Теоретические основы информационно-измерительной техники

УДК 621.391

Кавчук С.В. Теоретические основы информационно-измерительной техники. Конспект лекций.Часть I: Таганрог, ТРТУ, 2000.

В первой части конспекта рассмотрены основы теории сигналов. Излагаются основные понятия и расчетные соотношения для: геометрического и спектрального представлений сигналов, аппроксимации и аналого-цифрового преобразования сигналов, сжатия данных, модуляции и разделения сигналов.

На структурном уровне как технические приложения теории сигналов приводятся примеры построения измерительных систем и узлов.

Конспект предназначен для студентов специальностей: 072000 “Стандартизация и сертификация в промышленности”, 190304 “Приборы и комплексы экологического мониторинга” и 190900 “Информационно-измерительная техника и технологии”,. Он может быть полезен в качестве учебного пособия для смежных специальностей, где изучаются вопросы получения, преобразования и передачи измерительной информации.

Табл.2, Ил.133, Библиогр. назв. 25.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Рекомендуемые материалы

В учебный план специальностей: 072000 “Стандартизация и сертификация в промышленности”, 190300 “ Авиационные приборы и измерительно-вычислительные комплексы”, 190304 “Приборы и комплексы экологического мониторинга” и 190900 “Информационно-измерительная техника и технологии” входит курс “Теоретические основы информационно-измерительной техники”. Данный курс неоднократно читался для студентов специальностей 0642, 0720 и 1909. Полный материал лекций включает четыре раздела - теорию сигналов, теорию информации, теорию кодирования и технические приложения теории сигналов в задачах измерительной техники. Изучение курса поддерживается практическими и лабораторными занятиями.

Предлагаемый конспект отражает первый раздел лекционного курса, а именно основные элементы теории сигналов. Его следует рассматривать как введение в теорию сигналов, причем изложение ведется в форме, справочно-прикладной для технических задач. Содержание конспекта позволяет решать вопросы анализа и синтеза измерительных устройств и систем на уровне их системотехнического проектирования.

Автор глубоко признателен коллективу кафедры АСНИиЭ ТРТУ за полезные методические замечания при формировании данного курса, которые способствовали его улучшению.

ЭЛЕМЕНТЫ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

Информационно-измерительная техника (ИИТ) - это взаимодополняющее сочетание измерительной и информационной техники.

Измерительная техника (ИТ) - это совокупность методов и средств для получения с заданной точностью количественной информации о характеристиках веществ, материалов, изделий, технологических процессов и физических явлений.

Информационная техника (ИнТ) - это совокупность средств для восприятия, преобразования, передачи, обработки, хранения и представления какой-либо информации, в общем случае необязательно измерительной.

Научной основой измерительной техники является метрология. Она была создана и развивалась как наука для решения проблем измерений в научных исследованиях и комплексных испытаниях изделий (или объектов). В переводе с греческого слово “метрология” означает “учение о мерах” (“метро” - мера и “логос” - учение).

Одна из основных задач метрологии - обеспечение единства и необходимой точности измерительной информации. Основные исторические моменты решения этой задачи:

· 1842 г. - создание в России Депо образцовых мер и весов;

· 1881 г. - принятие первой системы единиц на Первом конгрессе по электричеству;

· 1893 г. - создание Главной палаты мер и весов на базе Депо, ныне НПО ВНИИМ (Всероссийский НИИ метрологии) им. Д.И. Менделеева;

· 1930 г. - организация Отдельной лаборатории измерений (ОЛИЗ);

· 1946 г. и по сей день - интенсивное развитие электроприборостроения, например, заводы измерительных приборов (ЗИП) в городах Ленинграде, Краснодаре, Омске и Невинномысске, специальные НИИ и КБ;

· 1952 г. - создание ВНИИЭП в г. Ленинграде (Всероссийский НИИ электроизмерительных приборов).

В метрологии различают два направления - научно-техническое и законодательное. Сущность первого направления - создание эталонов, средств и методов измерений, методов оценки точности измерений и т.д., а второго - cоздание регламентированных государством общих правил и норм измерительной техники. Установление в государственном порядке норм качества, форм и размеров изделий называется стандартизацией.

Метрология и стандартизация тесно связаны между собой. С одной стороны, стандарты используются при измерениях, с другой - измерения обеспечивают выполнение стандартов. В Российской Федерации (РФ) стандартизация и метрология объединены в единую государственную службу - Госстандарте РФ.

Для поддержания единства измерений в стране необходимо соответствующее метрологическое обеспечение (МО). Под единством измерений понимают такое их состояние, при котором результаты измерений выражены в узаконенных единицах, а погрешности известны с заданной вероятностью. Тем самым обеспечивается сопоставимость результатов измерений.

МО - это совокупность научных и организационных основ, технических средств, правил и норм, необходимых для достижения единства и требуемой точности измерений.

Научная основа МО - метрология. Организационная основа МО - это сеть учреждений метрологической службы РФ, возглавляемая Госстандартом РФ.

Техническая основа МО - измерительная техника. Она включает в себя систему эталонов единиц физических величин, систему передачи размеров единиц всем средствам измерений, государственную систему приборов (ГСП), систему испытаний, систему метрологической сертификации и т.д.

 Правовая основа МО - государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ). ГСИ - это комплекс нормативно-технической документации (НТД) Госстандарта РФ.

На данный момент укрупненная структура обеспечения качества изделий имеет следующий вид (рис.1.1):

                                                                Рис.1.1

Научной основой информационной техники является теория информации. Теория информации появилась и развивалась как наука для решения проблем связи. Развитие электро- и радиосвязи в 20 - 30-х годах привело к необходимости объективной оценки методов и качества сообщений. Основные моменты решения этого вопроса:

*  1928 год, Р.Л. Хартли ввел комбинаторную меру информации;

*  1933 год, В.А. Котельников доказал теорему о дискретном представлении функции времени с ограниченным спектром;

*  1941 г., А.Н. Колмогоров и 1948г., Н. Винер - аппроксимация и фильтрация случайных сигналов;

*  1946 г., В.А. Котельников - помехоустойчивость связи;

*  1948 г., К. Шеннон - математическая теория связи на базе теории вероятностей.

Работа Шеннона завершила формирование основ теории информации.

В настоящее время теория информации широко применяется в различных областях науки и техники. Не обошла она стороной и информационно-измерительную технику. Развиваются невероятностные подходы для количественной оценки информации - комбинаторный, алгоритмический (А.Н. Колмогоров), топологический и др.

Теория информации - составная часть кибернетики. Кибернетика - наука об общих законах управления и связи в живом и неживом мире. В кибернетике оперируют следующими понятиями: система, структура, информация, сигнал, управление, обратная связь и др.

Одна из основных категорий кибернетики - это понятие информации. В ИИТ так же, как и в кибернетике, часто используют понятие “информация”. В переводе с латинского “информация” есть сообщение, осведомление о чем-либо. Однако перевод - это еще не определение термина.

В широком смысле понятие об информации дает философия, в которой информация рассматривается как свойство материи, отличное от ее вещественных и энергетических свойств. Ее связывают с категорией отражения диалектического материализма. Отражение - это воздействие одного материального объекта (в технике, например, интегральной микросхемы) на другой (например, измерительный прибор), при котором устанавливается соответствие между ними. В результате отражения одного объекта другим мы получаем информацию.

Итак, информация - это отражение одного объекта другим. В процессе отражения возникает информационный процесс. В этом случае отражаемый объект - источник информации, а отражающий объект - приемник информации. Таким образом, измерение связано с отражением материальных объектов и представляет собой информационный процесс.

В технических приложениях термин “информация” понимают в узком, практическом смысле, а именно: информация - это сообщение, уменьшающее начальную неопределенность знаний об объекте и подлежащее преобразованию, передаче, хранению и обработке. Сообщения могут быть дискретными, непрерывными и смешанными. Сообщения о значениях измеряемых физических величин называют измерительной информацией.

Независимо от содержания сообщение в технике представляется в виде сигнала (дискретного, непрерывного или смешанного). Сигнал является материально-энергетическим носителем информации. Он служит для передачи информации в пространстве и времени. Различают реальные физические сигналы (электрические, звуковые, световые и т.д.) и их математические модели. Сигналы могут быть случайными, неслучайными (детерминированными) и квазидетерминированными.

Сигнал, функционально связанный с измеряемой физической величиной, называют сигналом измерительной информации или просто измерительным сигналом. Измерительный сигнал имеет информативный параметр и неинформативные параметры. Параметр, функционально связанный с измеряемой величиной, является информативным. В противном случае параметр неинформативен.

Сигнал измерительной информации часто сопровождается помехой. Помеха или шум - это сигнал, который не содержит измерительной информации. Помеха является причиной погрешности измерений, и от нее надо защищаться. С другой стороны, погрешность измерений можно представить эквивалентным действием помехи.

С позиции теории информации структура информационного процесса получения информации в измерительной технике представляется следующим образом (рис.1.2):

Рис.1.2

На рис.1.2: {  } - знак набора элементов; Д - датчик или первичный преобразователь; C - устройство cравнения; М - мера образцовая; В - устройство выдачи результата измерения;

Д, C, M и В - основные элементы любой измерительной системы. Мера M формируется специальным устройством. Измерительный сигнал a(t) понимается как функция параметра a от времени t. Он несет информацию. Д, C и M имеют погрешности, что эквивалентно действию на них помех (шума) . Помеха дает дезинформацию. Все помехи можно привести к входу или выходу. Например, на рис.1.2 показана суммарная помеха , приведенная к входу. В результате на выходе имеем сигнал a^*(t), искаженный помехой (смесь сигнала и помехи). Такой сигнал несет в себе как информацию, так и дезинформацию.

Таким образом, измерительная система представляется как канал передачи информации от объекта к потребителю при наличии помех. При измерениях всегда присутствует погрешность, которая понимается как разность

.

Сигнал погрешности D(t) несет дезинформацию и, как правило, является случайной величиной, в общем случае зависящей от времени t. Очевидно, если случайная погрешность D(t) маловероятна и ее величина мала, то достоверность измерений будет высокая.

Рассмотрим структуру информационного процесса при передаче информации в технике связи (рис.1.3).

Рис.1.3

Передатчик, линия связи ЛС и приемник образуют систему передачи информации. ЛС - физическая среда, по которой передается сигнал. Структура на рис.1.3 является примером одноканальной системы. Информация передается с помощью сигналов a(t) и s(t). Сигнал - физический носитель информации. Обычно используются электрические сигналы (ток, напряжение).

На рис.1.3: a(t) и s(t) - полезные сигналы, они несут информацию; x(t) - помеха (т.е. вредный сигнал), она дает дезинформацию и, как правило, представляет собой случайный сигнал; s^*(t) и a^*(t) - сигналы, искаженные помехой (смесь сигнала и помехи), они несут как информацию, так и дезинформацию.

Погрешность или ошибка передачи D(t) = a(t)-a^*(t) определяет достоверность передачи. Достоверность передачи зависит от помехоустойчивости системы. Помехоустойчивость - это способность противостоять действию помех. Она зависит от свойств сигнала s(t) и помехи x(t), а также от способа приема сигнала s^*(t) в приемнике.

Рассмотрим разновидности одноканальных структур передачи информации:

а) Передача дискретной информации (рис.1.4).

Рис.1.4

Канал связи - совокупность устройств ( модулятор, линия связи ЛС, демодулятор), по которым проходят сигналы. В одной ЛС можно организовать несколько каналов связи с помощью нескольких модуляторов и демодуляторов. Тогда система - многоканальная.

Назначение кодера - представить сообщение a(t) в закодированной форме. На его выходе имеем  сигнал кода b(t).

Назначение модулятора - преобразовать кодированный сигнал b(t) в форму s(t), удобную для передачи по ЛС. Модулятор согласует кодер и ЛС. В некоторых случаях модулятор может отсутствовать.

Демодулятор и декодер выполняют обратные операции.

б) Передача непрерывной информации (рис.1.5).

Рис.1.5

в) Передача непрерывных сообщений дискретным методом (рис.1.6).  

На рис.6: ИНС - источник непрерывных сообщений; АЦП - аналого-цифровой преобразователь; К - кодер; М - модулятор; ЛС - линия связи; ДМ - демодулятор; ДК - декодер; ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь; ПНС - потребитель непрерывных сообщений.

                                        

Рис.1.6

Вам также может быть полезна лекция "10 Вера, сомнение, знание в социально-гуманитарных науках".

В общем случае объект познания характеризуется множеством N изменяющихся во времени T физических сигналов X. Для ускорения исследований и испытаний таких объектов служат информационно-измерительные системы (ИИС). Общая укрупненная структура ИИС имеет вид , показанный на  рис.1.7. На нем видны основные фазы обращения информации в технике - восприятие, передача, обработка, представление и воздействие.

Рис.1.7

Структура любой реальной системы может отличаться от приведенной модели. Может быть иным сочетание перечисленных средств или степень полноты средств каждой группы. Однако минимальный и обязательный для всех систем состав включает в себя средства 1, 2, 3, 5 и 9. Средства 1, 2 и 3 - это измерительная часть системы, обеспечивающая восприятие информации.

В зависимости от состава средств из обобщенной структурной схемы получают: измерительные системы (ИС), телеизмерительные системы (ТИС), информационные системы (ИНС), системы автоматического контроля технологических процессов (САК ТП), системы автоматического управления (САУ), автоматизированные системы научных исследований и комплексных испытаний (АСНИКИ), системы технической диагностики (СТД), системы опознавания образов (СОО) и т.д.

В данном курсе рассматриваются общие вопросы ИИТ, которые являются ее основной теоретической базой. Приведенные структуры систем и информационных процессов показывают, что теоретическая база включает в себя - элементы метрологии, элементы теории сигналов, элементы теории информации, элементы теории кодирования и передачи информации по каналам связи с шумами и без шума. Так как элементы метрологии достаточно подробно рассматриваются в дисциплине “Метрология“, то в этом курсе они ограничиваются оценкой точности различных преобразований измерительных сигналов.

Основной задачей курса ТО ИИТ является изучение математических моделей измерительных сигналов, а также процессов преобразования и передачи измерительной информации при условии обеспечения требуемой ее достоверности. На этой теоретической базе можно формулировать технические требования к измерительным средствам и тем самым решать вопросы анализа и синтеза измерительных систем на уровне системотехнического проектирования.