Виды информации 1 страница

По своему характеру информация, передаваемая в системах управления устройствами электроснабжения, может рассматриваться как:

- оперативная, предназначенная для постоянного контроля за состоянием системы электроснабжения и непосредственного управления ею с диспетчерского пункта;

- статистическая, предназначенная для обработки, обобщения и анализа результатов эксплуатации системы электроснабжения, планирования и нормирования производственных процессов;

- отчетная, используемая для составления отчетных документов.

По назначению информация в системе электроснабжения делится на:

-распорядительную — управляющую, командную, регулирующую;

- сигнальную — о положении и состоянии контролируемых объектов;

- измерительную — о величине контролируемых параметров.

1.3.6. Количество сообщений и количество информации

Каждое событие или явление может иметь N различных состояний, поэтому сигнал, описывающий это событие, должен также иметь N состояний. Пусть требуется передавать на диспетчерский пункт информацию о состоянии четырех (и = 4) выключателей на контролируемом пункте. Каждый выключатель имеет два состояния (т = 2): «включен» и «отключен». Обозначим отключенное состояние выключателя «О», включенное — «1» и запишем все возможные сообщения о состоянии четырех выключателей.

В табл. 1.1 перечислены все возможные сообщения о состоянии четырех выключателей от первого (все выключатели отключены) до шестнадцатого (все выключатели включены). Нетрудно убедиться, что между количеством сообщений (N = 16), объектов (п = 4) и числом их состояний (т = 2) существует зависимость 16 = 2⁴, которую можно записать (при произвольных т и п): N = mⁿ.

Таблица 1.1

Варианты сообщений о состоянии выключателей

Номер сообщения	Состояние выключателей	Номер сообщения	Состояние выключателей

(1.1)

Число возможных сообщений является некоторой мерой информации. Однако пользоваться этой мерой неудобно, так как существует степенная зависимость между количеством сообщений и числом объектов, о которых необходимо передавать эти сообщения.

В системе телеуправления «Лисна-Ч» можно передавать сообщения о 126 объектах тяговых подстанций (п = 126). Количество сообщений, которое при этом может быть передано (N = 2¹²⁶), определяется числом 10³⁸ (число с 38 нулями).

Для измерения информации более удобна логарифмическая мера, которая позволяет получить линейную зависимость между количеством информации и числом объектов или числом элементов в сигнале, с помощью которого передается информация:

I =log_aN = n log_am, (1.2)

где а - основание логарифма, которое может быть любым, но более удобно принять а = 2.

При т = 2 выражение (1.2) можно записать:

/ = log₂ N = n log₂2 = п. (1.3)

За единицу количества информации принимают информацию, содержащуюся в сообщении об объекте, имеющем два состояния. Сигнал, который описывает данное событие, состоит из одного элемента, имеющего также два состояния. Единица количества информации носит название бит от английских слов binary digit (двоичная единица).

Таким образом, если двоичный сигнал состоит из одного элемента, он несет один бит информации, и с его помощью может быть передано только два сообщения типа «да-нет» (включено-отключено, 1-0).

Выражение (1.2) определяет наибольшее количество информации, которое может содержаться в сигнале данной структуры. Фактическое значение I может быть значительно меньше.

При передаче по каналам связи сигналов передаются определенные сообщения, в которых, кроме полезных, могут быть заранее известные или бессмысленные сведения. Истинное значение информации в сообщении определяется лишь полезными сведениями. Разница между истинным и наибольшим значением информации представляет собой избыточную информацию. Уменьшая избыточную информацию в реальных сообщениях, можно канал связи использовать более эффективно. Повседневно мы осуществляем сокращение избыточной информации, не думая о понятии «информация». Например, посылая поздравительную телеграмму, мы опускаем в тексте знаки препинания, предлоги, отдельные слова, имея в виду, что получателю и так будет понятен смысл сообщения.

Однако в ряде случаев избыточная информация может быть полезной, помогая восстанавливать информацию при ее искажении помехой. Для повышения гарантии получения переданной информации без потерь нередко передают избыточную информацию. Так, например, в телеуправлении команда (включить, отключить) передается два раза, полное совпадение двух кодовых серий гарантирует отсутствие искажений команды.

1.3.7. Сигналы импульсных устройств

Под электрическим импульсом понимают отклонение на­пряжения или тока от некоторого постоянного уровня (в частно­сти, от нулевого), наблюдаемое в течение времени, меньшего или сравнимого с длительностью переходных процессов в схеме.

Существует два вида импульсов: видеоимпульсы* и радиоим­пульсы.

Видеоимпульсы получают при коммутации цепи постоян­ного тока. Наиболее часто используют видеоимпульсы прямо­угольной (рис. 1.1, а), трапецеидальной (рис. 1.1, 6), экспоненци­альной (остроконечной) (рис. 1.1, в), пилообразной (рис. 1.1, г) и треугольной (рис. 1.1, д) форм. Различают видеоимпульсы положительной (рис. 1.1, а, б, г, д) и отрицательной (рис. 1.1, в) полярности, а также двусторонние — разнополярные — импуль­сы (рис. 1.1, е). Следует иметь в виду, что реальные импульсы не имеют формы, строго соответствующей названию.

Рис. 1.2

Радиоимпульсы (рис. 1.2) представляют собой кратковре­менные посылки синусоидального напряжения или тока. Они снимаются с выхода высокочастотного генератора, который управляется (модулируется) видеоимпульсами. Поэтому форма огибающей радиоимпульсов соответствует форме модулирую­щих видеоимпульсов. Радиоимпульсы (рис. 1.2) — результат мо­дуляции амплитуды высокочастотного колебания прямоуголь­ными видеоимпульсами.

1.3.8. Параметры импульсов

Импульсное колебание, параметры которого изменяются в соответствии с передаваемой информацией, является сигналом. Такой сигнал относят к аналоговым, так как, в диапазоне своих изменений он может принимать любое значение. Устройства, в которых действуют электрические импульсы, называют импульс­ными.

Рис. 1.3

Введем понятие об основных парамет­рах импульсов на примере реального прямоугольного импульса (рис. 1.3).

Длительность. За активную длительность импульса t_{и а} принимают промежуток времени, измеренный на уровне, соот­ветствующем половине амплитуды. Иногда длительность им­пульсов определяют на уровне 0,1 U_m (0,1 I_m) или по основанию импульса. В дальнейшем, если это не оговорено, длительность импульса будет определяться по основанию и обозначаться t_и (см. рис. 1.1, а).

Длительность импульса выражается в единицах времени: се­кундах (с), миллисекундах (мс), микросекундах (мкс) и наносекун­дах (нс)*.

Амплитуда. Наибольшее значение напряжения или тока им­пульса данной формы является его амплитудой. Амплитуда им­пульса U_m (I_m) выражается в вольтах (В), киловольтах (кВ), мил­ливольтах (мВ), микровольтах (мкВ) или амперах (А), миллиам­перах (мА), микроамперах (мкА).

Длительность и крутизна фронта импульса. Импульс имеет передний фронт и срез, последний также называют за­дним фронтом.

Длительность переднего фронта импульса определяется вре­менем нарастания импульса, а длительность среза — временем спада импульса.

Наиболее часто пользуются понятием активной длительности фронта t_ф, за которую принимают время нарастания импульса от 0,1 U_m до 0,9 U_m; аналогично, длительность среза t_c — время спада импульса от 0,9 U_m до 0,1 U_m (рис. 1.3).

Обычно длительность t_ф и t_с составляет единицы процентов от длительности импульса. Чем меньше t_ф и t_с по сравнению с t_и, тем больше форма импульса приближается к прямоугольной. Иногда вместо t_ф и t_с фронты импульса характеризуют скоростью нарас­тания (спада). Эту величину называют крутизной S фронта (среза) и выражают в вольтах в секунду (В/с), киловольтах в се­кунду (кВ/с) и т. д. Для прямоугольного импульса приближенно S= U_m/t_ф.

Участок импульса (рис. 1.3) между фронтами называют плос­кой вершиной. На рисунке показан спад плоской вершины (∆U), а также отрицательный выброс.

Мощность в импульсе. Энергия W импульса, отнесенная к его длительности, определяет мощность в импульсе: Ри= W/ t_и. Она выражается в ваттах (Вт), киловаттах (кВт).

Период повторения импульсов. Импульсы, повторяю­щиеся через равные промежутки времени, образуют периодичес­кую последовательность. Промежуток времени между началом двух соседних однополярных импульсов (см. рис. 1.1) называют периодом повторения (следования) импульсов. Он выражается в единицах времени: с, мс, мкс.

Величину, обратную периоду повторения, называют частотой повторения (следования) импульсов ƒ. Она определяет количество периодов в течение 1 с и выражается в герцах (Гц), килогерцах (кГц) и т. д.

Коэффициент заполнения. Часть периода Т занимает па­уза — отрезок времени между окончанием и началом двух сосед­них импульсов (см. рис. 1.1, а), т. е. t_и = T—t_n.

Отношение длительности импульса к периоду повторения называют коэффициентом заполнения: у = t_и /T. Коэффици­ент заполнения — величина безразмерная, меньшая единицы.

Величину, обратную коэффициенту заполнения, называют скважностью импульсов:

q = 1/у = Т/ t_и Скважность тоже безразмерная величина, но большая едини­цы. Например, для последовательности импульсов на рис. 1.1., e q = 2.

Среднее значение импульсного колебания. При опре­делении среднего за период значения импульсного колебания U_ср. (I_ср.) импульс напряжения или тока распределяют равномерно на весь период так, чтобы площадь прямоугольника I_срT (Рис. 1.4) была равна площади импульса S_и.

Рис.1.4.

Так, для прямоугольного импульса S_и = I_m t_и и I_ср. = I_m t_и/ Т = I_my = I_m/ q, т. е. среднее значение тока (напряжения) прямоугольного импульсного колеба­ния в q раз меньше амплитудного.

Средняя мощность. Энергия W импульса, отнесенная к периоду Т, определяет среднюю мощность импульса: Р_ср =W/ Т.

Сравнивая выражения Р_и и Р_ср получим:

Р_и t_и =Р_ср Т, Р_и = Р_ср Т / t_и =Р_срq и Р_ср = Р_и t_и / Т =Р_и/ q,

Т.е. средняя мощность и мощность в импульсе отличаются в q раз. Отсюда следует, что мощность в импульсе, которую обеспечивает генератор, может в q раз превосходить среднюю мощность генератора

1.3.8. Непрерывные и дискретные сигналы

Сигналы, как и сообщения, могут быть непрерывными и дискретными. Непрерывные сигналы могут отличаться друг от друга на ничтожно малую величину, дискретные — имеют резко выраженные отличительные параметры. Непрерывные сигналы используются в некоторых системах телеизмерения, а дискретные — в устройствах телеуправления и телесигнализации.

Типичным примером дискретных сообщений и сигналов является передача информации о состоянии выключателей на подстанции. Сигнал при этом состоит из импульсов, параметры которых, соответствующие включенному состоянию выключателей, существенно отличаются от параметров импульсов, несущих информацию об их отключенном состоянии. Промежуточных значений между этими двумя крайними сигнал, как и само состояние выключателей, не имеет: невозможно представить, что выключатель включен или отключен частично.

Передача дискретных сигналов имеет ряд преимуществ перед передачей непрерывных. Чтобы передать непрерывное сообщение, представленное непрерывной функцией времени X{t), ее разбивают на ряд дискретных значений. Замену непрерывного сообщения дискретным называют квантованием (дискретизацией). Квантование сигнала осуществляют либо по амплитуде, либо по времени. Замена непрерывного сигнала дискретным приводит к дополнительной погрешности. Однако это несущественно, если она невелика по сравнению с погрешностями, вызванными другими причинами.

На рис. 1.5 представлено квантование сигнала по амплитуде. При этом кривую X(t) разбивают на равные интервалы АХ по вертикали. Интервал АХ называют шагом квантования. При заданном шаге квантования число дискретных значений сигнала (разрешенных уровней) в пределах изменения функции X(t) от Х_тах до A"_min равно:

(1,4)

Если мгновенное значение функции попадает внутрь интервала, то оно заменяется ближайшим разрешенным. Переход с одного уровня на другой происходит в момент, когда значение функции находится в середине интервала квантования, так как именно в этот момент абсолютная погрешность квантования оказывается наибольшей.

Погрешность квантования определяется из выражения

(1.5)

Рис. 1.5. Квантование сигнала по амплитуде

Из этого выражения видно, что с уменьшением ΔХ и увеличением N погрешность уменьшается.

При квантовании по времени кривую X(t) разбивают на равные интервалы по горизонтали и передают только те значения сигнала, которые совпадают с началом (или концом) каждого интервала. Следовательно, при квантовании по времени передача сигналов происходит в определенные фиксированные моменты времени.

Теоретически скорость передачи информации по каналу связи, определяющая пропускную способность канала, может быть выражена формулой

(1.6)

Где ΔFк – ширина полосы канала связи (полоса частот, которую пропускает канал);

Рс/Рп — отношение мощности сигнала к мощности помехи.

Если в секунду передается С бит информации, то за время работы канала связи Тк можно передать количество информации

бит. (1.7)

Мощность сигнала Рс не может быть больше мощности Рк, допустимой в канале. Приняв Рс=Р_к, получим выражение, определяющее наибольшее количество информации в канале связи:

(1,8)

,бит.

Обозначив log₂

V_к = ΔF_к Т_к Н_к,, бит, (1.9)

где Н_к — динамический диапазон канала связи.

По аналогии можно записать выражение объема сигнала:

Vс = ΔF_C Т_СН_С, бит, (1.10)

где Δ F_с — ширина полосы частотного спектра сигнала;

Т_с — длительность сигнала;

Н_с — динамический диапазон сигнала.

Необходимым условием передачи сигнала по каналу связи является V_K ≥ V_c; к достаточным условиям относятся: ΔF_K ≥ ΔF_C; Т_к ≥ Т_с; Нк ≥ Нс.

1.3.4. Сигналы и их спектры

Телемеханические сигналы, передаваемые по проводным линиям и радиоканалам, представляют собой электрическую величину, изменяющуюся во времени. В последние годы начинают широко применяться оптические сигналы, передаваемые по волоконно-оптическим кабелям.

Различают сигналы непериодические и периодические. Первые являются непериодической функцией времени, в простейшем случае — это одиночные импульсы произвольной формы (рис. 1.6, а). Вторые являются периодической функцией времени и представляют собой бесконечную временную последовательность импульсов с одинаковой формой и периодом повторения Г (рис. 1.6, б).

Рис. 1.6. Непериодические импульсы произвольной формы (а) и периодические (б)

Любая периодическая функция времени F(t) может быть представлена в виде суммы ряда синусоидальных колебаний (ряда Фурье) с определенными амплитудами Аi, начальными фазами φί и частотами. Следовательно, любой периодический сигнал можно представить в виде ряда

F(t) = А₀ + А₁ sin(ωt + φ ₁,) + А₂ sin(2 ωt + φ ₂) +А₃ sin (З ωt + φ ₃) (1.11)

где А₀ — постоянная составляющая (амплитуда

нулевой гармоники);

А₁, А₂, А₃ — амплитуда соответственно

гармоник 1, 2, 3;

ω = 2 πf— угловая частота первой гармоники;

f = 1/Т - частота первой гармоники, Гц;

Т— период повторения импульсов, с,

который равен t_и t_n;

t_и — время импульса.

На рис. 1.7 представлен результат разложения прямоугольных импульсов (рис. 1.7, а) на гармонические составляющие (рис. 1.7, б). Амплитуды гармоник по мере возрастания частоты (номера) снижаются и обращаются в нуль у тех, номера которых кратны отношению — Т/ t_и (при t_n ≤ t_и) или Т/ t_n (при t_и ≤ t_n). При t_и = t_n — Т/ t_и = 2, и гармоники, номера которых кратны 2 (четные), обращаются в нуль.

По этой причине на рис. 1.7, б отсутствуют четные гармоники. На рис. 1.7, в показана последовательность, полученная в результате сложения нулевой А₀, первой a₁, третьей а₃ и пятой а₅ гармоник. Кривая наглядно показывает, что чем больше гармоник суммируется, тем ближе синтезированная последовательность F ₁ (t) совпадает с исходной F{t) (см. рис. 1.7, а). Чтобы при передаче сигнала, состоящего из последовательности прямоугольных импульсов, не произошло искажений, нужно передать по каналу весь бесконечный ряд гармоник (1.11). Практически осуществить это невозможно, так как потребовался бы канал с бесконечной полосой пропускания. Обычно допустимы некоторые искажения формы сигнала, что позволит ограничиться передачей конечного числа гармонических составляющих.

Амплитуды гармонических составляющих графически представляются в координатах и / в виде отдельных спектральных линий (где к — номер гармоники). Совокупность амплитуд А^ гармонических составляющих представляет собой спектр амплитуд, который называют линейчатым, так как он состоит из отдельных спектральных линий.

На рис. 1.8 приведены спектры амплитуд последовательностей прямоугольных импульсов одинаковой амплитуды и длительности, но с различными периодами Т. Амплитуды гармоник с частотами кратными 1/ t_и — обращаются в нуль. Номер первой гармоники с нулевой амплитудой Т/ t_и (или Т/ t_n), а ее частота 1/Т •Т/ t _и = 1/ t_и.

Если нет специальных оговорок относительно величины искажения импульсов при передаче, то достаточно ограничиться передачей только тех гармоник, частоты которых лежат между началом координат и частотой первой гармоники из числа тех, амплитуды которых равны нулю (первый «лепесток» спектра).

В этом случае ширина спектра сигнала или необходимая для передачи полоса канала связи определяется выражением:

(1,12)

Рис. 1.8. Спектры амплитуд последовательностей импульсов одинаковой длительности с различными периодами:

а — при t_и = ½ Т; б — при t_и = ⅓Т; в — при t_и = 1/6 Т; г — при t_и = ⅓Т t_n;

Из приведенных формул видно, что полоса пропускания канала связи обратно пропорциональна длительности наиболее короткого элемента сигнала (импульса или паузы).

Непериодические сигналы можно рассматривать как периодические с периодом повторения равным бесконечности. Из приведенных на рис. 1.8 спектров видно, что при увеличении периода Т, частотное расстояние между спектральными линиями уменьшается, а количество линий увеличивается. Нетрудно представить, что при увеличении периода до бесконечности, спектральные линии сближаются настолько, что сливаются между собой, а их число увеличивается до бесконечности на любом конечном интервале частот. В этом случае нет необходимости говорить об отдельных гармонических составляющих сигнала, и поэтому вводят понятие спектральной плотности S(f) как функции частоты. График спектральной плотности одиночного прямоугольного импульса (рис. 1.9, а, б) показывает, что огибающая кривая обращается в нуль при частотах к/ t_и, где к= 1, 2, 3 и т.д.

Рис. 1.9. График спектральной плотности одиночного прямоугольного импульса:

а — прямоугольный импульс; б — график спектральной плотности

Для передачи сигнала используют предельно малую ширину спектра, но такую, чтобы в ней была сосредоточена основная энергия сигнала. Из рис. 1.9, б видно, что наибольшая энергия сигнала сосредоточена в пределах первого «лепестка» спектра. Отсюда необходимая для передачи полоса канала связи определяется выражением

Δf = 1/ t_и, которое (1.13)

совпадает с выражением (1.12) для последовательности прямоугольных импульсов.

1.3.5. Модуляция

Для передачи информации по каналу связи необходимо иметь переносчик сигналов, в качестве которого может быть использован любой физический процесс, способный распространяться в пространстве. Переносчиками информации могут быть, например, звуковые волны, свет и т.д. В автоматизированных системах в качестве переносчика сигналов используют электрический ток, способный практически мгновенно распространяться по проводам на большое расстояние. Для нанесения сигнала на переносчик (электрический ток) необходимо воздействовать на параметры переносчика с целью их изменения во времени по заданному закону.

Модуляция — процесс нанесения информации на переносчик, а параметры переносчика, на которые воздействуют при нанесении информации, называются качествами (признаками) электрического тока.

В качестве переносчика информации может быть использован постоянный ток, переменный синусоидальный ток или периодическая последовательность импульсов. При модуляции постоянного тока возможна амплитудная модуляция (AM), т.е. воздействие на амплитуду тока или напряжения (рис. 1.10, а). Гармонические колебания переменного тока характеризуются амплитудой (рис. 1.10, б), частотой (рис. 1.10, в) и фазой (рис. 1.10, г), а периодическая последовательность импульсов — амплитудой (рис. 1.10, д), шириной (временем) импульсов (рис. 1.10, е), частотой повторения (рис. 1.10, ж), фазой (рис. 1.10, з) и полярностью (рис. 1.10, и).

Рис. 1.10. Признаки электрического тока: а — амплитудный при постоянном токе; б, в, г — амплитудный, частотный и фазовый при гармоническом колебании; д, е, ж, з,и — амплитудный, временной, частотный, фазовый и полярный при периодической последовательности импульсов

К признакам электрического тока предъявляют следующие основные требования:

- возможность получения большого числа состояний признака;

- простота образования и обнаружения признака;

- возможность независимой передачи в одной физической среде, например в линии связи;

- способность противостоять помехам и воздействиям линии связи и аппаратуры.

Наиболее универсальным является частотный признак, который может иметь неограниченное число состояний и позволяет одновременно передавать по одной линии несколько состояний. Амплитудный признак больше подвержен действию помех, чем частотный. Выбор вида модуляции определяется переносчиком и его параметром (признаком), на который воздействуют при нанесении информации.

Дата добавления: 2015-04-29