Сообщения, аналоговые и дискретные сигналы

Для передачи или хранения информации используется какой-либо язык, состоящий из определенных знаков и правил их применения. Знак — это совокупность признаков, по которым можно распознать какой-либо объект или явление (в более узком смысле это символ числа, буквы, математической или логической операции).

Последовательность знаков, содержащих некоторую информацию, называют сообщением. Материальные носители сообщений – сигналы.

Сигналы могут иметь различную физическую природу:

- бумага с текстом или рисунком;

- ферромагнитная пленка с участками различной намагниченности;

- отклонение биметаллической пластины при изменении температуры;

- изменение тока или напряжения;

- отклонение шлагбаума на переезде и т. д.

Сигналы формируются изменением параметров физического носителя. Так, текст или рисунок на бумаге получают изменением яркости и цвета ее отдельных элементарных площадок.

В соответствии с рисунком 1, на котором показана работа термостата с биметаллическим регулятором, изменение температуры в объеме термостата вызывает изменение угла отклонения  биметаллической пластины и тока I, текущего через нагреватель. Таким образом, одно и то же сообщение о температуре термостата (меньше или больше 50°С) передается (и хранится) внутри системы различными физическими носителями. В соответствии с рисунком 2, показаны изменения сигналов (количество нейтронов Nn, ионизационный ток камеры I_К, напряжение на моторе U_М) в системе регулирования мощности реактора при заданном уровне регулируемого параметра Х. Эти примеры показывают, что содержание сообщения определяется не видом носителя, а лишь законом изменения его параметров.

Рисунок 1

Рисунок 2

На заре автоматизации, пока автоматических систем было мало и каждая из них управляла конкретной машиной или процессом, конструкторы создавали устройства с передачей, хранением и переработкой сигналов различной физической природы. С развитием промышленности число автоматических систем быстро росло. В этих условиях неизбежно наряду с качеством их работы (точностью, быстродействием, надежностью) пришлось учитывать иих экономические показатели. Низкую стоимость (при сохранении высокого качества) можно обеспечить только при крупносерийном производстве унифицированных изделий. Но унификация и крупносерийное производство невозможны при создании управляющих устройств, работающих с сигналами различной физической природы.

Выход из этого затруднения был найден в создании регуляторов, работающих только с электрическими сигналами. Сигналы любой физической природы преобразуются датчиками в электрические сигналы, затем электрические сигналы в регуляторах сравниваются между собой и с заданными условиями, подвергаются всевозможной «переработке», и в результате вырабатывается электрический сигнал рассогласования [x(t)—y(t)]. Последний в свою очередь преобразуется исполнительным устройством в воздействие необходимой физической природы (тепловое — нагреватель, механическое — электромотор и т. д.).

Преимущество использования электрических сигналов:

- электрические сигналы имеют очень большую скорость перемещения в пространстве, что обеспечивает быстрый обмен сообщениями, т.е. быстродействие;

- интенсивное развитие электротехники и радиоэлектроники позволило создать простые и достаточно точные преобразователи любого вида энергии в электрическую энергию (датчики) и электрической энергии в любой другой вид энергии (исполнительные устройства);

- именно электрические управляющие устройства наиболее технологичны, надежны, имеют малые габариты и массу, позволяют создавать простые конструкции, удобные в обслуживании.

Указанные причины позволяют выделить электрические сигналы среди всех других сигналов и говорить об их прикладной универсальности. Поэтому сигналами чаще называют колебания электрического тока и напряжения, распространяющиеся на расстояние и несущие сообщения.

Природа большинства физических величин (температура, давление, освещенность и т. д.) такова, что они могут принимать любые значения в каком-то диапазоне. В этом случае сигнал на выходе соответствующего датчика (термопара, тензорезистор, фотодиод и т. д.) на любом временном интервале может иметь бесконечное число различных значений. Так как в данном случае непрерывный сигнал изменяется аналогично исходной информации, он часто называется аналоговым. Устройства, в которых действуют указанные сигналы, также называются аналоговыми.

Энтропия сигнала определяется количеством значений, которые он может принимать. Для аналогового сигнала возможно бесконечное множество значений и энтропия непрерывного сигнала равна бесконечному числу битов. Однако в реальных системах непрерывность сообщений по величине не может быть реализована из-за конечной точности источников и приемников информации и действия внешних помех. Поэтому при передаче и обработке сигналов достаточно воспроизводить их лишь с определенной степенью достоверности, определяемой погрешностью всего устройства передачи и переработки информации. И чем больше погрешность (чем меньше разрешающая способность) устройства, обрабатывающего сигнал, тем меньшее количество информации (изменение энтропии) может быть извлечено из аналогового сигнала. Поэтому в необходимых случаях можно заменять непрерывный сигнал сигналом, квантованным по уровню в соответствии с рисунком 3 (участок а).

Рисунок 3

Квантование существует всегда, если какая-либо физическая величина измеряется и приближенно представляется в цифровой форме. Необходимая точность приближения квантованного значения к истинному определяет шаг квантования А = A/n (A — диапазон возможных значений величины сигнала; n — число уровней квантования). При этом ошибка квантования в любой момент времени не превышает половины шага квантования. В результате квантования бесконечно большая энтропия непрерывного сигнала уменьшается до значения log n для квантованного сигнала в любой момент времени. В соответствии с рисунком 3 (участок а) число возможных дискретных значений сигнала n = 8 (от 4 до минус 3, через 1), следовательно, его энтропия Н = 3 бит.

Для дискретных сообщений, содержащих набор отдельных значений измеряемого параметра, существует способ определения количества информации. Для того чтобы его применить к аналоговым сообщениям, их необходимо подвергнуть квантованию по уровню и по времени, т.е. аналоговую информацию нужно представить в дискретной форме.

Квантование по времени основано на теореме отсчетов, которая гласит, что непрерывный сигнал можно полностью отобразить и точно воссоздать по последовательности отсчетов, взятых через одинаковые интервалы времени, меньшие или равные половине периода наивысшей частоты, имеющейся в сигнале. Ряд таких отсчетов величины аналогового сигнала показан в соответствии с рисунком 3 (участок б) вертикальными отрезками различной длины. Одновременно применяя квантование по времени и по уровню, мы получим в соответствии с рисунком 3 (участок в ) дискретный сигнал, состоящий из отсчетов, количество которых в одну секунду не менее 2F (где F — диапазон частот, занимаемый сигналом, Гц). Абсолютное значение величины равно одному из чисел n* A. Сигнал, полученный в результате операции дискретизации, относится к импульсным сигналам.