Преобразование аналоговой информации в цифровую

Глава 2. Информация, способы представления и передачи информации

Основные понятия и определения

По определению, принятом в большинстве литературных источников, информация - характеризуется мерой неопределённости или энтропией. При наличии полной информации энтропия равна нулю. Следовательно, чем меньше информации, тем больше энтропия. Теоретически полной информацией владеть невозможно*, но можно владеть полным объёмом заданной информации, что в повседневной практике и понимается, как правило, под полной информацией.

Сигнал - любой процесс, несущий информацию.

Сообщение – информация, представленная в определённой форме для её передачи.

Данные – информация, представленная в формализованном виде, предназначенном для обработки техническими средствами. Например, ТТХ нового автомобиля, записанные в строчку это - неформализованные данные, а сведённые в таблицу это - формализованные.

Измерение информации.

Компьютеры хранят и обрабатывают информацию в двоичном виде. Элементарной порцией информации является бит. Бит позволяет хранить два информационных варианта да или нет, 0 или 1. Это общепринятая интерпретация содержания одного бита - логическая и числовая. Количество информации – это максимальное количество вариантов, которое можно сохранить.

Количество вариантов, которое можно сохранить в N бит равно 2^N. То есть,

1 бит = 2¹ = 2 вариантов, 2 бита= 2² = 4 вариантов, 8 бит = 2⁸ = 256 вариантов и т.д.

В вопросах, связанных с компьютерами, показатель степени при 2 называют разрядностью. Например, 32 разрядный процессор – процессор, который за один цикл работы обрабатывает 32 бита - 2³² вариантов информационного содержания.

Бит – очень мелкая единица информации. Как правило, более практичным оказывается байт. 1 байт= 8 бит = 2⁸ = 256 вариантов. Например, в простейших текстовых редакторах 1 буква занимает 1 байт. Используются также производные от байта единицы.

Килобайт = 2¹⁰ = 1024 бит,

Мегабайт = 2¹⁰ = 1024 килобайт,

*т.к. окружающей мир (вселенная) бесконечен в своём масштабе как при увеличении размеров, так и при их уменьшении и следовательно бесконечен в своей сложности и многообразии.

Гигабайт = 2¹⁰ = 1024 Мегабайт,

Терабайт = 2¹⁰ = 1024 Гигабайт.

Хранение информации - процесс поддержания информации в виде, обеспечивающем выдачу информации по запросам в заданные сроки.

Обработка информации — это процесс её преобразования в соответствии с заданным алгоритмом.

Автоматизированные системы, созданные на базе ИТ, основной функцией которых является работа с информацией принято называть АИС (автоматизированные информационные системы).

Все современные АИС работают с «цифровой» информацией и реализуются на базе всего многообразия ТО (технического обеспечения) ИТ. Далее продолжим изучение предметной области ИТ и рассмотрим физический смысл понятия «цифровой» информации.

Цифровая информация - это информация, представленная в виде цифровых кодов, использующих, как правило, двоичную систему счисления.

Использование «цифровой» информации обеспечивает:

· возможность взаимодействия любых систем независимо от их
назначения и сложности;

· хранение информации с заданным качеством;

· возможность контроля и поддержания заданного качества информации при её передаче.

При современном уровне глобализации мировой технологической и информационной составляющих нашего общества просто невозможно обойтись без всемирной стандартизации и унификации технических и программных средств, которая построена на базе использования стандартной цифровой информации. Именно так построены все глобальные АИС.

Соответственно, вся вводимая информация в АИС должна быть представлена в цифровом виде. Очевидно, что для уже обработанной информации, которая представлена в виде букв, цифр или любых других известных кодов в технических средствах обеспечения ИТ уже имеются соответствующие преобразователи (кодировщики) информации для её представления в цифровом виде, причём, как правило, в двоичной системе счисления.

Однако, значительная часть информации, с которой приходится работать АИС, это аналоговая информация, которую ещё необходимо преобразовать в цифровой вид.

К аналоговой информации относятся:

• все виды звуковых и видео сигналов (ТВ, музыка, речь и т.п.);

• электрические сигналы измерительных датчиков, используемых в АСУ для измерения физических величин (ток, напряжение, давление,
температура, скорость, влажность, твёрдость и др.).

Преобразование аналоговой информации в цифровую

Рассмотрим подробнее процесс преобразования аналоговых сигналов в цифровые, который обеспечивают технические средства ИТ.

Любой аналоговый сигнал (информацию) можно представить в виде графика, приведённого на рис.2.1, где Y - значение рассматриваемого параметра, at- текущее значение времени.

Рис. 2.1 Произвольный аналоговый сигнал.

Для преобразования данного сигнала в цифровую форму его необходимо квантовать по уровню, как показано на рис.2.2 и делать дискретным по времени, как показано на рис.2.3.

шаг квантования

Рис. 2.2 Квантование сигнала по уровню.

Шаг дискретизации t

Рис. 2.3 Сигнал дискретный во времени.

В том случае, если выполнить эти два процесса совместно, мы получим преобразование аналогового сигнала в цифровую форму, как это показано на рис.2.4, где исходный сигнал Y = f (t) превратился в набор дискретных импульсов, каждый из которых описывается двумя цифровыми значениями Yn и Хn (n - текущий номер дискретного импульса), представленными, как правило, в двоичной форме исчисления. Причём из данного рисунка, очевидно, что, выбирая уровни квантования и частоту (дискретность) импульсов, можно обеспечить любое заданное качество приближения цифрового сигнала к исходному аналоговому. Так как столбики в пределе сокращения шага практически сливаются в исходную кривую.

Yn,Xn - цифровая запись сигнала

Рис. 2.4 Сигнал в цифровой форме. X

Выбор шага квантования по уровню и шага дискретизации (частоты импульсов во времени) зависит от вида исходного аналогового сигнала и необходимого качества получаемой информации (т.е. степени соответствия цифровой формы исходному сигналу). Влияние вида исходного сигнала на выбор целесообразного метода его преобразования в цифровую форму, показано на рис.2.5, где на интервале от {tl, t2} сигнал изменяется плавно и вполне может быть аппроксимирован с использованием только постоянного шага по времени, а на интервале {0,tl} исходный сигнал изменяется так резко и неравномерно, что для его преобразования целесообразно использовать переменный шаг квантование по уровню дискретизации и по времени. Следовательно наибольший эффект с точки зрения получения лучшей аппроксимации при минимальном объёме передаваемой информации даёт использование переменного шага как по уровню, так и во времени, но это требует использование дополнительных алгоритмов анализа формы сигнала.

Шаг по

Уровню

Шаг по времени

Рис. 2.5 Комбинированный подход к описанию сложных по форме сигналов.

2.3. Каналы связи (передачи информации)

По техническим принципам реализации различаются:

• физические каналы (проводные, кабельные и оптико-волоконные);

• радиорелейные каналы;

• радиоканалы.

В соответствии с физическими принципами распространения сигналов по уровню помехоустойчивости каналы связи можно оценить:

- физические каналы (в пределах физического носителя) являются хорошо
защищаемыми от помех;

- радиорелейные каналы (в направленном луче) достаточно хорошо
защищаемы от помех;

- радиоканалы (при распространении в определённой зоне или просто во все стороны) наиболее трудно защитить от помех.

Область применения того или иного типа каналов связи определяется их стоимостью, защищённостью, объёмом передаваемой информации, расстоянием и т.д.. Обобщённые характеристики каналов по данным параметрам приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1.

	Параметры каналов эаметры каналов
Тип канала	Помехо-	Скорость	Дальность	Стоимость
связи	защищённость	передачи
		Высокая и	Ограничена числом ПУ
Физические	Высокая	очень	(пунктов усиления)	Максимальная
		высокая
Радиорелейные	Средняя	Высокая	Ограничена числом	Средняя
			ретрансляторов
			Ограничена прямой
Радиоканалы	Слабая	Высокая	видимостью для	Минимальная
			основных рабочих
			диапазонов частот

Специальные кабели и особенно оптиковолоконные линии - это по сути трубы для распространения электромагнитных и световых полей, где можно увеличивать почти без ограничений (т.к. нет помех и ограничений по ЭМС) число рабочих частот.

ЭМС - это электромагнитная совместимость. В настоящее время ввиду большого числа самых разнообразных источников и приёмников, работающих в ограниченном диапазоне частот, используемых современными ИТ, это достаточно острая проблема, которая накладывает существенные ограничения на реальное использование ИТ. Для её решения создана целая сеть международных и региональных организаций, распределяющих и контролирующих использование выделенных частотных диапазонов пользователями.

За примерами влияния ЭМС не надо далеко ходить, достаточно положить мобильный телефон рядом (15-40 см.) от работающего телевизора и дождаться звонка. В этом случае играют свою роль боковые гармоники, которые выходят за пределы выделенного частотного диапазона. Их наличие вызвано несовершенством передающих устройств, которые не могут иметь идеальных технических характеристик, но мощность таких боковых излучений мала и они действуют только на малых расстояниях. Это позволяет легко от них избавляться, размещая аппаратуру на определённых расстояниях друг от друга.

На рис. 2.6 показан частотный спектр типового излучателя. Теоретически каждый излучатель имеет бесконечно широкий спектр, но он быстро становится бесконечно малым по мощности, поэтому реально следует учитывать не более 2-3 боковых гармоник.

уровень сигнала

Основные боковые гармоники

F частота

Выделенный диапазон

Рис. 2.6 Частотный спектр типового сигнала

Кроме боковых гармоник существует масса излучений, являющихся побочным продуктом основной функции. Так, если снять защитный кожух в вашей электробритве, включить её и поднести к работающей магнитоле, будут помехи. Такой же, только более мощный эффект, будет от любого более мощного электродвигателя или разряда, например, на свечах зажигания автомобиля. Для борьбы с такими излучениями, имеющими ,как правило, очень широкий спектр при незначительной мощности, применяют самые разные экраны и заземления. Однако принцип разнесения на определённые расстояния всё равно надо соблюдать. Потому что, если поставить ПК рядом с работающей электропилой, он наверняка даст сбой.

Функциональная схема любого канала связи показана на рис.2.7, где:

М – модем, р/с радиостанция, У - усилитель.

Рис. 2.7

Для обеспечения эффективного и надёжного использования каналов передачи информации необходимо обеспечивать поддержание и выполнение целого набора задач, а именно:

• преобразование аналог - цифра и наоборот;

• кодирование / декодирование;

• поддержка заданных протоколов (кодов);

• сжатие информации;

• контроль качества и достоверности;

• защита информации и др.

Как было уже отмечено ранее, распределение частотных диапазонов является важной и актуальной задачей. Поэтому полезно знать какие, частотные диапазоны, для каких целей применяются и какими свойствами обладают.

В настоящее время используются практически все доступные диапазоны для решения задач передачи самых разных видов информации, а именно: речевой, видео, телеметрической, навигационной и т.д.

Бурное развитие ИТ и их широкое применение привело к острому дефициту свободных частот в диапазонах работы сотовой связи, телевещания, космических систем связи и навигации, а также большого числа других технических систем, включая системы городского коммунального хозяйства и системы охраны.

Причём самые разные виды информации передаются как на очень малые расстояния (например, домашний радиотелефон, охранные датчики ит.п.), так и в глобальном масштабе (космические системы телевещания и связи и др.).

Дата добавления: 2018-10-26; просмотров: 1590; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 3 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!