S 1.3. 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 — 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.
Р исунок 1.5, а иллюстрирует работу термостата с биметаллическим регулятором (см. рис. 1.2). Изменение температуры в объеме термостата вызывает изменение угла отклонения <р биметаллической пластины и тока /, текущего через нагреватель. Таким образом, одно и то же сообщение о температуре термостата (меньгце или больше 50°С) передается (и хранится) внутри системы различными физическими носителями. На рисунке 1.5, б показаны изме-
а
нения сигналов (количество нейтронов Nn, ионизационный ток камеры /к, напряжение на моторе ым) в системе регулирования мощности реактора при заданном уровне регулируемого параметра X. Эти примеры показывают, что содержание сообщения определяется не видом носителя, а лишь законом изменения его параметров.
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. Сейчас только в нашей стране ежегодно выпускается несколько сотен тысяч сложных регулирующих приборов для автоматизации технологических процессов. В этих условиях неизбежно наряду с качеством их работы (точностью, быстродействием, надежностью) пришлось учитывать и их экономические показатели: стоимость изготовления и эксплуатации. Хорошо известно, что 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 (в этом случае были бы нужны УУ — механические, пневматические, гидравлические, тепловые; электрические, оптические и т. д.).
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 [л:(0—y(t) ]. Последний в свою очередь преобразуется исполнительным устройством в воздействие необходимой физической.природы (тепловое — нагреватель, механическое— электромотор и т. д.).
Может возникнуть вопрос: почему из всех видов сигналов преимущество было отдано электрическому сигналу? Причин несколько: во-первых, электрические сигналы имеют очень большую скорость перемещения в пространстве, что обеспечивает быстрый обмен сообщениями и, следовательно, один из важнейших качественных показателей УУ — быстродействие; во-вторых, 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) и, наконец, в-третьих, 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 о их прикладной универ-
сальности. Поэтому в более узком смысле сигналами чаще называют не все возможные носители сообщений, а только лишь колебания электрического тока и напряжения, распространяющиеся на расстояние и несущие сообщения. Поэтому и мы в дальнейшем (если не будет специальных оговорок) под сигналом будем подразумевать только электрический сигнал. Все сказанное справедливо для современного уровня развития науки и технологии. Не надо считать, что такое положение сохранится всегда. Сейчас уже имеются основания думать, что для технологии XXI в. наибольшей прикладной универсальностью будут обладать не электрические, а оптические сигналы.
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; следовательно, 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: чем больше погрешность (чем меньше разрешающая способность) устройства, обрабатывающего сигнал, тем меньшее количество информации (изменение энтропии) может быть извлечено из аналогового сигнала. Понимание этого обстоятельства позволяет хв необходимых случаях заменять непрерывный сигнал сигналом, квантованным по уровню (рис. 1.6, а). 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 АА=*А/п (А — диапазон возможных значений величины сигнала; п — 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 log2 п для квантованного сигнала в любой момент времени. На рисунке 1.6, а число возможных дискретных значений сигнала п=8 (от -{-4 до —3 через 1), следовательно, его энтропия //=3 бит.
Для дискретных сообиений, содержащих набор отдельных значений измеряемого параметра, существует известный нам способ
определения количества информации. Для того чтобы его применить к аналоговым сообщениям, их необходимо подвергнуть квантованию не только по уровню, но и по времени. Иначе говоря, 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 на рисунке 1.6, б вертикальными,отрезками различной длины. Одновременно применяя квантование по времени и по уровню, мы получим (рис. J.6, в) дискретный сигнал, состоящий из отсчетов, количество которых в одну секунду не менее 2F (где F — диапазон^ частот, занимаемый сигналом, Гц), а абсолютное значение величины равно одному из чисел п-АА. Сигнал, полученный в результате операции дискретизации, относится к импульсным сигналам.
Do'stlaringiz bilan baham: |