В. П. Дьяконов, А. Н. Черничин Новые информационные технологии Часть Основы и аппаратное обеспечение Под общей редакцией проф. В. П. Дьяконова Смоленск 2003

Вид материала

Документы

Содержание 1.2. Понятия о передаче и обработке информации 1.2.2. Непрерывные (аналоговые) сигналы 1.2.3. Дискретные и цифровые сигналы 1.2.4. Типичный пример цифровой системы записи информации 1.2.5. Понятие о теореме Котельникова

Подобный материал:

• Высшее образование новые педагогические и информационные технологии в системе образования, 4841.75kb.
• Перевод с норвежского М. П. Дьяконовой Под редакцией М. А. Дьяконова Предисловие проф., 5465.89kb.
• Литература: Калугина Т. А. Новые информационные технологии в сфере образования: методологические, 14.35kb.
• Юрия Михайловича Лахтина, прочитанной на 3-х Лахтинских чтениях 21 сентября 2003 года, 1244.48kb.
• Под общей редакцией проф. Малого В. П., проф. Кратенко И. С. Харьков 2008, 8344.22kb.
• Информационные технологии и управление в технических системах всех форм обучения Под, 793.84kb.
• Леонид Владимирович Дьяконов указатель, 8647.04kb.
• Международный общественный благотворительный, 2426.77kb.
• 2. технические основы информационных технологий в экономике, 988.43kb.
• Учебник под редакцией, 9200.03kb.

1.2. Понятия о передаче и обработке информации

1.2.1. Передача информации и сообщения

Важным свойством информации является возможность ее передачи. Для этого используются сообщения – материально реализованные представления информации, нередко определенным образом закодированной. Пример сообщения - обычное письмо на бумаге.

Почта – один из древнейших способов передачи сообщений в виде сообщений на бумаге. В некоторых странах, например в США, в ограниченных масштабах получила распространение голубиная и пневматическая почта. Последняя - это труба, в которой под давлением воздуха с той или иной стороны движется цилиндр с обычными бумажными сообщениями и даже небольшими предметами, например бумажными деньгами, монетами или ключами.

Люди научились также очень быстро (порою просто мгновенно) передавать информацию с помощью электрического тока в проводах (проводные линии связи), радиоволн (беспроводные линии радиосвязи) и света (оптические лазерные и световолоконные линии связи). При этом передается информация без такого привычного нам носителя, как бумага. Наступил век безбумажной обработки информации, хотя, в конечном счете, информационные сообщения всегда можно распечатать печатающим устройством – принтером. Передача сообщений на дальние расстояния привела к возникновению телекоммуникаций. А на смену обычной почте пришла электронная почта, входящая во всемирную компьютерную сеть Интернета. По электронной почте ныне можно передавать не только объемные текстовые материалы, но и звуки, изображения, рисунки и даже видеофильмы.

К сожалению, между объемом информации и реальной ее ценностью нет прямой взаимосвязи. В итоге телеграмма на одном листке бумаги, содержащая одно-два слова (например, «Люблю!», «Жду!» или «Сегодня приезжаю!»), порою может быть гораздо ценнее пространного опуса о влиянии гравитационных полей на время сна домашних животных.

Также нет и прямой взаимосвязи между информацией самой по себе и носителем, ее несущим, в ходе передачи информации. Одну и ту же информацию можно передать публикацией статьи в газете или журнале, в радиопередаче и в телепередаче, по телеграфу или по телефону, по трансатлантическому кабелю или по световолокну или спутниковому каналу связи.

1.2.2. Непрерывные (аналоговые) сигналы

Для быстрой передачи сообщений используются сигналы, которые представляют собой наложение сообщений на тот или иной носитель информации, способный быстро перемещать сигналы. Физическая природа сигналов может быть самой различной – ток в проводах, звуковые и электромагнитные волны или свет.

Сигналы могут быть аналоговыми (непрерывными) и дискретными, т. е. представляемыми дискретными уровнями. Аналоговые сигналы характеризуется плавным и непрерывным изменением их параметров, например величины электрического тока или напряжения для электрических сигналов. Примером такого сигнала является синусоидальный электрический сигнал (рис. 1.2)


u(t) = U_м sin(t+),


где U_м – амплитуда синусоидального сигнала,  - круговая частота и
 - фаза.

Р
ис. 1.2. Синусоидальный (a), амплитудно-модулированный (б) и частотно-модулированный (с) сигналы


Круговая частота связана с обычной частотой выражением

 = 2f = 2/T.


Частота f - это число периодов T синусоидального сигнала в единицу времени (секунду или с). Она измеряется в герцах (Гц). Один Герц это один период колебаний в секунду (единица названа в честь Герца, теоретически обосновавшего существование электромагнитных волн, распространяющихся в пространстве).

Фундаментальное значение синусоидального сигнала состоит в том, что этот сигнал является стационарным. Это значит, что его параметры U_м ,  и  являются постоянными величинами. Этот сигнал определен во времени в пределах от – до +. Он периодический u(t)= u(t+T) и симметричный u(t)=- u(-t).

Можно сказать, что синусоида описывает простейшее (а потому названное гармоническим) движение, параметры которого неизменны. Однако основные параметры этого сигнала могут непрерывно и плавно меняться во времени. Такое изменение называется модуляцией сигнала. Например, амплитудная модуляция (рис. 1.3,б) описывается выражением:


u(t) = U_м(t)sin(t +),


где U_м(t) – зависимость амплитуды от времени. Сигнал такого вида называется амплитудно-модулированным. Строго говоря, он является уже нестационарным и даже не синусоидальным.

Если U_м(t) несет некоторую информацию, то говорят о наложении этой информации на синусоидальный сигнал. И если такой сигнал имеет высокую частоту f=1/T, то сигнал может распространяться в свободном пространстве как электромагнитная волна со скоростью света (300 000 км/c). На этом и основана радиосвязь. Расстояние, которое проходит волна за один период, называется длиной волны. Отсюда пошло деление волн на короткие и ультракороткие, средние и длинные волны.

Заметим, что синусоидальный сигнал может моделироваться еще и по частоте, и по фазе. Этому соответствует частотная модуляция (рис. 1.2,в) и фазовая модуляция, которые (как и их комбинации) широко используются на практике в радиотехнических системах.

Аналоговые сигналы одного вида легко преобразуются в аналоговые сигналы другого вида. Например, микрофон преобразует звуковые колебания в электрические звуковые сигналы. Если звуковой сигнал синусоидальный, то сигнал на выходе микрофона будет синусоидальным напряжением с примесью некоторого шума e(t):


u(t) = К_п A(t)  sin(t +) + e(t) = U_м(t)  sin(t +) + e(t),


где K_п – коэффициент преобразования силы звука в электрическое напряжение. Если K_п = const и не зависит от уровня сигнала, то преобразование считается линейным. В ином случае оно будет нелинейным. При линейных преобразованиях форма синусоидального сигнала не меняется, хотя может возникнуть его сдвиг по фазе.

Самым неприятным моментом в использовании аналоговой информации является ее засоренность шумами самой различной природы. Все электронные компоненты имеют шумы, и они неизбежно усиливаются в ходе усиления и преобразования сигналов. Это принципиально препятствует точному копированию аналоговой информации. Об этом хорошо знают владельцы аналоговых магнитофонов и видеомагнитофонов – при копировании записей их качество ухудшается от записи к записи.

На практике используется великое множество и несинусоидальных сигналов, например импульсные сигналы пилообразной, прямоугольной и иной формы. Математик Фурье строго доказал, что такие периодические сигналы могут быть представлены суммой синусоидальных сигналов с кратной их частоте повторения частотой k f₁, где k = 1,2,… - целое число и f₁ – частота повторения сигнала. Эти сигналы называют гармониками, а значение k – номерами гармоник. Синусоидальный сигнал с частотой f₁ есть первая гармоника, а сигналы с более высокими частотами называют высшими гармониками. Линейные преобразования сигналов не меняют состав гармоник, называемый спектром, а нелинейные приводят к его изменению, т. е. появлению новых гармоник.

1.2.3. Дискретные и цифровые сигналы

Дискретные сигналы - это сигналы, которые можно представить дискретными уровнями их параметров. Скажем, выключатель света в вашей комнате может быть либо только включенным, либо только выключенным. Сигнал о его состоянии будет дискретным и двоичным. Если этих уровней много, можно говорить о цифровом представлении информации. Сигналы, мгновенные значения которых представлены числами, принято называть цифровыми сигналами.

А
налоговый сигнал можно квантовать, т. е. представлять его рядом ступенек, высота которых задается уровнем сигнала в начале каждой ступеньки (в момент выборки) и остается неизменной на протяжении каждой ступеньки (рис. 1.3).


Рис. 1.3. Квантование электрического сигнала синусоидальной формы


В общем случае производят выборку (вырезку) сигналов в определенные моменты времени (рис. 1.4). Они могут равномерно или неравномерно отстоять друг от друга. Выборку электрических сигналов и их представление в виде чисел или кодов конечной разрядности выполняют так называемые аналого-цифровые преобразователи - АЦП. В результате на выходе АЦП мы имеем дискретный сигнал, представленный потоком чисел (кодов). Главные показатели АЦП - это их разрядность (число уровней квантования, обычно выражаемое в двоичном виде) и скорость выполнения преобразований (число операций в секунду).

Р
ис. 1.4. Аналоговый сигнал произвольного вида и его выборки


Обратное преобразование цифровой информации в аналоговую выполняют цифро-аналоговые преобразователи – ЦАП. Для наиболее распространенных электрических сигналов АЦП и ЦАП выпускаются в виде больших интегральных микросхем, особенности которых мы рассмотрим чуть ниже.

1.2.4. Типичный пример цифровой системы записи информации

На преобразовании аналоговых сигналов в цифровые и наоборот основана работа многих устройств и систем (рис. 1.5), например.




Рис. 1.5. Система цифровой записи информации на жесткий диск компьютера


Аналоговая информация в системе с помощью АЦП преобразуется в цифровую, представленную в виде двоичных чисел. Через усилитель импульсов она в виде сигналов поступает на головку записи/считывания жесткого диска. Эта головка представляет собой катушку, намотанную на миниатюрном железном или ферритовом сердечнике. На жестком диске информация хранится в виде намагниченных головок и размагниченных участков.

Канал воспроизведения содержит головку считывания (обычно совмещаемую с головкой записи), усилитель импульсов и ЦАП. Магнитное поле поверхности диска создает в катушке головки электрический сигнал, который усиливается усилителем и подается на ЦАП. Последний превращает цифровые сигналы в аналоговые, но с заметными ступеньками. От них избавляются с помощью фильтра.

Коды цифровой информации практически не меняются при многократной перезаписи или копировании информации. Шумы могут повлиять на физические уровни логического нуля и единицы цифрового сигнала. Но они практически не влияют на логические уровни этого сигнала. Например, логический нуль может быть в пределах от 0 до 1 В, а логическая единица от 2,5 до 5 В. В результате, если уровни сигнала не выходят за эти пределы, то появляется возможность многократного тиражирования цифровой информации вне зависимости от числа копий и при сохранении качества записи.

Преобразование аналоговой информации в цифровую позволяет использовать мощные средства компьютерной обработки информации. Например, информация может сжиматься для сокращения ее объема или кодироваться для повышения помехоустойчивости. Возможна цифровая обработка сигналов специальными цифровыми сигнальными процессорами DSP (Digital Signal Processor) для создания различных звуковых эффектов.

Голосовое управление компьютером, сканирование и распознавание печатных текстов стало уже вполне обыденной задачей, как и их звуковое воспроизведение компьютером. К примеру, компьютерный переводчик Magic не только переводит тексты с одного языка на другой (и наоборот), но и произносит их вслух. Выпущено уже множество таких переводчиков в виде миниатюрных аппаратов.

1.2.5. Понятие о теореме Котельникова^

Как часто надо делать равномерные выборки произвольного сигнала (рис. 1.5), чтобы после преобразования в цифровую форму, а затем снова в аналоговую была сохранена форма сигнала? Ответ на этот важный вопрос дает теорема об отсчетах или теорема Котельникова (за рубежом Найквиста): «Если спектр сигнала e(t) ограничен высшей частотой f_в, то он без потери информации может быть представлен дискретными отсчетами с числом, равным 2 f_в». При этом сигнал восстанавливается по его отсчетам e(kdt) с помощью фильтра низких частот, реализующего восстановление по формуле:



Популярные сейчас оптические компакт-диски содержат высококачественные записи речи и музыки в цифровой форме. Высшая частота звуковых сигналов 20 кГц. Частота дискретизации их 44,1 кГц. Каждая выборка представляется (квантуется) с числом уровней 2¹⁶ = 65536 (разрядность квантования 16 бит). Полученный поток цифровых данных и записывается в двоичном виде на оптический диск. В итоге компакт-диск при лазерном считывании информации позволяет воспроизводить сколько угодно раз звуки любимых певцов и оркестров с невиданным ранее качеством.