ниже.

Рисунок 11.1.- Принцип кодоимпульсной модуляции

Для более эффективного использования канала связи модуляция импульсов может производиться одновременно по нескольким парамет­рам. Параметрами кодоимпульсной модуляции могут являться, например, амплитуда импульсов и их фаза (задержка момента их появления отно­сительно опорной последовательности импульсов). Применение импульс­ных сигналов дает возможность существенно увеличить мощность в им­пульсе при небольшой средней мощности и тем самым повысить помехоустойчивость передачи информации в ИС мехатронного устройства. Сравнение помехоустойчивости различных видов импульсной модуляции показывает, что модуляция по фазе обладает большей помехоустойчиво­стью, чем модуляция по длительности импульсов; амплитудная модуля­ция наименее помехоустойчива.

Дискретизация (квантование). Дискретизация - это преоб­разование непрерывного сигнала в сигнал, имеющий дискретную шкалу значений. В ИС широко используется дискретизация измерительных сиг­налов, полученных, например, от аналоговых датчиков. Информация, представленная в дискретной форме, менее подвержена искажениям в процессе ее преобразования, передачи по каналам связи и хранении.

Наглядным подтверждением этому может служить, например, цифровая запись информации на лазерных компакт-дисках. По сравнению с обыч­ными грампластинками музыкальные компакт-диски имеют гораздо меньшие размеры и массу, более высокую плотность записи информации, обеспечивают более широкий. диапазон воспроизводимых частот (20. .20000 Гц при линейной полосе пропускания), более широкий дина­мический диапазон (90 дБ вместо 60 дБ), практически полное отсутствие шумов (отношение сигнал/шум 90 дБ вместо 50 дБ у новой грампластин­ки), отсутствие детонации даже при неравномерном вращении диска, полное разделение стереоканалов (90 дБ вместо 35 дБ), имеют гораздо более высокую устойчивость к загрязнениям, дефектам изготовления или механическим повреждениям диска. О высокой надежности хранения цифровой информации также может свидетельствовать такой факт: если качество обычной грампластинки ухудшается с каждым проигрыванием, то компакт-диск сохраняет высочайшее качество воспроизведения при неограниченном количестве проигрываний.

Кроме того, над дискретными сигналами можно выполнять такие преобразования, которые невозможны или затруднительны над аналого­выми. Обработка цифровых сигналов позволяет обнаруживать и исправ­лять ошибки в информации, полученной по некачественной линии связи.

Примером цифровой обработки сигналов также могут служить чрезвы­чайно сложные преобразования оцифрованных изображений (изменение контрастности, выделение контуров, пространственная регуляризация, изменение баланса цветов, синтез изображений и последовательное преобразование одного изображения в другое и т.п.), выполняемые в приложении Photoshop, используемом для компьютерной обработки фо­тографий, в системах технического зрения ПР, при создании телевизион­ных или кинематографических спецэффектов.

Дискретизация (квантование) непрерывных сигналов может вы­полняться по уровню сигнала и по времени. Процедура дискретизации предшествует кодированию измерительной информации.

Под квантованием по уровню понимают операцию отнесения значения непрерывной величины к разрешающему значению шкалы квантования. С математической точки зрения операция квантования свя­зана с округлением значения непрерывной величины в соответствии с принятым решающим правилом. Таким правилом обычно бывает отнесение значения округляемой величины к нижней, верхней границе интер­вала квантования или к его середине. Квантование по уровню приводит к появлению методической погрешности, которую ввиду ее случайного характера иногда называют шумом квантования. В случае, если измеряе­мая величина в процессе квантования по уровню изменяется во време­ни, то появляется динамическая составляющая погрешности квантова­ния. Эта составляющая обычно уменьшается до приемлемого уровня пу­тем обеспечения соответствующего быстродействия средств измерения.

Наибольшее распространение на практике получило равномер­ное квантование по уровню, при котором диапазон [х_тin, х_тaх] возможных значений непрерывной величины х разбивается на п одинаковых частей - интервалов квантования q.

Длина каждого интервала квантования называется шагом кван­тования

q = x_i - x_i-1 , i=1, 2, … n.

При равномерном квантовании q = const.

Значения х в пределах шага квантования необходимо относить к определенному уровню квантования, например, к верхней или нижней границе интервала квантования, либо к его середине. Погрешность кван­тования Δx_k=kq -x является периодической функцией, изменяющейся в зависимости от значения х (рис.11.2). При отнесении значения х, по­павшего в данный интервал квантования, к нижней его границе, погреш­ность квантования изменяется в пределах от 0 до - q, к верхней границе - от 0 до + q, к середине интервала квантования - от + q/2 до - q/2.

Рисунок 11.2.- К определению погрешности квантования по уровню.

Поэтому в качестве уровня квантования целесообразно выбирать середину интервала квантования и соответственно проектировать техни­ческие средства ИС. В этом случае максимальное абсолютное значение погрешности квантования будет минимальным .

Восстановление исходного непрерывного сообщения осуществ­ляется путем линейной интерполяции между дискретными отсчетами.

При дискретизации по времени одним из основных является вопрос о выборе шага дискретизации Δt= t_i - t_i-1 .

Если непрерывная функция x(t) удовлетворяет условиям Дирих­ле (ограничена, кусочно-непрерывна и имеет конечное число экстрему­мов) и ее спектр ограничен некоторой частотой среза ω_C=2πf_C , то согласно теореме Котельникова существует такой максимальный интер­вал Δt между отсчетами, при котором имеется возможность безошибоч­но восстанавливать дискретизируемую функцию x(t) по дискретным от­счетам. Величина этого интервала определяется как

.

Для восстановления исходной функции x(t) необходимо подать на вход идеального фильтра низких частот с верхней границей пропус­кания ω_C последовательность идеально узких импульсов с амплитудой, соответствующей значениям непрерывной функции в точках отсчета, и следующих друг за другом с периодом Δt.

Практическая ценность теоремы Котельникова состоит в том, что она позволяет обоснованно выбирать необходимую частоту дискретиза­ции при преобразовании измерительного сигнала в дискретную форму, а значит минимизировать объем информации, предназначенной для после­дующего хранения или передачи по линиям связи [15]. Например, при записи на компакт-диск музыкальной информации (частотный дизпазон исходного сигнала 20...20 000 Гц) минимальная частота дискретизации f_дискр = 1/ Δt =2f_c составляет 40 кГц. Реально же используемая частота дискретизации берется с некоторым запасом и составляет 44,1 кГц. При восстановлении аналогового сигнала используется фильтр низких частот высокого порядка с частотой среза 20 кГц.

Кодирование. В результате квантования еще не получается численная оценка измеряемой величины. Для ее получения после операции квантования или одновременно с ней выполняется операция кодирования квантованного значения непрерывной величины.

Кодированием называется процесс преобразования сообщений в комбинацию из дискретных сигналов, а совокупность правил, в соответствии с которыми производятся такие преобразования, является кодом. Каждая новая комбинация записывается в виде последовательности, составленной из некоторых условных символов - элементов кодовой ком­бинации. В качестве таких элементов в ИС служат электрические импуль­сы и паузы между ними. Кодирование информации позволяет обеспе­чить:

1. представление информации в форме, удобной для восприятия человеком или необходимой для ввода в ЭВМ;

2. передачу необходимого количества различных сообщений по данному каналу связи с помощью комбинирования п элементов, имеющих т кодовых признаков;

3. согласование параметров канала связи и передаваемых сооб­щений;

4. повышение помехоустойчивости передачи, хранения и обра­ботки информации;

5. уменьшение стоимости передачи, хранения и обработки ин­формации.

Наибольшее распространение получили двоичные коды, что оп­ределяется их экономичностью и простотой технической реализации.

По способу комбинирования различают коды, использующие все возможные комбинации (неизбыточные коды), и коды с частичным ис­пользованием комбинаций (избыточные коды).

Помехоустойчивое кодирование. Введение в код избыточно­сти позволяет повысить его помехоустойчивость. При построении избы­точного кода для передачи информации используется лишь часть воз­можных комбинаций (разрешенные комбинации), отличающихся друг от друга более чем в одном разряде. Все остальные комбинации не исполь­зуются и относятся к числу запрещенных. Это значит, что из п разрядов кодовой комбинации для передачи информации используются только к разрядов. Следовательно, из общего числа N=2ⁿ возможных кодовых комбинаций для передачи информации используется только N_p=2^k раз­решенных комбинаций.

Так как разрешенные комбинации отличаются более чем в одном разряде, то ошибка в одном разряде (случайная замена одного символа другим) приводит к замене разрешенной комбинации запрещенной. Это позволяет обнаружить, а иногда и исправить ошибку.

Кодирование информации и различные приемы повышения по­мехоустойчивости при ее передачи и хранении широко используются в живой природе. У животных информация по нервным волокнам переда­ется в дискретной форме в виде электрических импульсов, частота которых может меняться (т. е. используется частотно-импульсная модуля­ция). Для повышения надежности передачи информации по нервным волокнам используются параллельные (обходные) каналы связи и много­кратное повторение сообщений (т. е. используется код с простым повто­рением). Например, информация о болях в каком-либо органе непрерыв­но передается в наше сознание. Такая информация является жизненно важной для организма и поэтому обладает огромной избыточностью. Генетическая информация у живых существ также закодирована (в спи­ральных молекулах ДНК) с помощью небольшого числа кодовых призна­ков - нескольких видов нуклеотидов.