Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
9-10LectТеория_информации.doc
Скачиваний:
21
Добавлен:
05.11.2018
Размер:
320.51 Кб
Скачать
      1. Кодирование и квантование сигналов

Чтобы сообщение было передано от источника к получателю, необходима некоторая материальная субстанция - носитель информации. Сообщение, передаваемое с помощью носителя, назовем сигналом. В общем случае сигнал - это изменяющийся во времени физический процесс. Такой процесс может содержать различные характеристики (например, при передаче электрических сигналов могут изменяться напряжение и сила тока). Та из характеристик, которая используется для представления сообщений, называется параметром сигнала.

В случае, когда параметр сигнала принимает последовательное во времени конечное число значений (при этом все они могут быть пронумерованы), сигнал называется дискретным, а сообщение, передаваемое с помощью таких сигналов – дискретным сообщением. Информация, передаваемая источником, в этом случае также называется дискретной. Если же источник вырабатывает непрерывное сообщение (соответственно параметр сигнала - непрерывная функция от времени), соответствующая информация называется непрерывной. Пример дискретного сообщения – процесс чтения книги, информация в которой представлена текстом, т.е. дискретной последовательностью отдельных значков (букв). Примером непрерывного сообщения служит человеческая речь, передаваемая модулированной звуковой волной; параметром сигнала в этом случае является давление, создаваемое этой волной в точке нахождения приемника – человеческого уха.

Непрерывное сообщение может быть представлено непрерывной функцией, заданной на некотором отрезке [a, b] (см. рис. 1.4).

Рис. 1.4. Процедура дискретизации непрерывного сообщения

Непрерывное сообщение можно преобразовать в дискретное (такая процедура называется дискретизацией). Для этого из бесконечного множества значений этой функции (параметра сигнала) выбирается их определенное число, которое приближенно может характеризовать остальные значения. Один из способов такого выбора состоит в следующем. Область определения функции разбивается точками x1, x2,... xn, на отрезки равной длины и на каждом из этих отрезков значение функции принимается постоянным и равным, например, среднему значению на этом отрезке; полученная на этом этапе функция называется в математике ступенчатой. Следующий шаг - проецирование значений «ступенек» на ось значений функции (ось ординат). Полученная таким образом последовательность значений функции y1, y2, ... yn. является дискретным представлением непрерывной функции, точность которого можно неограниченно улучшать путем уменьшения длин отрезков разбиения области значений аргумента.

Ось значений функции можно разбить на отрезки с заданным шагом и отобразить каждый из выделенных отрезков из области определения функции в соответствующий отрезок из множества значений, см. рисунок 1.4. В итоге получим конечное множество чисел, определяемых, например, по середине или одной из границ таких отрезков.

Таким образом, любое сообщение может быть представлено как дискретное, иначе говоря, последовательностью знаков некоторого алфавита.

    1. Аналоговый компьютер

Аналоговый компьютер — аналоговая вычислительная машина (АВМ), которая представляет числовые данные при помощи аналоговых физических переменных (скорость, длина, напряжение, ток, давление), в чём и состоит его главное отличие от цифрового компьютера.

Рисунок – Польский электронный аналоговый компьютер «AKAT-1».

По конструктивным признакам аналоговые компьютеры можно разделить на:

  1. механические АВМ, в которых машинные переменные воспроизводятся механическими перемещениями;

  2. пневматические — машинные переменные представлены в виде величин давления воздуха (газа) в различных точках специально построенной сети;

  3. гидравлические;

  4. электромеханические, в которых машинными переменными являются механические (обычно угол поворота) и электрические (обычно напряжение) величины;

  5. электронные, в которых машинные переменные представляются электрическим напряжением постоянного тока;

  6. комбинированные.

Представлением числа в механических аналоговых компьютерах служит, например, количество поворотов шестерёнок механизма.

В электронных машинах используются различия в напряжении. Они могут выполнять такие операции, как сложение, вычитание, умножение, деление, дифференцирование, интегрирование и инвертирование.

При работе аналоговый компьютер имитирует процесс вычисления, при этом характеристики, представляющие цифровые данные, в ходе времени постоянно меняются.

Рассмотрим пример устройства дифференциатора электронной АВМ.

Дифференциатор — элемент электрической цепи, выходной сигнал которой пропорционален производной по времени от входного сигнала. Под дифференциатором также понимают структурный функциональный блок аналоговой вычислительной машины.

В качестве простейшего пассивного дифференциатора можно использовать четырёхполюсник, изображённый на рисунке.

Рисунок – схема простейшего дифференциатора на пассивных элементах.

При малых значениях R считаем, что нет падения напряжения на R, тогда

где uвых — напряжение на выходе, uвх — напряжение на входе.

Теперь осталось усилить напряжение на выходе в сотни тысяч раз. Усиление осуществляется операционным усилителем.

Результатом работы аналогового компьютера являются либо графики, изображённые на бумаге или на экране осциллографа, либо электрический сигнал, который используется для контроля процесса или работы механизма.

В ряде случаев, с помощью аналоговых компьютеров, можно значительно быстрее, по сравнению с использованием цифровых компьютеров, решать задачи автоматического управления, требующие решения дифференциальных уравнений, интегрирования или дифференцирования.

Программируются электронные аналоговые машины методом сборки необходимых цепей из типовых элементов посредством их соединения проводами, и изменением параметров переменных сопротивлений в цепях.

В 1965 г. в СССР сняли с вооружения и продали в Ирак ракеты, названные американцами SCAD. Ракета SCAD управляется АВМ. Солдат срочной службы выставляет на пульте координаты точек старта и падения, а также направления ветров на разных высотах в точке старта. Далее, он нажимает кнопку «Пуск». Ракета, пролетев до 1000 км через космос, вертикально падает вниз с точностью приземления в радиусе 300 м. Конечно, иракцам не продали килотонные ядерные боеголовки. Во время первой войны Дж. Буша старшего в Персидском заливе иракцы успешно обстреливали Израиль, не смотря на двойную заградительную линию современных антиракет «Пэтриот».

В АВМ трудно реализуются блоки умножения функции на функцию. С развитием ЦВМ и разработкой ЦАП, АЦП стали выпускаться гибридные вычислительные машины – ГВМ.

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП, англ. Digital-to-analog - converter, DAC) – устройство для преобразования цифрового (обычно двоичного) кода в аналоговый сигнал (ток, напряжение или заряд). Цифро-аналоговые преобразователи являются интерфейсом между дискретным цифровым миром и аналоговыми сигналами.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП, англ. Analog-to-digital converter, ADC) – производит обратную операцию преобразования аналогового сигнала в цифровой код.

Гибридный компьютер – это гибридная вычислительная машина (ГВМ), построенная с применением различного представления величин (аналогового и цифрового) и объединённых единой системой управления.

Соединяет в себе преимущества аналоговых и цифровых систем:

  1. многообразие возможностей управления и программирования, присущее ЦВМ;

  2. принципиальная повторяемость набора состояний системы, присущая ЦВМ;

  3. непосредственное взаимодействие с контролируемой и управляемой аппаратурой, присущее АВМ. Отсутствие в критичных узлах дополнительных преобразований физических величин процесса и обусловленных этим временных задержек и погрешностей дискретизации;

  4. сравнительно малое количество простых элементов, реализующих сложные функциональные зависимости, присущее АВМ.

Интеграторы и рассмотренные ранее дифференциаторы теперь на входе имеют ЦАП, а на выходе АЦП. Остальные типовые элементы эмулируются программно на ЦВМ.