Сведения о процессе преобразования сигналов

Материал из Национальной библиотеки им. Н. Э. Баумана
Последнее изменение этой страницы: 15:42, 14 ноября 2016.

Далее принимается, что информация – это мера неопределенности пространства событий. Сообщение понимается, как логический носитель информации. Физическим носителем сообщения является сигнал.

Все реальные объекты являются источниками:

  • собственного,
  • отраженного,
  • прошедшего излучения,

в котором содержатся сведения об их характеристиках, координатах, форме и размерах, и могут рассматриваться как источники сообщений. Сообщение рассматривается и как логический носитель информации, и как форма представления информации для ее хранения, обработки или непосредственного использования. С этой точки зрения распределение коэффициента отражения на поверхности объекта, поле температур, коэффициент пропускания транспаранта, последовательность букв в тексте, речь, электрические колебания служат примерами физических носителей сообщений - сигналов. Заметим, что понятие сообщения в теории информации имеет вероятностный характер. Каждый источник сообщений входит в пространство событий и задается перечислением возможных сообщений и соответствующих им вероятностей.

Передача сообщений осуществляется по некоторому каналу в виде сигналов. Канал представляет собой заданную совокупность средств передачи информации и может включать в себя:

  • слой свободного пространства;
  • преобразующие элементы (антенны, объективы, транспаранты, модуляторы и т.п.);
  • волоконно-оптические и проводные линии;
  • регистрирующее устройство (детектор излучения);
  • электронный тракт и т. д.

В общем случае под сигналом понимается физический процесс, несущий сообщение о каком-либо событии или состоянии объекта и протекающий в пространстве и во времени и охватывающий определенный спектральный диапазон длин волн, т.е. это материальная (физическая) форма представления информации для передачи по каналу. Посредством совокупности сигналов можно с той или иной степенью полноты представить сколько угодно сложное событие или состояние объекта.

В реальных преобразующих системах в зависимости от физической природы различают следующие преобразуемые сигналы:

  • электромагнитные,
  • электрические,
  • акустические,
  • механические.

Физической величиной (основным информационным параметром), определенным образом связанной с передаваемым сообщением, определяющей характер сигнала и зависящей от пространственных координат и времени, может быть:

  • напряженность электрического поля в электромагнитной волне ,
  • яркость или освещенность соответственно в пространстве предметов и изображений,
  • поток излучения,
  • напряжение,
  • ток,
  • заряд,
  • давление в акустической волне,
  • поток акустического излучения (см. раздел 2.4.5).

Преобразование исходного сообщения от объекта в сигнал, материальным носителем которого является электромагнитное либо акустическое излучение, осуществляется в результате испускания, отражения и прохождения излучения. При этом наряду с основными информационными параметрами выделяют дополнительные информационные параметры. Один или несколько параметров функции, описывающей физический процесс, изменяются в соответствии с некоторой зависимостью, которая характеризует содержание передаваемого сообщения. Информационными параметрами сигнала являются:

  • амплитуда (интенсивность),
  • частота,
  • фаза,
  • длительность,
  • ширина спектра,
  • время запаздывания,
  • направление распространения волны,
  • поляризационные параметры,
  • давление (в акустических системах).

Такое преобразование может быть заложено как в самом процессе функционирования объекта, так и осуществляться в результате модуляции (управления) сигнала. Основная характеристика процесса модуляции - степень соответствия между изменением параметра сигнала и модулирующим сигналом.

Сигналы могут преобразовываться из одного вида в другой, более удобный, без изменения переносимых ими сообщений для последующей:

  1. передачи;
  2. переработки;
  3. управления;
  4. отображения;
  5. хранения или
  6. целенаправленного изменения информации, имеющейся в сообщении.

В зависимости от вида функции , которая описывает физический процесс, можно выделить следующие классы сигналов:

  1. Произвольные по величине и непрерывные по координатам. Сигналы данного класса иногда называют аналоговыми, или непрерывными, так как они считаются заданными на несчетном множестве пространственно-временных точек. По величине они принимают любое значение в определенном интервале, но могут иметь разрывы. Принято называть такие сигналы пространственно-временными сигналами.
  2. Произвольные по величине и дискретные по координатам. К сигналам этого класса относятся сигналы, заданные при дискретных значениях аргументов, т. е. на счетном множестве пространственно-временных точек. Такие сигналы называют дискретными[1]. Так как величина сигнала может принимать любые значения, то термин дискретный характеризует способ его задания на пространственно-временных осях. При этом преобразование дискретного сообщения в дискретный сигнал называется кодированием.
  3. Квантованные по величине и непрерывные по координатам. Рассматриваемый класс составляют сигналы, квантованные по уровню. Они заданы во всех пространственно-временных точках, однако могут принимать лишь дискретные значения.
  4. Квантованные по величине и дискретные по координатам. В таком классе сигналов квантование используют с целью последующей электронной обработки сигналов в цифровой форме с помощью цифрового кодирования. Уровни сигнала нумеруются числами с конечным числом разрядов, так что сообщение превращается в последовательность двоично-кодированных чисел. Поэтому квантованный по уровню и дискретный по координатам сигнал называют цифровым.

Таким образом выделяют:

  • аналоговые;
  • дискретные;
  • квантованные;
  • цифровые сигналы.

Зависимость сигнала от пространственно-временных координат обусловливает выделение промежуточных классов (подклассов).

Если на передний план выступает дискретизация во времени, то такой многомерный сигнал далее называется пространственно-непрерывным дискретно-временным сигналом. При наличии дискретизации только по пространственным координатам далее говорится о пространственно-дискретном непрерывно-временном сигнале. В случае дополнительного квантования по уровню сигнала появляются квантованные пространственно-непрерывные дискретно-временные подклассы и квантованные пространственно-дискретные непрерывно-временные подклассы. Регистрация пространственно-временных, да и временных сигналов всегда связана с преобразованием их в электрические сигналы с помощью приемника излучения (ПИ), являющегося детектором. При этом сообщение выделяется в результате детектирования. После детектирования, если это необходимо, осуществляется декодирование сигнала, т.е. процесс, обратный кодированию, а также другие преобразования электрического сигнала в электронном тракте.

Все наблюдаемые сигналы можно разделить на регулярные (детерминированные) и случайные (недетерминированные). К регулярным относятся сигналы, которые могут быть заданы точными или приближенными функциональными зависимостями от координат и времени. Иначе говоря, их значения в любой момент времени в каждой точке пространства можно предсказать с вероятностью, равной единице. На практике встречается много физических явлений, с высокой степенью точности описываемых строгими математическими соотношениями. Однако существует множество физических процессов, имеющих недетерминированный характер. Точное значение такого случайного сигнала в некоторый момент времени или фиксированных координатах указать невозможно, так как его значения заранее неизвестны, а могут быть предсказаны лишь с некоторой вероятностью, меньшей единицы. Такие сигналы, вид которых заранее неизвестен, нельзя описать точными математическими соотношениями.

Они описываются случайной функцией времени (случайный процесс) или случайной функцией пространственных координат и времени (случайное поле). Эти сигналы случайны по своей природе и не могут задаваться точными выражениями. Их вероятностные свойства описываются с помощью детерминированных усредненных статистических характеристик. В качестве примеров случайного поля можно рассмотреть:

  • распределение яркости фона объектов пеленгации;
  • распределение интенсивности когерентного излучения после диффузного рассеивателя, распределение интенсивности источника пространственно-временного поля, создаваемого источником помех;
  • к случайным процессам относятся последовательность оптических, акустических или радиоимпульсов на входе локационной системы, когда амплитуды импульсов и фазы их высокочастотного заполнения флуктуируют из-за изменения условий распространения, положения объекта и некоторых других причин;
  • напряжение шумов на выходе детектора излучения.

Во многих случаях трудно решить, относится ли рассматриваемый сигнал к регулярным или случайным. Можно утверждать, что в действительности ни один физический процесс нельзя считать строго детерминированным, поскольку всегда существует возможность того, что в будущем какое-либо непредвиденное событие изменит течение процесса таким образом, что полученные данные будут носить характер совершенно иной, чем предполагалось ранее. С другой стороны, ни один физический процесс не имеет строго случайной природы, так как при условии достаточно полного знания механизма изучаемого процесса его можно описать точными математическими соотношениями.

Преобразование и передача сигналов в преобразующей системе всегда протекает в присутствии различного вида помех, имеющих главным образом случайный характер. Поэтому одной из основных задач преобразующей системы является прием и обнаружение сигналов от объекта излучения среди шумовых сигналов, порождаемых помехами, с целью выделения полезного сообщения и измерения параметров сигналов. Эта задача приема включает в себя задачи обнаружения и измерения (распознавания) – полностью определяется спецификой обработки поступающих сигналов в системе и не может быть решена без знания признаков, характерных как для определенного вида полезного сигнала, так и для шумового сигнала (разновидности случайного сигнала). На практике во многих случаях трудно указать признаки, по которым различные сигналы абсолютно отличаются друг от друга и от шумового сигнала, так что задача обнаружения во многом носит вероятностный характер. При этом можно получить лишь более или менее достоверное представление об измеряемом (распознаваемом) параметре – его статистическую оценку.

Однако оптимальное значение порога обнаружения существенно зависит от априорной вероятности появления сигнала. В свою очередь, наиболее точное определение этой вероятности зависит от деятельного выделения характерных признаков сигналов и их строгого математического описания. Наконец, вся преобразующая система разрабатывается и оценивается по отношению к целому классу возможных сигналов, а не какому-то одному виду сигнала. Именно эти идеи и реализует теория преобразующей системы, которая дает единое описание процесса преобразования сигналов в преобразующей системе. Такой подход обеспечивает возможность разработки средств информационной безопасности.
  1. Термин дискретный применяется по отношению к дискретизации по координатам. Дискретизация по уровню называется квантованием.