Виды информации, ее количественная оценка

В природе и в деятельности человека принято различать два вида информации: связанную и свободную.

Связанной считается информация, содержащаяся в структуре какого-либо объекта, явления или процесса, то есть их реально существующие параметры, представленные в виде множеств физических величин. Связанная информация существует объективно, независимо от познающего объекта или субъекта, она присуща всем объектам материального мира.

Свободная информация – это информация, получаемая человеком в результате его деятельности (научной, производственной, культурной и т.д.). В случае экспериментальных исследований биосистем она получается в процессе измерительных экспериментов.

Свободная информация существует в формах энергетических сигналов, записей на носителях, отображенной на шкалах, табло и т.д.

Между двумя видами существует подвижная граница. Связанная информация, например, в результате измерений может быть преобразована в свободную. Свободная, в свою очередь, в результате производственной деятельности (в любой области) может быть преобразована в связанную. Например, изготовление по чертежам изделия или результат генной инженерии.

Связанную информацию также называют потенциальной, структурной или структурно-связанной, а свободную – актуальной, активной, структурно-несвязанной.

В настоящее время существует несколько концепций определения количества информации. В технических приложениях наибольшее распространение получила шеноновская мера, использующая для оценки количества информации понятие информационной энтропии. При этом предполагается, что потребитель использует полученную информацию для выбора одной возможности решения (действия) из множества {m} исключающих друг друга возможностей с вероятностью реализации каждой из них, равной P_i.

Информация, достаточная для полного устранения у потребителя неопределенности в выборе:

,

где n=2.

Для непрерывного ряда возможных решений:

.

Сигналы. Обобщенная классификация

1. Синусоидальные сигналы (рис. 77). Данный вид сигналов получил самое широкое распространение в радиоэлектронных измерительных устройствах. В общем виде они описываются выражением:

,

где А- амплитуда сигнала;

f- частота (Гц).

Рис. 77. Синусоидальный сигнал

Часто синусоида выходит не из начала координат, тогда говорят, что сигнал имеет начальную фазу.

Тогда:

,

где j- начальная фаза.

Используется форма записи синусоидального сигнала через угловую частоту:

,

где - угловая частота (рад/с).

Основное достоинство синусоидальной функции (основная причина широкого применения синусоидальных сигналов) состоит в том, что эта функция является решением целого ряда линейных дифференциальных уравнений, описывающих как физические явления, так и свойства линейных цепей.

Амплитуду сигналов часто оценивают в децибелах. Децибел применяется для сравнения двух, сильно отличающихся по амплитуде сигналов (в тысячи и более раз).

Отношение двух сигналов, выраженное в децибелах, это:

,

где А_1,2- амплитуды этих сигналов.

Например, если один сигнал имеет амплитуду вдвое большую, чем другой, то отношение первого сигнала ко второму составит +6 дБ. Если один сигнал в 10 раз больше другого, то отношение будет 20 дБ.

Хотя децибел служит для определения отношения двух сигналов, иногда эту единицу используют для оценки абсолютного значения амплитуды (уровня) сигнала. При этом оцениваемый сигнал соотносят с некоторым эталонным уровнем. Известно несколько стандартизованных значений амплитуды, используемых для такого уровня (эти значения не указываются, но подразумеваются):

а) дБВ (децибелВольт) – эффективное значение 1 В;

б) дБВт (децибелВатт) – напряжение, соответствующее мощности 1 мВт на некоторой предполагаемой нагрузке (для радиочастот это 50 Ом, для звуковых частот – 600 Ом). Напряжение 0 дБВт на этих нагрузках имеет эффективное значение 0,22 В и 0,78 В.

в) В акустике уровень звукового давления 0 дБ соответствует сигналу, среднее квадратурное значение давления которого составляет 0,0002 мкбар (1 бар равен 10⁶ дин на 1 см² или приблизительно равен 1 атмосфере).

2. Линейно-меняющийся сигнал – это напряжение, возрастающее (или убывающее) с постоянной скоростью до некоторого значения (рис.78).

Рис. 78. Линейно-меняющийся сигнал

3. Треугольный сигнал – то же, что линейно-меняющийся, только симметричный (рис. 79).

Рис. 79. Треугольный сигнал

4. Сигнал шума. Шумовой сигнал представляет собой случайный сигнал, который характеризуется частотным спектром (произведение мощности на частоту в герцах) и распределением амплитуд.

Одним из распространенных шумовых сигналов является белый шум с гауссовым распределением в ограниченном спектре частот. Для него произведение мощности на частоту в герцах сохраняется постоянным в некотором диапазоне частот, а вариации амплитуды для большого числа измерений мгновенного значения описываются распределением Гаусса. Шумовой сигнал такого вида генерирует резистор (шум Джонсона).

5. Прямоугольные сигналы, как и синусоидальные, характеризуются амплитудой и частотой (рис. 80).

Рис. 80. Прямоугольный сигнал

Если на вход линейной системы подать прямоугольный сигнал, то сигнал на выходе не будет иметь прямоугольную форму. Для прямоугольного сигнала эффективное значение равно амплитуде.

6. Импульсы характеризуются амплитудой и длительностью. Если генерируется периодическая последовательность импульсов, то говорят о частоте следования. Импульсы могут иметь положительную и отрицательную полярность, они могут быть нарастающими или спадающими.

7. Сигналы в виде скачков и пиков (рис. 81).

Рис. 81. Сигналы в виде скачков и пиков: а – скачок; б – пик

Этот вид сигналов не нашел широкого применения. Они, в основном, используются в теоретических исследованиях.

В подавляющем большинстве медико-биологические сигналы имеют сложную структуру. Это обусловлено сложностью живого организма, внутренние процессы в котором, во-первых, не могут наблюдаться непосредственно без нарушения их естественной обособленности от окружающей среды, и, во-вторых, в силу своей сложности характеризуются существенной дискретностью развития во времени.

Например, электрокардиограмма (ЭКГ). Она представляет собой запись электрического потенциала на поверхности грудной клетки и отражает динамику электрической активности сердечной мышцы в процессе ее квазипериодического сокращения.

Кривая ЭКГ может разбиваться на части по различным признакам, но в любом случае это разбиение направлено на выделение отдельных фаз сокращения. На ЭКГ выделяют пять типов зубцов характерной формы (P, Q, R, S, T зубцы), обозначенных PQRST- комплексом. Практически все алгоритмы диагностики заболеваний сердца предполагают выделение PQRST- комплекса как основной этап анализа. Форма комплекса в пределах одной ЭКГ достаточно постоянна (кроме заболеваний, признаком которых является нестабильность комплекса). В то же время ЭКГ разных пациентов характеризуется большим разнообразием формы PQRST- комплекса. Кроме того, при регистрации ЭКГ фиксируются сигналы не только от сердца, но и от других органов вместе с внешними помехами.

Таким образом сигнал ЭКГ можно классифицировать как импульсный полезный сигнал с наложенным случайным шумом (помехами). В силу этого задачу выделения PQRST- комплекса и отдельных зубцов в его составе можно рассматривать как задачу распознавания образов.

Непрерывный сигнал – это любое действие или комплексное колебание во времени f(t), определяемое как некоторая функция непрерывной действительной временной переменной t (или любое колебание g(S) определяемое через пространственную функцию S). Эти сигналы называют аналоговыми, если они могут принимать континуум значений при любом значении переменных t и S.

Дискретный сигнал – произвольная функция f[n], представляющая собой некоторую последовательность действительных или комплексных чисел, определенную при всех целочисленных значениях n. Непрерывная функция времени f(t), дискретизуемая с шагом Т секунд будет порождать дискретную последовательность f[n]=f(nT).

Непрерывный или дискретный сигнал, величина которого при любом t может принимать не континуум, а только некоторое конечное число значений, называется цифровым сигналом (на практике совпадают с дискретными сигналами).

Дата добавления: 2014-01-06