Передача данных в информационно управляющих системах Каналы передачи данных (стр. 1 из 6)

Кафедра: Автоматика и информационные технологии

ПЕРЕДАЧА ДАННЫХ В ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМАХ. КАНАЛЫ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

ВВЕДЕНИЕ

В данной работе приведены упражнения и задачи по большинству разделов дисциплин «Передача данных в информационно-управляющих системах» и «Каналы передачи данных». Предполагается, что, по крайней мере, два обстоятельства могут стимулировать обращение студента к этой работе:

- она раскрывает постановку и характер экзаменационных задач;

- позволяет каждому сформировать достаточно надежную самооценку уровня освоения учебного материала, своевременно сформулировать собственные вопросы к преподавателю.

Для удобства пользователя приведены фрагменты табулированного интеграла вероятностей V(x) (приложение1) и словарик понятий (приложение2), интерпретация которых сама есть предмет научения.

РАЗДЕЛ 1. ДИСКРЕТНЫЙ ИСТОЧНИК ИНФОРМАЦИИ, СТАТИСТИКА ЕГО СОСТОЯНИЙ, КОДИРОВАННЫЙ СИГНАЛ НА ЛОГИЧЕСКОМ УРОВНЕ, РАВНОМЕРНЫЙ И НЕРАВНОМЕРНЫЙ КОД

Упражнение 1.1

Напряжение сети «220 В, 50 Гц» контролируется стрелочным вольтметром на 250 В, шкала которого имеет 100 делений. Через каждые 15 минут показания прибора записываются оператором в журнал.

Охарактеризуйте функциональный состав такой «системы передачи информации». Что именно Вы предлагаете считать источником информации?

2. Аналоговый здесь источник или дискретный?

3. Что есть «среда распространения сигнала» в такой системе?

4. Какова физическая реализация сигнала?

Упражнение 1.2

Напряжение сети «220 В, 50 Гц» контролируется цифровым вольтметром с погрешностью не более сотой доли вольта. Вольтметр, кроме цифрового индикатора, имеет выход на принтер. Оператор смотрит на индикатор от случая к случаю, но через каждые 15 минут показания вольтметра автоматически регистрируются печатающим устройством.

1. Что Вы предлагаете принять за источник информации, за состояние источника?

2. Какова мощность множества состояний источника? Как ее вычислить?

3. Обоснуйте предположения o равномерности / неравномерности распределения вероятностей на ансамбле состояний источника.

Упражнение 1.3

Персонажи детективных романов нередко посылают телеграммы вполне невинного содержания типа «ПРИЕЗЖАЮ В ПЯТНИЦУ» (и отправитель действительно приезжает), а получатель воспринимает это, например, как «УЕЗЖАЙ НЕМЕД-ЛЕННО».

1. Правильно ли думать, что «воcстановление сообщения по сигналу» в любой системе передачи принципиально невозможно без некоторого априорного (до факта передачи) знания у получателя (приемника)?

- если «да», то как Вы определяете сущность, смысл этого знания?

- если «нет, необязательно», то какое же сообщение «отображают» сигналы телеграфа в данном примере?

2. В связи с этим: не правильнее ли говорить «система передачи сигналов» вместо «система передачи информации»?

3. В связи с этим же: правильно ли считать, что

- «сигнальное отображение информации» всегда неоднозначно?

- «сигнальное отображение информации» может быть неоднозначным?

Упражнение 1.4

Вариантом упражнения 1.3 может служить объявление в газете. Например: «ПРОДАЕТСЯ ЗЕРКАЛЬНЫЙ ШКАФ» (по указанному адресу шкаф действительно продается). В отличие от предыдущего, здесь сообщение адресуется произвольно большому числу получателей, среди которых может быть один (или несколько), для кого такой текст тоже может означать «УЕЗЖАЙ НЕМЕДЛЕННО».

Считаете ли Вы, что существуют технические системы передачи информации, в которых разные получатели (технические устройства) различно интерпретируют одни и те же сигналы?

- если «да, существуют», то приведите примеры таких систем.

- если «нет, такие существовать не могут», то обоснуйте свой ответ.

Упражнение 1.5

Некоторый источник информации имеет десять состояний А_i. В таблице приведены вероятности пребывания источника в каждом из состояний Р(А_i).

Распределение вероятностей состояний источника информации

A_i	A₁	A₂	A₃	A₄	A₅	A₆	A₇	A₈	A₉	A₁₀
P(A_i)	0.01	0.07	0.035	0.035	0.35	0.07	0.14	0.07	0.15	0.07

Используя процедуру Хаффмена или Шеннона - Фано, напишите список слов неравномерного двоичного кода, сопоставив каждому состоянию источника одно слово. Вычислите среднюю длину кодового слова, сопоставьте с длиной слова при равномерном кодировании (подразумевается код с минимальной длиной слова).

Задача 1.6

Напишите список слов равномерного четверичного кода минимальной длины (алфавит {0, 1, 2, 3}), пригодного для отображения, например, двадцати различных команд управления по правилу: <команда управления>:=<кодовое слово>.

Замечания и рекомендации по решению задач РАЗДЕЛА 1

Упражнения 1.1, 1.2 призваны «стимулировать разговор» о таких понятиях теории информации, как «источник информации», «состояние источника», «сообщение о состоянии источника». В этих упражнениях требуется интерпретировать элементы конкретной системы в терминах теории. Интерпретация не обязательно однозначна. В частности, в упражнении 1.1 «источник информации» довольно легко определить различно, так, что он может быть то дискретным, то аналоговым в зависимости от того, как будет определено «состояние источника».

В упражнении 1.2 может показаться, что нет данных для ответа на вопрос 2. На самом деле это не так. В неявном виде такие данные в тексте содержатся. Стоит обратить внимание на погрешность вольтметра.

При ответе на вопрос 3 предполагается, что каждый опирается на свои знания о характере типичного поведения уровня напряжения сети во времени.

В упражнении 1.4 говорится о системе, в которой передача информации осуществляется для многих получателей, в то время как в упражнении 1.3 получатель один. Это замечание делается не для того, чтобы подчеркнуть различие систем, а скорее наоборот, для того, чтобы попытаться сформулировать обобщенные выводы об «априорном знании у получателя», справедливые для систем того и другого типа.

Решение задачи 1.5 предполагает освоение техники построения «оптимального кода» по критерию минимума средней длины слова. Эта техника может быть различной. Лучше познакомиться с той, которая дает так называемый «префиксный код». В связи с решением этой задачи стоит принять во внимание то обстоятельство, что параметры обсуждаемого кода, кроме алфавита кодирования («значности кода») и числа состояний источника, определяются статистической структурой источника. Последнее обстоятельство делает код уникальным, не оптимальным в отношении другого источника, пусть даже имеющего то же число состояний.

РАЗДЕЛ 2. ФИЗИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ЭЛЕМЕНТАРНОГО СИГНАЛА, МОДУЛЯЦИЯ, СПЕКТРАЛЬНОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ЭЛЕМЕНТАРНОГО СИГНАЛА

Упражнение 2.1

На рис. 2.1 приведен возможный вариант структурной схемы формирователя видеосигналов с ШИМ-манипуляцией для двоичного канала. Символы двоичного алфавита {0,1} на входе формирователя представлены в виде NRZ-сигналов с ТТL-уровнями, как принято в вычислительной технике.

Рис.2.1. Вариант структурной схемы ШИМ – формирователя для двоичного канала

Рис.2.2. Временные диаграммы требуемых выходных ШИМ-сигналов

Предложите варианты подробной функциональной схемы формирователя с аналоговыми или дискретными электронными компонентами, реализующей выходные сигналы в соответствии с рис. 2.2.

Упражнение 2.2

Известно, что применительно к проводным электрическим цепям в качестве носителей сигналов часто используются гармонический или постоянный ток.

Что Вы скажете относительно предложения организовать сигнал на основе шумового переносчика, т.е. случайного процесса? Возможно ли это хотя бы в принципе?

Если «Да, возможно», то поясните, как организовать такие сигналы? Какие параметры модулировать? Каким образом приемник сможет опознавать сигналы?

Если «Нет, невозможно», то также поясните, почему такие сигналы не могут быть реализованы?

Упражнение 2.3

Для ШИМ-сигналов двоичного канала (рис.2.2) и троичного канала (рис.2.3) приведите:

1) граф-схему алгоритма функционирования опознавателя;

2) функциональную схему опознавателя, необходимые пояснения, раскрывающие ее работу.

Рис. 2.3. ШИМ – видеосигналы

троичного канала

Структурная схема опознавателя показана на рис.2.4. Cостояние цепи Q_i = «1», если в данном такте t₀из канала поступил сигнал i = 0, 1, 2. При этом состояния остальных цепей Q_j, j¹i должны быть равны «0».

Рис.2.4. Структурная схема опознавателя элементарных ШИМ – сигналов для троичного канала

Задача 2.4

В двоичном канале символ «0» представлен видеоимпульсом прямоугольной формы длительностью 0,2*10^–3с, а символ «1» - импульсом длительностью 0,5*10^–3с.

Вычислить необходимую полосу частот канала.

Задача 2.5

В двоичном канале символ «1» представлен радиоимпульсом с прямоугольной формой огибающей длительностью 4*10^–2 с. с амплитудой 1,5В, а символу «0» соответствует отсутствие импульса («физический ноль»). Частота несущего колебания составляет 1 кГц. Скорость манипуляции В = 12,5 Бод.

Указать границы частотного диапазона, ограничивающие требуемую полосу частот. Привести в некотором масштабе вид сигнала на оси времени.