Основные определения

Из рассмотрения информационной структуры АСНИ следует, что при ее разработке очень важно уметь эффективно описывать как сами сигналы, так и процедуры их обработки. Сигналы являются предметом рассмотрения специальной дисциплины, которая называется «Теория сигналов». Она базируется на понятиях теории информации и широко использует математические методы. Рассмотрим основные понятия теории сигналов.

Теория сигналов изучает сигналы, а именно способы описания (модели) и их свойства с точки зрения способности передавать информацию. Информация–это любые сведения о чем-либо. Точнее определить понятие информации через другие, более фундаментальные, на данном уровне рассмотрения вряд ли удастся, поскольку это одно из фундаментальных понятий в ряду таких, как пространство, время, энергия и т.п. Однако в кибернетике (во всяком случае, в уже освоенной ее части), информация понимается в более узком смысле и базируется на понятии множества событий, которое связано с неким идеальным (модельным) объектом.

Событие-это то (нечто), что может либо произойти, либо не произойти.Каждый объект характеризуется некоторым ассоциированным с ним множеством потенциальных событий, т.е. событий, которые в принципе могли бы произойти с данным объектом. Это множество может быть непрерывным и дискретным, конечным и бесконечным.

Сообщение – несет информацию путем указания того, какое конкретное событие из заданного множества событий произошло на момент формирования сообщения. Если множество потенциальных событий некоторого объекта устроено достаточно просто (скажем, состоит из конечного числа элементарных событий), то можно построить разумную меру количества информации в одном сообщении. Существуют различные подходы к определению количества информации, среди которых можно отметить ставшие уже классическимикомбинаторную меруР. Хартли,статистическую меруК. Шеннона иалгоритмическую меруА.Н. Колмогорова. Использованием ситуаций, в которых информация может быть выражена количественно, занимается теория информации (или, как более точно называл ее основатель К. Шеннон, математическая теория передачи сообщений), имеющая приложения в области технической реализации информационных систем.

Таким образом, в технических приложениях информацияв узком смысле трактуется каксообщение, подлежащее преобразованию, обработке, передаче и хранению.

Сигнал– это материально-энергетический носитель информации (сообщения). Он служит для передачи (переноса) информации (сообщения) в пространстве и времени.

В свою очередь, в качестве носителя сигнала всегда выступает некоторый объект или физический процесс. Однако непосредственно в качестве сигналов используются не сами объекты и процессы, а их состояния, которые могут ассоциироваться с передаваемыми сообщениями. Таким образом, формирование сигнала происходит за счет изменения состояния объекта или процесса (физически реального), который называется носителем сигнала. В зависимости от точки зрения один и тот же объект или процесс может являться носителем различных сигналов.

Поясним это простым примером. Пусть для передачи информации используется электрический ток, проходящий через медную проволоку. В данном случае ни сама медная проволока (объект), ни электрический ток, как физический процесс, сигналами не являются. В качестве сигнала можно, например, использовать значения величины тока, протекающего через проволоку в различные моменты времени. В этом случае носителем сигнала будет электрический ток. Однако этой же медной проволокой можно распорядиться по-другому. Если просто потянуть за один конец свободно натянутой проволоки, то соответствующее натяжение может быть зафиксировано на другом ее конце. Следовательно, в качестве сигнала можно также взять силу натяжения в различные моменты времени, при этом носителем сигнала будет являться процесс распространения механического усилия (натяжения) вдоль медной проволоки.

Чтобы из сигнала можно было выделить сообщение, он должен формироваться по определенным правилам. Построение сигнала по определенным правилам называется кодированием. Понятие кодирования обладает широким спектром смысловых значений.

Кодирование в широком смысле– это преобразование сообщения в сигнал, или, другими словами, процедура, с помощью которой устанавливается соответствие между сигналом и сообщением (информацией).

Кодирование в узком смысле– это процедура представления каждого сообщения из заданного множества последовательностью символов из конечного алфавита. На базе этого понятия строится теория кодирования, целью которой является исследование способов кодирования, обеспечивающих заданные свойства: устранение информационной избыточности, повышение помехоустойчивости и т.п.

В теории сигналов изучаются не сами сигналы, а их математические модели. Это означает, что, отвлекаясь от физической природы сигналов, интересуются лишь некоторыми характеристиками сигнала, которые считаются существенными и используются для кодирования сообщений. При этом признанные несущественными характеристики в расчет не берутся.

Чаще (но не всегда) в качестве модели сигнала используется функция времени (как математический объект) x(t), которая описывает некоторую характеристику физического сигнала в различные моменты времени.

Математические модели сигналов условно можно разделить на полные и неполные.

Полная модельотражает всю информацию о сигнале с точки зрения выбранной физической величины.

Неполная модель(илиоценка) содержит не всю информацию о сигнале и, следовательно, описывает сигнал лишь с некоторыми потерями (с погрешностью). В результате этого часть существенной информации теряется.

Например, если в качестве физического сигнала взять силу тока в некоторой электрической цепи, то функцию i(t), гдеi - сила тока,t - время, можно считать полной моделью. Однако мгновенная энергияE(t) =i²(t) будет уже неполной моделью, так как не учитывает знака величины тока (т.е. направление его протекания в цепи), хотя и передает все остальные особенности исходного сигнала.

Неполная модель полезна в тех случаях, когда требуется упростить описание физического сигнала и есть возможность пренебречь некоторыми деталями в его представлении.