Что такое электроника? Принципы работы
радиоустройств, радиокомпоненты, принципиальные схемы, электрические
колебания и связь, цифровое ТВ, интегральные схемы и многое другое...
Дата обновления
01.06.2016
Посвящение в радиоэлектронику, массовая радио-библиотека
поддержка
проекта:
разместите на своей странице нашу кнопку!И мы
разместим на нашей странице Вашу кнопку или ссылку. Заявку прислать на
e-mail
Статистика
Так что же переносят сигналы?
Надеюсь, что читатель сам сможет ответить на этот вопрос. Любой
сигнал, будь то свет костра, телеграмма, код Морзе, написанный текст
и т. д., несет какое-либо сведение, или сообщение. Одним словом
информацию. Таким образом, сигнал есть средство передачи информации.
Любой переданный сигнал переносится либо энергией, либо веществом.
Иначе и быть не может, ведь наш мир материален. Это либо
акустическая волна (звук), либо электромагнитное излучение (свет,
радиоволна), либо лист бумаги (написанный текст), либо каменная
скрижаль с выбитыми на ней магическими знаками. Но ни переданная
энергия, ни посланное вещество сами по себе никакого значения не
имеют, они служат лишь носителями информации. По мере удаления от
передатчика поток энергии становится все слабее и слабее. Это тоже
не имеет значения до тех пор, пока превышение сигнала над шумом
достаточно для приема информации. Когда Москва передает по радио
последние известия, одну и ту же информацию получает и подмосковный
радиослушатель в г. Долгопрудном и уральский радиослушатель из
Нижнего Тагила. Но ноток энергии радиоволн в Нижнем Тагиле в тысячи
раз меньше, чем под Москвой. Истрепанная книжка, если в ней нет
вырванных страниц, несет ровно столько же информации, сколько такая
же новая. Каменная скрижаль весом в три тонны несет столько же
информации, сколько ее хороший фотоснимок в археологическом журнале.
Следовательно, мощность сигнала, так же как и вес носителя, никак не
могут служить оценкой количества информации, переносимой сигналом.
Как же оценить это количество?
Информация измеряется в битах
Во время второй мировой войны подобные вопросы не на шутку
заинтересовали шифровальщика при одном из штабов американских войск
в Европе К. Шеннона. Упорство в достижении поставленной цели часто
приносит успех, и после войны К. Шеннон защитил докторскую
диссертацию, став основоположником новой науки теории информации. В
1948 1949 годах увидели свет его статьи "Математическая теория
связи" и "Связь в присутствии шума".
Любое сообщение можно свести к передаче чисел. Пылкий влюбленный,
находясь в разлуке с объектом своей любви, посылает телеграмму:
"Любишь?". В ответ приходит не менее лаконичная телеграмма: "Да!".
Сколько информации несет ответная телеграмма? Альтернатив здесь две
либо Да, либо Нет. Их можно обозначить символами двоичного кода 1 и
0. Таким образом, ответную телеграмму можно было бы закодировать
единственным символом "1". Выбор одного из двух сообщений ("Да" или
"Нет", "1" или "О") принимают за единицу информации. Она названа
"бит" сокращение от английских слов binary digit, что означает
двоичная цифра. Таким образом, ответная телеграмма несла всего 1 бит
информации. А вопрос ценности этой информации для получателя это уже
из иной области.
Однако только что данное определение единицы информации слишком
упрощено. Если влюбленный уверен в положительном ответе, то ответ
"Да" не даст ему почти никакой новой информации. То же самое
относится и к безнадежно влюбленному, уже привыкшему получать
отказы. Ответ "Нет" также принесет ему очень мало информации. Но
внезапный отказ уверенному влюбленному (неожиданное огорчение) или
ответ "Да" безнадежно влюбленному (нечаянная радость) несут
сравнительно много информации, настолько много,
что радикально изменяется все дальнейшее поведение влюбленного, а
может быть, и его судьба! Таким образом, количество информации
зависит от вероятности получения данного ответа. Лишь при
равновероятных ответах ответ "Да" или "Нет" несет 1 бит информации.
Ну а что если выбор надо осуществить не из двух сочетаний, а из
множества? У древних индейцев Центральной Америки существовало
узелковое письмо. Писали, завязывая узелки на веревке. Совершенно
очевидно, что при таком способе письма можно использовать двоичный
код: есть узелок в данном месте единица, нет узелка нуль. Если на
каждом сантиметре длины веревки разместить по узелку, то метровая
веревка будет нести 100 бит информации. Согласитесь, это не так уж
мало.
В одном романе Жюля Верна собака, увидев игрушечные кубики с буквами,
выбрала из них вполне определенные, с буквами, которые составили имя
ее пропавшего хозяина, чем и приоткрыла завесу над тайной его
исчезновения. Здесь мы видим выбор определенных знаков из 26,
составляющих английский алфавит.
Еще один пример, но теперь из реальной жизни 1943 год,
англо-американские войска готовятся к высадке на итальянский остров
Сицилию, занятый фашистскими войсками. В это время в одной из тюрем
США сидел очень влиятельный гангстер Лучано, выходец из Сицилии.
Американская разведка, пользуясь всяческими средствами, вступила с
ним в сговор, пообещав досрочное освобождение. В результате с
самолета над Сицилией был сброшен вымпел шелковый платок с вышитой
на нем буквой l. Сицилийские мафиози, в то время не ладившие с
немецко-фашистскими оккупантами, прекрасно поняли смысл сообщения:
Лучано за союзников! Эффект был поразителен американская армия
практически не понесла потерь при освобождении Сицилии, так
как мафиози основательно помогли ей, начав партизанскую войну против
немцев.
Сейчас нас интересует не значимость для истории сообщения на
вышитом платке, а лишь количество переданной информации. В
английском алфавите 26 букв, добавим еще служебные знаки
препинания-всего 32 знака. Значит, осуществлялся выбор одного из 32
знаков. Пример характерен тем, что при передаче любых телеграмм, на
любом языке в приемном устройстве происходит выбор одной буквы из
алфавита, который чаще всего содержит 32 знака. Если вероятность
появления каждого из знаков одинакова и, следовательно, составляет
1/32, то при передаче одного знака сообщается log2 32 = 5 бит
информации. Ту же цифру мы можем получить и иным способом.
Перенумеруем все буквы алфавита по порядку. Буква l стоит на
двенадцатом месте, и ее порядковый номер будет 12. Теперь для выбора
этой буквы достаточно передать ее порядковый номер. Число 12,
выраженное в двоичном коде, выглядит как 01100. Для передачи любого
из 32 чисел двоичным кодом нужно пять разрядов, а любого из n чисел
-log2 n. Вы еще не умеете переводить числа из десятичного исчисления
в двоичное и обратно? Научитесь, это не так уж сложно! Вам поможет
приведенная таблица и простое правило: последний разряд двоичного
числа дает единицы (2°), предпоследний
-двойки (21), третий разряд справа - четверки (22), четвертый-восьмерки (2 ), и т.д
Для передачи любого числа от 0 до 31 необходимо пять двоичных
разрядов, или 5 бит информации. Таким образом, сообщение гангстера
Лучано мафиози содержало 5 бит информации.
В народном хозяйстве необходимо передавать значительно больше
информации. Не вызовет удивления, например, такая телеграмма,
переданная работником снабжения: "В феврале на Чукотку поступило
10000 грампластинок". Информация здесь такова: во-первых, февраль.
Надо думать, поставки товаров подобного рода
производятся ежемесячно, поэтому февраль надо обозначить цифрой 2.
Отсюда определяем число двоичных разрядов, необходимых для передачи
номера месяца: 4 (24 = 16, имеется некоторая избыточность информации).
Далее необходимо ввести код Чукотки. Пусть соответствующая
организация поставляет товары в 120 краев и областей, причем Чукотке
ввиду ее удаленности присвоен последний номер. Тогда для передачи
кода Чукотки (120) потребуется 7 двоичных разрядов (27 = 128). После
кода области надо указать код товара. Если всего поставляется,
например, 512 наименований товаров, то для обозначения грампластинок,
скажем № 384, потребуется 9 разрядов (29 = 512). И наконец, число
грампластинок 10000 в двоичном коде займет 14 разрядов. Получаем
следующую таблицу:
Полное сообщение гребует 34 двоичных разряда.
Спереди обычно добавляют несколько разрядов служебной информации
адрес, знак начала сообщения и г д. Последовательность кодов и число
разрядов каждого кода, указанные в таблице, должны быть и у
отправителя, и у получателя сообщения, чтобы они имели возможность
закодировать и раскодировать телеграмму На линии связи эти процессы
автоматизированы, соответствующие устройства напевают кодерами и
декодерами.
В книгах про разведчиков подобные таблицы называются шифрами и
ключами к шифрам, скажет сообразительный читатель, и будет
совершенно прав. Надеюсь, что наиболее юные и энергичные из
читателей придумывают свои собственные шифровальные таблицы для игры
в разведчиков, и их шифры, особенно представленные в двоичном коде,
вряд ли расшифрует "неприятель". Итак, мы научились представлять
информацию в цифровой форме и определять ее объем. А как быть с
аналоговыми сигналами'' Раньше их обрабатывали в аналоговой форме,
теперь все чаще преобразуют в цифровую.
Вспомним автопилот самолета, который мы уже рассматривали, и
попробуем сконструировать простейший датчик углового положения
фюзеляжа. Возьмем отвес жесткий стержень с грузом на конце,
закрепленный на горизонтальной оси 0. Верхний конец стержня соединим
с подвижным контактом потенциометра Л, а к крайним выводам
потенциометра подключим источники напряжения -10 и + 10 В. Если
фюзеляж самолета находится в горизонтальном положении, подвижный
контагг будет в середине резисгивной подковки потенциометра, а
потенциал на нем U обратится в нуль. Стоит самолету наклониться
вперед, скажем войти в пике, движок потенциометра переместится влево
по подковке и потенциал V станет отрицательным. Если же носовая
часть самолета будет направлена вверх, потенциал u станет
положительным. Пусть при наклоне фюзеляжа на угол + 20° потенциал u
изменяется от + 10 до - 10 В. Крутизна характеристики преобразования
угол напряжение для такого датчика составит 0,5 В на градус. Таким
образом мы получим аналоговый сигнал углового положения самолета.
Для преобразования этого сигнала в цифровую форму необходимо
задаться шагом дискретизации минимальным изменением напряжения,
соответствующим изменению цифрового кода на единицу. Если в нашем
простейшем случае достаточна точность 1°, то шаг дискретизации будет
равен 0,5 В. Число шагов дискретизации, на которое изменилось
напряжение U, и будет являться углом наклона фюзеляжа, выраженным в
градусах. Его значение-можно представить и двоичным кодом, как это
показано на рисунке. Для преобразования аналоговых величин в
цифровой код служат специальные электронные устройства
аналого-цифровые преобразователи (АЦП). Полученный цифровой код
углового положения фюзеляжа поступает в цифровой процессор,
выполняющий функции и сравнивающего устройства, и системы
регулирования (посмотрите схему на стр. 19). Сюда же поступают
сведения и о положении самолета в других плоскостях пространства, и
о положении рулей. Процессор вырабатывает сигнал, управляющий
рулями. При цифровой обработке информации можно получить значительно
большую точность регулирования и управления. Этим и объясняется
широкое применение цифровой техники в системах управления.
Датчик углового положения
Дискретизация по уровню
Магнитоэлектрические приборы с зеркальной шкалой обеспечивают
точность отсчета не более 0,2%, что составляет 2 -10 3. В то же
время цифровые вольтметры могут иметь пять-шесть разрядов, что
обеспечивает точность измерений на два-три порядка (в 100... 1000
раз) выше. Но вернемся к проблемам связи, ведь мы так и не закончили
разговор о передаче телефонных сигналов цифровым кодом.
