1. Информация,съобщения,сигнал,система

Думите информация, сигнал и система са много популярни, тъй като са непосредствено свързани с ежедневието на хората.

Доказано е, че по-голямата част от времето обществото насочва към информационните процеси: възприятие, представяне, обработка, пренасяне и съхраняване на информация.

1.1.Информация.

Какво по същество е информацията? Думата информация има латински произход ( Informatio - осведомяване) и означава осведомяване за нещо.

За специалистите, които се занимават с техническите проблеми на информационните процеси, е формирано "работно понятие" с две съществени части, а именно:

а) информация са всички сведения, които подлежат на пренасяне, преобразуване и съхраняване;

б) информацията намалява неопределеността в знанията ни за обекта.

Първата част е свързана с качественото разглеждане, а втората-с количественото определяне на информцията.

При пренасянето, обработката и съхраняването на информация специалистите (инженери, програмисти, техници, оператори и др.) се интересуват преди всичко какво е количеството информация, с какви средства може да се пренесе най-бързо и без грешки, какви памети са необходими за съхраняването, коя форма на представяне е най-подходяща във връзка с обработката и възприемането и други проблеми от това естество.

Чрез информацията се управляват множество обекти. Без това не можем да си представим транспорта, продоволствието, производството, или която и да било друга дейност. Информационните процеси имат широко място и в природата. Например в организацията на пчелните семейства,във физиологичните процеси в човешкия и животински организъм, в растителния свят и т.н.

В ежедневието понятието информация се използва много често и всички сме навикнали да влагаме известен смисъл в това понятие.

Най-общо може да се определи, че с понятието информация се означава признакът на новост в едно съобщение. Тази представа е по-скоро интуитивна. Следователно тя не би могла да се използва като метод за решаване на количествени задачи, свързани с преработването на информацията.

Теорията на информацията възникна на базата на известни направления в математиката, които още в самото начало са с подчертана приложна насоченост - към създаване на технически средства (средства за връзка, системи за управление, изчислителни машини) за предаване и преработка на информацията. Но разработките, на базата на които се оформяла непосредствено теорията на информацията като отделно направление в техническата кибернетика са предложени главно от видния учен, един от най-видните математици и инженери на нашето време К. Шенон, който се приема за основоположник на теорията на информацията.

Развитието на теорията на информацията като отделна наука доведе до много по-широка трактовка на понятието "информация" от тази, която се дава в ежедневието. Теорията на информацията и кибернетиката наложиха понятнето "информация" като основно понятие, каквито са понятията „материя” и „енергия”. Според Норберт Винер „Информацията е информация, а не материя или енергия”

Основанията за един такъв подход към това понятие са, че освен енергийната и материалната страна реално протичащите в природата явления имат и трета страна - информационна.

Щом като понятието информация се оформи като основно понятие, неговото точно дефиниране стана трудно, тъй както е трудно дефинирането на понятията „материя”, „енергия” : тези основни понятия се възприемат просто интуитивно, а с тяхна помощ се дефинират останалите понятия. Независимо от трудностите редица учени са дали определение за „информация” в съвременното му разбиране като основно понятие.

Така и създателят на кибернетиката Н. Винер е дал определение за информацията:

„Информация - това е означение на съдържанието, получено от външния свят в процеса на нашето приспособяване към него, на приспособяване към него на нашите сетива. Процесът на получаването и използването на информацията е процес на нашето приспособяване към случайностите на външната среда и на нашата жизнедеятелност в тази среда.”

Вижда се, че това определение има и философски характер, то е много по-общо от определението, което се дава ежедневно.

Този нов подход към информацията стана възможен в резултат на това, че беше решен въпросът за количественото определяне на информацията (определяне на количеството информация, съдържащо се в едно съобщение). В това се състои и големия принос на К. Шенон. Възможността да се определя количествено информацията позволи да се види връзката с някои други основни физически понятия, да може понятието „информация” да се определя чрез тези основни понятия и така да се разшири неговия смисъл.

Как неопределеността в знанията ни за обект служи за количественото определяне на информацията, ще установим по-нататък. Често пъти информацията неправилно се смесва със съобщението. То е форма на представяне на информацията, какъвто е случаят с факса – (хартията с текста/знаците), говорът, музиката, изображението в телевизията, входните и изходните данни за компютъра и др. Понякога за краткост се казва, че съобщението е това, което трябва да се предаде.

Сигналът има управляваща функция. Физическите процеси (величини), които се избират за сигнали трябва да отговарят на следните условия:

а) да могат да се разпространяват на значителни разстояния чрез изразходването на минимално количество енергия;

б) да притежават свойството да управляват местните източници на енергия, без да въздействуват пряко на изпълнителните механизми; например чрез електрически сигнал може да се включва и изключва електродвигател от голямо разстояние, като се въздействува на специално комутационно устройство, разположено до двигателя заедно с местен източник на захранване, иначе загубите, свързани със захранването са много големи;

в) да могат да въздействуват на особени органи в управлението; в частен случай това са сетивните органи на човека, а в последния пример - приемната част на комутационното устройство.

1.4.Система.

Думата система се използува по различни поводи и в различен смисъл. Нейният произход е гръцки ( systema - цяло, съставено от части). Тя е придобила международна употреба. За нас е важно нейното значение в техниката и преди всичко във връзка с пренасянето и обработката на информация и сигнали.

За една техническа система е характерно следното:

а) тя е съвкупност от краен брой елементи, които са обединени в едно цяло;

б) между елементите съществуват определени отношения (връз­ки);

в) съвкупността от елементи е подчинена на определена цел, в нея съществува определен ред;

г)елементите имат относителен характер; те от своя страна мо­гат да бъдат толкова сложни, че да са една подсистема (субсистема) на разглежданата.

За пример може да се посочи единната система на съобщения.

Нейните елементи са подсистемите за кабелни, ради­орелейни и спътникови връзки. Между тях съществуват определена зависимост и ред. От своя страна подсистемите са също така доста сложни. Чрез едината система се

осъществяват много важни за света информационни процеси, като се започне с

бита, продоволствието и се стигне до банковото дело и крупния бизнес.

Друг пример е системата на енергоснабдяването. Чрез нея се оси­гуряват главно топло- и електроснабдяване. В нея се съдържат под­системи (елементи) с различна степен на обвързаност, установени са строги правила по отношение на организацията и пр.

В широкия смисъл на думата „система” означава определени правила, институции, установен ред, редовно повтаряне и т.н. За пример могат да се посочат системата за социално осигуряване, съдебната си­стема, нервната система, бюрократичната система и др.

2. Видове сигнали

Науката и техниката са интернационални и използват основно общоприети термини. Терминът „signal” в световната практика е общоприет за характеристика на формата на представяне на данни, при която данните се разглеждат във вида на последователни стойности от скаларни величини (аналогови,числови, графически и пр.) в зависимост от изменението на някакви променливи стойности (време, енергия, температура, пространствени координати и пр.).Като се отчете това, по нататък под термина "сигнал" в строг смисъл на тази дума, ще разбираме по съответен начин подредено изображение на определени данни за характера на изменение в пространството, във времето или по някаква друга променлива величина,на физическите свойства или физическото състояние на обекта на изследване. Що се касае до „данните” (от латинското datum - факт), то това е съвкупност от факти, резултати от наблюдението, от измерването за каквито и да е обекти, явления или процеси от материалния свят, представени във формализиран вид,количествен или качествен. Това не е информация, а само атрибут на информацията - суровина за получаване на информация, по пътя на съответната обработка и интерпретация (тълкуване). А тъй като данните съдържат информация, както за основните целеви параметри на обекта на изследване, така и за различни съпътстващи и смущаващи фактори на процеса на измерване, то в широкия смисъл на тази дума може да се счита, че сигнал е изображение на обща измерителна информация. При това материалната форма на носителя на сигналите, както и формата на тяхното изображение в какъвто и да е физически процес е без значение.

Сигналът - това е информационна функция, носеща съобщение за физическите свойства на състояние или поведение на дадена физическа система, обект или среда, а за цел на обработката на сигналите, в най-общ смисъл, е възможно да се счита извличането на определени информационни сведения, които са изобразени в тези сигнали (накратко - полезна или целева информация) и преобразуване на тези сведения във форма, удобна за възприемане и по - нататъшно използване.

На фиг. 2.1 е дадена осцилограма на един сигнал. Тук и по-долу в дипломната работа,когато не е означено друго,абцистната ос е оста на времето.

Фиг. 2.1.Сигнал

- Определяне или оценка на числови параметри на сигналите (енергия, средна мощност, средно квадратична стойност и пр.).

-Разлагане на сигналите на елементарни съставящи за сравнение на свойствата на различни сигнали (хармоници).

-Сравняване степента на близост, "подобие", "родственост" на различни сигнали, по определени количествени оценки.

Математическият апарат за анализ на сигналите е много обширен и широко се използва на практика във всички, без изключения, области на науката и техниката.

С понятието сигнал неразривно е свързан и термина регистрация на сигнали, използването на който е също така широко и неоднозначно, както на самия термин сигнал. В най-общ смисъл, под този термин се разбира операцията по отделяне на сигнала и неговото преобразуване във форма, удобна за по-нататъшно използване, обработка и възприятие. Следователно, при получаването на информация за физическите свойства на каквито и да е обекти, под регистрация на сигнала се разбира:

1/ процесът на измерване на физическите свойства на обекта и пренасяне на резултатите от измерването върху материалния носител на сигнала;

2/ непосредствено енергийно преобразуване на каквито и да е свойства на обекта в информационни параметри на материалния носител на сигнала, (който по правило има електрически характер).

Също така терминът регистрация на сигналите широко се използва и за процесите на отделяне на вече формирани сигнали,носещи определена информация, от смес с други сигнали (радиовръзка, телеметрия и пр.), както и за процеси на фиксиране на сигнали върху носители с дълготрайна памет, както и за много други процеси, свързани с обработката на сигнали.В телекомуникациите под термина регистрация ще се разбира регистрация иа данни (data logging), които преминават през конкретна система или точка на системата и по определен начин се фиксират на материален носител или в паметта на системата. За операциите измерване и преобразуване на каквито и да е физически параметри в сигнали, с определена материална форма, ще се използва, основно термина детектиране на сигналите.

2.1.Шум и смущения (noise). При обработката на сигнали, носещи целева за даден вид измервания информация, в сместа с основния сигнал едновременно се регистрират и смущаващи сигнали - шумове и смущения с най различна природа(фиг.2.2).

Фиг.2.2. Сигнал с шум

Фиг.2.3.Двумерен сигнал

Многомерните сигнали могат да имат различно представяне по своите аргументи. Многомерният сигнал може да се разглежда като подредена съвкупност едномерни сигнали. Ето защо, много принципи и практически методи за обработката на едномерни сигнали, чиито математически апарат е добре развит, се разпространяват и за многомерни сигнали. Физическата природа иа сигналите е без значение за математическия апарат на тяхната обработка.

Анализът и обработката на физични данни се базира на математически модели на съответните физични полета и физични процеси.

Математическото представяне не може да бъде пълно и идеално точно. По същество, винаги се изобразяват не реалните обекти, а техни опростени (хомоморфни) модели. Моделите могат да се задават с таблици, графики, функционални зависимости, уравнения на състоянията и преходите от едно състояние в друго и т.н. Формализираното представяне може да се счита за математически модел на оригинала, ако то позволява с определена точност да се прогнозира състоянието и поведението на изучаваните обекти чрез използване на формални процедури над тяхното представяне.

Неотменима част на всеки математически модел на сигнала е областта на дефиниране на сигнала, която се задава с интервала на изменение на независимата променлива, например:

a≤x≤b, x∊[a,b].

a(2.1)

a

Пространството от стойности на независимата променлива от -∞ до +∞ обикновено се обозначава чрез индекса R=(-∞,+∞), x∊R.

Освен задаването на дефиниционната област на сигнала, може да бъде също зададен и вида на числените стойности на променливите (цели, рационални, реални, комплексни).

Математическите модели на сигналите на първия етап на обработка и анализ на резултатите от наблюдението, трябва да позволяват игнорирането на тяхната физическа същност. Връщането към нея в модела се осъществява само в заключителния етап на интерпретация на данните.

При анализа на физични данни се използват два основни подхода за създаване на математически модели на сигналите.

а) първият подход оперира с детерминирани сигнали, стойностите на които в произволен момент на времето или в произволна точка на пространството са априорно известни или могат да бъдат достатъчно точно определени (изчислени). От математически позиции детерминираният сигнал ~ това е сигнал, който с достатъчна степен на точност може да се опише с явни математически формули или изчислителни алгоритми.

б) вторият подход предполага случаен характер на сигналите, които приемат конкретни стойности с някаква вероятност и които е възможно да се опишат само с използване на статистически характеристики. Случайността може да бъде обусловена като собствена физическа природа на сигналите, което е характерно, например, за методите на радиоастрономията, поради вероятностния характер на регистрируемите сигнали, както по време или място на тяхното появяване, така и по съдържанието им. От тези позиции случайният сигнал може да се разглежда като изображение на случаен по своята природа процес, физичните свойства на който се определят от случайни параметри или сложната структура на средата, резултатът от измерванията, в която са трудно предсказуеми.Между тези два вида сигнали няма рязка граница. Строго погледнато, детерминирани процеси и отговарящи им детерминирани сигнали в комуникациите не съществуват. Даже сигналите, добре известни на входа в среда (при външно въздействие върху нея), на местата на тяхната регистрация винаги са усложнени от случайни смущения, влиянието на дестабилизиращи фактори и априорно неизвестни параметри и структурата на самата среда. От друга страна, моделът на случайния сигнал често се апроксимира чрез метода на суперпозицията (наслагването) на сигнали с известна форма.

Осъществява се на основата на съществени признаци на съответстващите математически модели на сигналите. Всички сигнали се разделят на две големи групи: детерминирани и случайни.

s (t) = s (t + kT), (2.2)

където k = 1, 2, 3, ... – е произволно цяло число,Т–период, на повторение.

Фиг.2.4.Хармоничен сигнал фиг.2.5.Амплитуден спектър на

хармоничния сигнал
а) Хармоничните сигнали (или синусуидални), фиг. 2.4, се описват със следните формули:

s(t)=Asin(2πf₀t+ϕ)=Asin(ω₀t+ϕ),

или (2.3)

s(t)=Acos(ω₀t+φ),

където A,f₀,ω₀,φ,ϕ - са постоянни величини: A - амплитуда на сигнала, фиг.2.5, f₀ - честота в Hz, ω₀=2πf₀- ъглова честота в радиани, φ и ϕ - начални фазови ъгли в радиани. Периодът на едно трептене е 1/f_{0 ,}2π/ ω₀.При φ= ϕ- π/2 синусоидалните и косинусоидалните функции описват един и същи сигнал.

б) Полихармоничните сигнали представляват най- широко разпространената група периодични сигнали и се описват със сума от хармонични трептения:

s(t)=∑A_nsin(nωt+φ_n) (2.4)

или непосредствено с функцията s(t)=y(t ±kT),k = 1,2,3,.., където Т е периода на едно пълно трептене на сигнала y(t), зададен за един период. Стойността f=1/Т се нарича основна честота на трептенето. Полихармоничните сигнали представляват сума с определена постоянна съставяща (f₀=0) и произволен (в граничен случай - безкраен) брой хармонични съставящи с честоти, кратни на основната честота f, и с произволни стойности на амплитудите А_n и фазите _n.

Фиг.2.6.Времеви модел на сигнала

s(t)=∑A_kcos(2πf_kt+φ_k)_, (2.5)

където: A_к = {5, 3. 4, 7} е амплитудата па хармопицпте; f_k={0,40, 80, 120} - честотата в херци; _k= {0, -0.4, -0.6, -0.8) - началният фазов ъгъл на трептенията в радиани; k = 0,1,2,3.

Честотното представяне на сигнала (спектъра на сигнала) е показано на фиг. 2.7. Както ще бъде показано, произволен сложен периодичен сигнал може да бъде представен във вид на сума от хармонични трептения с честоти, кратни на основната честота ω=2π/T.

Фиг.2.7.Амплитуден и фазов спектър