Средства передачи и обработки измерительной информации

Московский 
государственный горный 
университет 

РЕДАКЦИОННЫЙ 

С
О
В
Е
Т 

Председатель 

Л.А. 
ПУЧКОВ 

Зам. председателя 

Л.Х. 
ГИТИС 

Члены 
редсовета 

ИВ. ДЕМЕНТЬЕВ 

АЛ. ДМИТРИЕВ 

Б.А. КАРТОЗИЯ 

М.В. КУРЛЕНЯ 

В.И. ОСИПОВ 

э.м. 
СОКОЛОВ 

КН. ТРУБЕЦКОЙ 

В В. ХРОНИН 

В.А. ЧАНТУРИЯ 

Е.И. ШЕМЯКИН 

ИЗДАТЕЛЬСТВО 

МОСКОВСКОГО 

ГОСУДАРСТВЕННОГО 

ГОРНОГО 
УНИВЕРСИТЕТА 

ректор 
МГГУ, 
чл. -корр. 
РАН 

директор 
Издательства 
МГГУ 

академик 
РАЕН 

академик 
РАЕН 

академик 
РАЕН 

академик 
РАН 

академик 
РАН 

академик 
МАН 
ВШ 

академик 
РАН 

профессор 

академик 
РАН 

академик 
РАН 

ВЫСШЕЕ ГОРНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ 

АХ. 
Вознесенский 

СРЕДСТВА ПЕРЕОЛЧП 
П ОБРАБОТКИ 

И З М Е Р И Т Е Л Ь Н О Й 
ИНФОРМАЦИИ 

Рекомендовано Учебно-методическим 
объединением высших учебных заведений РФ по горному образованию Министерства общего и профессионального образования Российской Федерации в качестве учебного пособия для 
студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по направлению «Горное 
дело» специальности «Физические процессы горного производства» 

Л\ 
М О С К В А 

/ 
\ \ 
ИЗДАТЕЛЬСТВО МОСКОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА 

1 9 
9 9 

УДК 621.391:681.3:622.831 
В 64 

Рецензенты: 
• Кафедра информационных систем и измерительных 
технологий Московского государственного открытого 
университета (зав. кафедрой профессор ГГ. Раннее); 
• профессор В.Ф. Калюжный, д. т. н. - Московский 
технический университет связи и информатики; 
• чл.-корр. РАН Г А. Соболев - зам. директора Института 
физики Земли РАН 

Вознесенский А.С. 

В 64 
Средства передачи и обработки измерительной информации: 

Учеб. пособие. - М.: Издательство Московского государственного горного университета, 1999. - 267 с. 

ISBN 5-7418-0109-9 

В учебном пособии рассмотрены средства передачи и обработки 
измерительной информации, используемые как в горной промышленности, так и в других отраслях науки и техники. Изложены теоретические и практические вопросы сбора, накопления, передачи, обработки 
и хранения информации, получаемой при измерениях. 

Пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальности «Физические процессы горного производства» и изучающих 
курс «Средства передачи и обработки измерительной информации», а 
также для студентов других специальностей, инженерно-технического 
персонала и научных работников, деятельность которых связана с измерениями различных процессов. 

ISBN 5-7418-0109-9 
© А.С. Вознесенский, 1999 
© Издательство МГГУ, 1999 

СОДЕРЖАНИЕ 
I 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
9 

1. КРАТКАЯ ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ СРЕДСТВ ПЕРЕДАЧИ И 
ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ 
10 

2. ТЕОРИЯ ПЕРЕДАЧИ СООБЩЕНИЙ 
16 

2.1. Основные понятия и определения 
16 

2.2. Функциональная схема преобразования сообщений и 
сигналов в линии связи 
19 

2.3. Характеристики случайных процессов 
21 

2.4. Элементы спектральной теории случайных процессов.... 28 
2.5. Модуляция и детектирование сигналов при передаче 
информации 
37 

2.6. Основы дискретизации функции непрерывного аргумента. 
Теорема Котельникова 
45 

2.7. Физический объем сигнала и канала связи 
48 

3. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ИНФОРМАЦИИ И КОДИРОВАНИЕ 
СООБЩЕНИЙ..... 
54 

3.1. Информация и ее характеристики 
54 

3.2. Кодирование сообщений 
58 

4. КАНАЛЫ СВЯЗИ ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 
63 

4.1. Требования к средствам и каналам передачи информациибЗ 
4.2. Передача информации по каналу без помех и с помехами64 
4.3. Общие сведения о линиях и каналах связи 
66 

4.3.1. Проводные и кабельные линии связи 
66 

4.3.2. Радиолинии 
69 

4.3.3. Перспективные типы линий и каналов в системах 
передачи информации 
75 

4.3.4. Сравнение стоимости проводных линий и ВОЛС 
78 

4.4. Многоканальные методы передачи информации 
80 

5. ОБЩАЯ СХЕМА ПРОЦЕССА ОБРАБОТКИ 
ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ 
87 

5 

СОДЕРЖАНИЕ 

5.1. Стадии процесса обработки измерительной информации87 
5.2. 
Аппаратные 
средства 
обработки 
измерительной 
информации 
91 

5.3. 
Программные 
средства 
обработки 
измерительной 
информации 
96 

6. СБОР И НАКОПЛЕНИЕ ДАННЫХ В ИНФОРМАЦИОННОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ 
99 

6.1. Стадии процесса сбора и накопления измерительной 
информации 
99 

6.2. Ввод измерительной информации в компьютер 
100 

6.2.1. Ввод измерительной информации с клавиатуры 
100 

6.2.2. Ввод измерительной информации в компьютер с 
помощью аппаратных средств 
102 

6.3. 
Представление 
данных 
в 
устройствах 
обработки 
информации 
111 

6.4. Форматы файлов данных 
113 

7. ПЕРВИЧНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ДАННЫХ 
115 

8. ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ.... 118 

8.1. 
Пакет 
программ 
построения 
двумерных 
графиков 

GRAPHER 
119 

8.2. Пакет программ SURFER для трехмерного представления 
результатов 
123 

9. СГЛАЖИВАНИЕ, ФИЛЬТРАЦИЯ, АНАЛИЗ, 
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ. 133 

9.1. Преобразование Фурье 
133 

9.2. Статистический анализ результатов 
136 

9.2.1. Пример обработки данных с помощью пакета Statistical38 
9.3. Прогнозирование результатов измерений 
144 

9.3.1. Классификация методов прогнозирования 
144 

9.3.2. Прогнозная экстраполяция 
148 

9.3.3. Пример экспоненциального сглаживания процесса.... 154 

10. ПРИНЯТИЕ РЕШЕНИЙ (КЛАССИФИКАЦИЯ СОСТОЯНИЙ 
ОБЪЕКТА) 
159 

6 

СОДЕРЖАНИЕ 

10.1. Байесовский классификатор 
160 

10.2. 
Влияние 
априорных 
вероятностей 
и 
значений 
коэффициентов платежной матрицы на выбор порога при 
диагностике состояния геомеханических объектов 
163 

11. ПРИМЕРЫ ЛАБОРАТОРНЫХ СИСТЕМ ИЗМЕРЕНИЯ И 
ОБРАБОТКИ ДАННЫХ 
167 

11.1 Лабораторная информационно-измерительная система на 
базе осциллографа С9-8 для регистрации ультразвуковых 
сигналов 
167 

11.2. Информационно-измерительная система для регистрации 
акустической эмиссии, деформаций и других параметров 
образцов горных пород при их нагружении 
171 

11.2.1. Общие сведения о системе 
171 

11.2.2. Краткое описание пакета программ MULTIEXP 
174 

11.2.3. Пример использования программы 
175 

11.2.4. Пример измерения и обработки данных 
177 

11.3. Разработка виртуальных приборов на базе программного 
пакета LabVIEW 
180 

12. СИСТЕМЫ ДЛЯ НАТУРНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ 
185 

12.1. Общие сведения 
185 

12.2. Сейсмоакустические системы с аналоговой передачей 
данных 
192 

12.3. Сейсмоакустический комплекс "Регион" 
196 

12.4. Сейсмоакустические системы с цифровой передачей 
данных 
206 

12.5 Система сейсмоакустического контроля напряженного 
состояния угольного пласта MESAS 
213 

13. СИСТЕМА ДЕФОРМОМЕТРИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ 
МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД С БЕСПРОВОДНОЙ 
ПЕРЕДАЧЕЙ ПОКАЗАНИЙ 
216 

13.1. Аппаратная часть 
216 

13.2. Деформационные измерения на подземных рудниках с 
камерно-столбовой системой разработки 
221 

13.3. Эффект задержки деформационного отклика 
224 

7 

СОДЕРЖАНИЕ 

13.4. Обработка результатов деформационных измерений .. 229 
14. ПЕРЕДАЧА ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ ПО 
СЕТЯМ ИНТЕРНЕТ 
234 

14.1. Общие сведения об Интернет 
234 

14.2. Как работает Интернет 
236 

14.3. Доменная система имен 
240 

14.4. Базовые средства Интернет 
242 

14.5. Универсальные поисковые системы 
248 

15. ПРАВОВЫЕ ВОПРОСЫ СОЗДАНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ 
ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ 
251 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 
257 

8 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
I 

С
реди прочих достижений за последние 100-200 лет два изобретения в значительной степени изменили жизнь современного человека. Это передача информации на значительные расстояния и создание компьютера. Они внедрились в жизнь и ускорили прогресс во многих областях науки и техники. Сегодня невозможно представить себе ни одну из областей человеческой 
деятельности, а в особенности - измерений различных физических величин и процессов - без передачи данных на расстояние и 
их обработки с помощью компьютеров. 

В то же время для правильного применения этих мощных 
орудий современной цивилизации необходимо представление о 
процессах и устройствах, с помощью которых осуществляется 
как передача, так и обработка информации. Необходимо также 
представлять роль передачи и обработки данных в процессе измерения. 

Пособие ставит своей целью дать инженеру представление 
об этом. Оно содержит сведения базового характера, а также технические подробности, необходимые для ориентировки современного специалиста в бурном море постоянно развивающихся 
областей человеческого знания. Сведения общего характера иллюстрируются примерами. По возможности эти примеры взяты 
из области физико-технического контроля и измерений в горной 
промышленности, значение которой для нашей страны велико. 
Однако материал может быть использован независимо от конкретной области и при решении других задач. 

Разделы 9.2.1, 11.2.4 подготовлены совместно с Е.М. Шафаренко, Е.С. Оксенкругом, М.Н. Тавостиным, Ю.Л. Филимоновым. Глава 11.2 и программа MULTIEXP написана совместно с 
В. А. Вознесенским. 

9 

1. КРАТКАЯ ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ 
I 
СРЕДСТВ ПЕРЕДАЧИ И 
I 
ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ 
| 

т. е. технологиях передачи и обработки информации, то можно 
сказать, что мы входим в мир, которого раньше не было. Он создан человеческим разумом совсем недавно, по меркам истории на днях. Это мир без границ и расстояний, существующий на мониторах наших умных машин, в наслоениях интерфейсов и протоколов в бесчисленных каналах связи электронных систем. Современные информационные технологии базируются на сетях 
связи и электронных вычислительных машинах. 

Необходимость в накоплении, обработке и обмене информацией существует столько же, сколько и сам человек. Древнейшими устройствами для передачи информации были барабаны и 
костры. Звук первых и дым вторых несли сведения об удачной 
охоте или о нападении врагов. На территории России монастыри 
и отдельные церкви строились в зоне видимости друг друга так, 
чтобы можно было передавать сигналы на видимое расстояние 
друг другу, перекрывая десятки и сотни верст. Но настоящий 
прогресс в этом деле начался с открытием электричества. 

Неудачных идей и попыток его использования для передачи информации было множество. Решить, наконец, задачу передачи удалось русскому изобретателю Павлу Львовичу Шиллингу, 
создавшему в 1832 году первый действующий электромагнитный 
телеграф [1]. Ему же принадлежит мысль о прокладке изолированных подземных и подводных кабелей - прототипов нынешних 
линий связи. К сожалению, его смерть в 1837 году не позволила 
реализовать заказ правительства России по прокладке кабеля и 
создании телеграфной связи между Петергофом и Кронштадтом. 

Сэмюэль Морзе, художник по профессии, возвращаясь из 
Европы на морском судне, привез в Америку идею телеграфа. 

10 

/. КРАТКАЯ ИСТОРИЯ 
РАЗВИТИЯ 

Идея эта настолько захватила его, что вплотную занявшись ею, в 
1837 году он демонстрировал 
телеграфный аппарат в НьюЙоркском университете [2]. Позднее, в 1845 году он изобрел код, 
известный ныне как азбука Морзе. В 1876 году Александр Белл в 
США запатентовал телефонный аппарат. В дальнейшем он создал телефонную компанию Bell, преобразованную позже в AT&T 
и ставшую на многие годы монополистом в области проводной 
связи. 

История развития средств передачи информации невозможна без упоминания опытов, проводимых русским ученым 
Александром Степановичем Поповым [3]. 7 мая 1895 года на заседании физического отделения Русского физико-химического 
общества был заслушан его доклад со скучным названием "Об 
отношении металлических порошков к электрическим колебаниям". Однако темой доклада была демонстрация грозоотметчика прибора, способного воспринимать электромагнитные колебания, возникающие из электрических искр. По существу он продемонстрировал первую беспроводную систему передачи информации. 

Приблизительно в те же годы развивались и средства обработки информации [4]. Теоретиком, заложившим основы идеи 
создания вычислительной машины, принято называть англичанина Чарльза Беббиджа, который приблизительно в 1822 году 
создал действующую модель машины, которая позволяла вычислять с точностью до 8 знаков значения полиномов второй степени. В 1 896 году Холлеризом была организована фирма по выпуску перфокарт и счетно-перфорационных машин, на которых 
осуществлялась обработка данных. Эта фирма была затем преобразована в фирму IBM, которая сегодня является одной из самых 
крупных фирм - производителей компьютеров. 

В 1946 году в США завершено создание первой электронной вычислительной машины ENIAC (Electrical Numerical Integrator And Calculator). Она работала в десятичной системе счисления, занимала площадь 600 м

2 , потребляла 180 киловатт элек
11 

/. КРАТКАЯ ИСТОРИЯ 
РАЗВИТИЯ 

троэнергии и весила 30 тонн. Примерно в то же время в Германии Цербст создал свою вычислительную машину,. производящую баллистические расчеты. Однако этот факт менее известен, 
если учесть время создания машины - 1939 - 1942 годы, когда 
шла Вторая мировая война. Первая машина, которая обладала 
всеми необходимыми компонентами современной ЭВМ т. е. промежуточной внутренней памятью и хранимой программой, была 
английская машина EDSAC, сделанная в 1949 году. 

В Советском Союзе в Киеве в 1947 году началась разработка малой электронной вычислительной машины МЭСМ. которая 
вступила в строй в 1951 году. Эта машина была разработана под 
руководством академика С. А. Лебедева, с именем которого связано дальнейшее развитие вычислительной техники. 

В 1966 году в США принят стандарт ASCII (American Standard Code for Information Interchange - американский стандартный 
код для информационного обмена, используемый ныне производителями компьютеров и коммуникационного оборудования во 
всем мире. В нашей стране используются стандарты КОИ-7 (семиразрядный код) и КОИ-8 (восьмиразрядный код), разработанные с учетом стандарта ASCII. 

Большую роль в развитии средств передачи и обработки 
информации играют локальные и глобальные сети. Десятки лет 
компьютер оставался чрезвычайно дорогим удовольствием. Не 
всякий университет или научный центр мог похвастать подобным вычислителем, но и не всякий обладатель мог загрузить его 
на всю мощь. Поэтому возникла идея распределения их вычислительных мощностей. Первыми реализовали ее военные. По заданию Пентагона в 1969 году создана первая глобальная компьютерная сеть. Все операции в ней осуществлялись на нескольких 
больших вычислительных машинах, к которым подсоединялись 
удаленные терминалы - простейшие устройства, состоящие из 
монитора и клавиатуры. По инициалам создателя - Управления 
перспективных исследований Министерства обороны США 
(Advanced Research Project Agency) - ее назвали ARPAnet. Ясно, 
что будучи соединенными с центральным процессором, ученые 

12 

1. КРАТКАЯ ИСТОРИЯ 
РАЗВИТИЯ 

придумали способ обмениваться между собой сообщениями. Известный сейчас как электронная почта, или E-mail, способ этот 
быстро превратил сеть в гораздо более эффективное средство 
коммуникации, чем телеграф и телефон. А протокол обмена информацией, разработанный для ARPAnet, стал впоследствии 
стандартом и для межсетевого обмена. Он получил название IP Internet Protocol (межсетевой протокол), а использующее его объединение сетей стало называться Internet. Ему, родившемуся в 80х, и было суждено уже в начале 90-х завоевать компьютерный 
мир. Но чтобы это стало возможным, компьютеры сами должны 
были преобразоваться в нечто иное, чем занимающие целые здания монстры. Это произошло в 70-е годы, когда благодаря развитию микроэлектроники появились первые персональные компьютеры, достаточно дешевые, простые и надежные для массового 
потребителя. В 1976 году создана компания Apple и продан ее 
первый персональный компьютер (ПК). Индустрия ПК развивалась поразительными темпами, особенно после выхода на этот 
рынок в 1981 году корпорации IBM. 

Стремительный рост возможностей и эффективности персональных компьютеров обесценил идею распределения вычислительной мощности. Но осталась необходимость информационного обмена между вычислительными машинами, обрабатывающими и хранящими большие объемы информации. Тогда и нашел коммерческое применение распространенный сейчас стандарт для локальных сетей - Ethernet, разработанный еще в 1973 
году одним из подразделений компании Xerox PARC. Появились 
и успешно действуют другие стандарты - Token Ring, Arcnet, 
PCNet DECnet. 

В 1982 году основана компания Sun. Она является сейчас 
крупнейшим поставщиком сетевого оборудования для глобальных сетей. Сейчас 90% серверов в Internet - ее производства. 

В начале 1980-х произошло еще одно важное событие: компания Hayes представила первый не требующий ручного управления модем (модулятор-демодулятор) - устройство, преобразующее цифровые сигналы компьютера в аналоговые для пе
13 

1. КРАТКАЯ ИСТОРИЯ 
РАЗВИТИЯ 

редачи их по обычным телефонным линиям. Модем обеспечил 
возможность обмена информацией между компьютерами без 
прокладки специальных линий. Значение этого невозможно переоценить - ведь в распоряжении компьютеров оказалась сразу вся 
гигантская сеть коммуникаций, развивавшаяся почти полтора 
столетия для нужд телеграфной и телефонной связи. Неудивительно, что почти сразу вслед за появлением модемов возникают 
и первые коммерческие информационные службы (самая известная из них - CompuServe), а также электронные доски объявлений 
(Bulletin Board System, называемые просто BBS). В 1984 году Том 
Дженнингс создает любительскую сеть FidoNet. Владельцы компьютеров и модемов получили возможность обмениваться электронной почтой, файлами и вообще любой информацией с той же 
легкостью, что и обычными речевыми сообщениями. 

Сегодня количество пользователей Internet превысило 25 
миллионов И постоянно увеличивается. Особенная популярность 
в последнее время обусловлена появлением так называемой технологии World Wide Web (WWW). 

В России сети ЭВМ существовали достаточно давно и успешно функционировали. Правда, они не были рассчитаны на 
рядовых потребителей. Среди наиболее крупных действовавших 
и продолжающих действовать сетей - сети МПС (Экспресс), МГА 
(Сирена), Минтопэнерго, Мингазпрома и некоторых других. В 
начале 90-х годов в России образована наиболее крупная сеть 
Relcom, построенная на базе операционной системы UNIX. Развивается в России и сеть Internet. Число российских серверов 
Internet пока еще не очень велико. На начало 1996 года число непрерывно 
соединенных 
с 
сетью 
и 
действующих 
хосткомпьютеров составляет примерно 700, среди них серверов 
WWW - около 200. 

Сегодня появились технологии, обеспечивающие доступ в 
реальном времени ко всем "богатым" видам информации, звук, 
трехмерная графика и мультипликация, видео. Однако распространенные сейчас сети не способны обеспечить высокую пропускную способность и доставлять зрителю аудио- и видеоинфор
14