Средства передачи и обработки информации
Покупка
Тематика:
Прикладные информационные технологии
Издательство:
Издательский Дом НИТУ «МИСиС»
Год издания: 2019
Кол-во страниц: 210
Дополнительно
Вид издания:
Учебник
Уровень образования:
ВО - Специалитет
ISBN: 978-5-906953-71-1
Артикул: 753130.01.99
Доступ онлайн
В корзину
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. Учебник предназначен для студентов специальности 21.05.05 «Физические процессы горного или нефтегазового производства», изучающих курс «Средства передачи и обработки информации». Он будет полезен студентам других специальностей, а также инженерно-техническому персоналу и научным работникам, деятельность которых связана с измерениями и анализом различных процессов.
Тематика:
ББК:
УДК:
- 004: Информационные технологии. Вычислительная техника...
- 550: Вспомогательные геологические науки
- 622: Горное дело. Добыча нерудных ископаемых
ОКСО:
- ВО - Специалитет
- 21.05.05: Физические процессы горного или нефтегазового производства
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
Москва 2019 М ИНИС Т Е РС ТВО НАУКИ И ВЫСШ ЕГО ОБ РА З О ВА Н И Я РФ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ Кафедра физических процессов горного производства и геоконтроля А.С. Вознесенский СРЕДСТВА ПЕРЕДАЧИ И ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ Учебник Рекомендовано редакционно-издательским советом университета
УДК 622:550.3:004 B64 Р е ц е н з е н т ы д-р техн. наук, проф. И.О. Темкин; д-р техн. наук, проф. А.А. Парамонов (МИРЭА); д-р техн. наук С.В. Мазеин (Тоннельная ассоциация России) Вознесенский А.С. B64 Средства передачи и обработки информации : учеб. / А.С. Воз- несенский. – М. : Изд. Дом НИТУ «МИСиС», 2019. – 210 с. ISBN 978-5-906953-71-1 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, накопле- ния, передачи, обработки и хранения информации, получаемой при измере- ниях. Учебник предназначен для студентов специальности 21.05.05 «Физиче- ские процессы горного или нефтегазового производства», изучающих курс «Средства передачи и обработки информации». Он будет полезен студентам других специальностей, а также инженерно-техническому персоналу и на- учным работникам, деятельность которых связана с измерениями и анализом различных процессов. УДК 622:550.3:004 А.С. Вознесенский, 2019 ISBN 978-5-906953-71-1 НИТУ «МИСиС», 2019
ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие ..............................................................................................6 1. Краткая история развития средств передачи и обработки информации ...............................................................................................7 Контрольные вопросы ...........................................................................11 2. Теория передачи сообщений ..............................................................12 2.1. Основные понятия и определения ................................................ 12 2.2. Функциональная схема преобразования сообщений и сигналов в линии связи ...................................................................... 15 2.3. Характеристики случайных процессов ........................................ 16 2.4. Элементы спектральной теории случайных процессов ............. 22 2.5. Модуляция и детектирование сигналов при передаче информации ............................................................................................ 30 2.6. Основы дискретизации функции непрерывного аргумента. Теорема Котельникова ........................................................................... 37 2.7. Физический объем сигнала и канала связи .................................. 40 Контрольные вопросы ........................................................................... 44 3. Основы теории информации и кодирование сообщений ................45 3.1. Информация и ее характеристики ................................................. 45 3.2. Кодирование сообщений ................................................................ 49 Контрольные вопросы ........................................................................... 53 4. Каналы связи для передачи информации..........................................54 4.1. Требования к средствам и каналам передачи информации ....... 54 4.2. Передача информации по каналу без помех и с помехами ........ 55 4.3. Общие сведения о линиях и каналах связи .................................. 56 4.3.1. Проводные и кабельные линии связи .................................... 57 4.3.2. Радиолинии ............................................................................... 61 4.3.3. Современные стандарты беспроводной передачи данных ................................................................................................. 66 4.3.4. СВЧ и оптические линии в системах передачи информации ........................................................................................ 72 4.3.5. Сравнение проводных линий и ВОЛС .................................. 74 4.4. Многоканальные методы передачи информации ........................ 75 Контрольные вопросы ........................................................................... 80 5. Общая схема процесса обработки измерительной информации ....82 5.1. Стадии процесса обработки измерительной информации......... 82 5.2. Аппаратные средства обработки измерительной информации ............................................................................................ 85
5.3. Программные средства обработки измерительной информации ............................................................................................ 90 Контрольные вопросы .......................................................................... 91 6. Сбор и накопление данных в информационно-измерительных системах ...................................................................................................92 6.1. Стадии процесса сбора и накопления измерительной информации ............................................................................................ 92 6.2. Ввод измерительной информации в компьютер.......................... 92 6.2.1. Ввод измерительной информации с клавиатуры ................. 93 6.2.2. Ввод измерительной информации в компьютер с помощью аппаратных средств ....................................................... 94 6.3. Представление данных в устройствах обработки информации .............................................. 103 6.4. Форматы файлов данных ............................................................. 105 Контрольные вопросы ......................................................................... 107 7. Первичные преобразования данных ...............................................108 Контрольные вопросы .........................................................................110 8. Визуализация измерительной информации .................................... 111 8.1. Общие сведения .............................................................................111 8.2. Пакет программ построения двумерных графиков GRAPHER ..............................................................................................112 8.3. Пакет программ SURFER для трехмерного представления результатов .............................................................................................115 Контрольные вопросы ........................................................................ 124 9. Сглаживание, фильтрация, анализ измерительной информации ...........................................................................................125 9.1. Преобразование Фурье ................................................................. 125 9.2. Статистический анализ результатов ........................................... 128 9.2.1. Возможности пакета Statistica при статистическом анализе результатов ......................................................................... 128 9.2.2. Подбор регрессионных зависимостей с помощью пакета Statistica ............................................................ 129 9.3. Прогнозирование результатов измерений .................................. 134 9.3.1. Классификация методов прогнозирования ......................... 134 9.3.2. Прогнозная экстраполяция ................................................... 138 9.3.3. Пример экспоненциального сглаживания процесса .......... 141 Контрольные вопросы ........................................................................ 145 10. Принятие решений (классификация состояний объекта) ...........146 10.1. Байесовский классификатор ...................................................... 146
10.2. Влияние априорных вероятностей и коэффициентов платежной матрицы на выбор порога при диагностике состояния геомеханических объектов .................................................................. 149 Контрольные вопросы ........................................................................ 152 11. Примеры лабораторных систем измерения и обработки данных ..............................................................................153 11.1. Лабораторная информационно-измерительная система на базе осциллографа С9-8 для регистрации ультразвуковых сигналов ................................................................................................. 153 11.2. Информационно-измерительная система для регистрации акустической эмиссии, деформаций и других параметров образцов горных пород при их нагружении ..................................... 156 11.2.1. Общие сведения о системе ................................................. 156 11.2.2. Краткое описание пакета программ MULTIEXP ............. 159 11.2.3. Пример использования программы ................................... 159 11.2.4. Пример измерения и обработки данных ........................... 161 11.3. Разработка виртуальных приборов на базе программного пакета LabVIEW ................................................................................... 163 Контрольные вопросы ........................................................................ 166 12. Системы для натурных измерений ................................................168 12.1. Общие сведения .......................................................................... 168 12.2. Сейсмоакустические системы с аналоговой передачей данных ................................................................................................... 174 12.3. Сейсмоакустический комплекс «Регион» ................................ 177 12.4. Сейсмоакустические системы с цифровой передачей данных ................................................................................................... 185 12.5. Система сейсмоакустического контроля напряженного состояния угольного пласта MESAS ................................................. 190 Контрольные вопросы ........................................................................ 192 13. Передача измерительной информации по сетям Интернета .......194 13.1. Общие сведения об Интернете .................................................. 194 13.2. Как работает Интернет ............................................................... 195 13.3. Доменная система имен ............................................................. 199 13.4. Базовые средства Интернета ...................................................... 200 13.5. Интернет-система WWW ........................................................... 205 Контрольные вопросы ........................................................................ 206 Библиографический список .................................................................208
ПРЕДИСЛОВИЕ Среди прочих достижений за последние 100–200 лет два изобре- тения в значительной степени изменили жизнь современного че- ловека – это передача информации на значительные расстояния и создание компьютера. Они внедрились во все сферы человеческой де- ятельности, ускорили прогресс во многих областях науки и техники, изменили стиль нашей жизни и образ мышления. Сегодня невозмож- но представить себе ни одну из областей науки и техники, а в особен- ности – измерений различных физических величин и процессов – без передачи данных на расстояние и их обработки с помощью компью- теров. 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. Важно также представлять роль передачи и обработки данных в процессе измерения. Учебник содержит сведения базового характера, а также техни- ческие подробности, необходимые для ориентировки современного специалиста в бурном море постоянно развивающихся областей чело- веческого знания. Сведения общего характера иллюстрируются при- мерами. По возможности эти примеры взяты из области физико-тех- нического контроля и измерений в горной промышленности, значение которой для нашей страны велико. Материал может быть использован независимо от конкретной области и при решении других задач.
1. КРАТКАЯ ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ СРЕДСТВ ПЕРЕДАЧИ И ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ Современные информационные технологии, т. е. технологии пере- дачи и обработки информации – это область науки и техники, которой раньше не было. В своем сегодняшнем виде она создана человече- ским разумом совсем недавно, буквально в последние десятилетия, и полностью изменила нашу жизнь и образ мышления. Необходимость в накоплении, обработке и обмене информацией су- ществует столько же, сколько и сам человек. Древнейшими устройства- ми 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 ин- формации было множество. Решить, наконец, задачу передачи удалось русскому изобретателю Павлу Львовичу Шиллингу, создавшему в 1828 г. первый действующий однострелочный, а в 1832 г. первый ше- стистрелочный электромагнитный телеграф. По существу, это было устройство, которое могло передавать символы алфавита с помощью шестиразрядного кода. Шиллингу же принадлежит мысль о прокладке изолированных подземных и подводных кабелей – прототипов нынеш- них линий связи. К сожалению, его смерть в 1837 г. не позволила реа- лизовать заказ правительства России по прокладке кабеля и создания телеграфной связи между Петергофом и Кронштадтом. Художник по профессии Сэмюэль Морзе, возвращаясь из Европы на морском судне, привез в Америку идею создания телеграфа. Он настолько сильно был захвачен этой идеей, что, вплотную занявшись ею, в 1837 г. в Нью-Йоркском университете уже продемонстрировал работающий телеграфный аппарат с записью на ленту. Позднее, в 1845 г., он изобрел код, известный ныне как азбука Морзе. Символы кодировались точками и тире. В 1876 г. Александр Белл в США запатентовал телефонный аппарат. В дальнейшем он создал телефонную компанию Bell, преобразованную позже в AT&T. На многие годы эта компания стала монополистом в области проводной связи. История развития средств передачи информации невозможна без упоминания опытов, проводимых русским ученым Александром Сте-
пановичем Поповым. 7 мая 1895 г. 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, отправив с помощью кода Морзе на расстояние сообщение из двух слов «Генрих Герц». В 1895 г. Гульельмо Маркони послал беспроводной сигнал из своего сада в поле на расстояние 3 км. Эти эксперименты он провел спустя несколько месяцев после демонстрационных опытов А.С. Попова. 2 июня 1896 г. Маркони подал заявку на «усовершенствования в передаче электрических импульсов и сигналов и в аппаратуре для этого». 2 сентября провел первую публичную демонстрацию своего изобретения на равнине Солсбери, добившись передачи радиограмм на расстояние 3 км. В качестве передатчика Маркони применил генератор Герца, а в качестве приёмника – усовершенствованный им прибор А.С. Попова. Приблизительно в те же годы развивались и средства обработки информации. Теоретиком, заложившим основы идеи создания вычислительной машины, принято называть англичанина Чарльза Беббид- жа, который приблизительно в 1822 г. создал действующую модель машины, которая позволяла вычислять с точностью до 8 знаков значе- ния полиномов второй степени. В 1896 г. Холлеризом была организо- вана 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 са- мых крупных фирм-производителей компьютеров. В 1946 г. в США завершено создание первой электронной вы- числительной машины ENIAC (Electrical Numerical Integrator And Calculator). Она работала в десятичной системе счисления, занимала площадь 600 м2, потребляла 180 кВт электроэнергии и весила 30 т. Примерно в то же время в Германии Конрад Цузе создал свою вы- числительную машину, производящую баллистические расчеты в двоичной системе счисления. Однако этот факт менее известен, если учесть время создания машины – 1939–1942 гг., когда шла Вторая ми- ровая 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 г. В Советском Союзе в Киеве в 1947 г. началась разработка малой электронной счетной машины (МЭСМ), которая вступила в строй в 1951 г. Эта машина была разработана под руководством академика С.А. Лебедева, с именем которого связано дальнейшее развитие вы- числительной техники. Под его руководством впоследствии была соз- дана мощная ЭВМ БЭСМ-6, которая нашла свое продолжение в си- стеме «Эльбрус». В 1966 г. в США принят стандарт ASCII (American Standard Code for Information Interchange – американский стандартный код для информа- ционного обмена, используемый ныне производителями компьютеров и коммуникационного оборудования во всем мире. В нашей стране ис- пользуются стандарты КОИ-7 (семиразрядный код) и КОИ-8 (восьми- разрядный код), разработанные с учетом стандарта ASCII. В настоящее время используются коды с большим количеством разрядов (до трех байт), что позволяет осуществлять кодировку нескольких алфавитов. Большую роль в развитии средств передачи и обработки инфор- мации играют локальные и глобальные сети. Десятки лет компьютер оставался чрезвычайно дорогим удовольствием. Не всякий универси- тет или научный центр мог похвастаться подобным вычислителем, но и не всякий обладатель мог загрузить его на всю мощь. Поэтому воз- никла идея распределения вычислительных мощностей среди пользо- вателей. Первыми реализовали ее военные. По заданию Пентагона в 1969 г. создана первая глобальная компьютерная сеть. Все операции в ней осуществлялись на нескольких больших вычислительных маши- нах, к которым подсоединялись удаленные терминалы – простейшие устройства, состоящие из монитора и клавиатуры. По инициалам соз- дателя – Управления перспективных исследований Министерства обо- роны США (Advanced Research Project Agency) – ее назвали ARPAnet. Ясно, что, будучи соединенными с центральным процессором, ученые придумали способ обмениваться между собой сообщениями. Извест- ный сейчас как электронная почта, или E-mail, этот способ быстро пре- вратил сеть в гораздо более эффективное средство коммуникации, чем телеграф и телефон. А протокол обмена информацией, разработанный для ARPAnet, стал впоследствии стандартом и для межсетевого обме- на. Он получил название IP – Internet Protocol (межсетевой протокол), а использующее его объединение сетей стало называться Интернет. Ему, появившемуся в 1980-х, и было суждено уже в начале 1990-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 1970-е гг., когда благодаря развитию микроэлектроники появились первые персональные компьютеры, до- статочно дешевые, простые и надежные для массового потребителя. В 1976 г. создана компания Apple и продан ее первый персональный ком- пьютер (ПК). Индустрия ПК развивалась поразительными темпами, особенно после выхода на это рынок в 1981 г. корпорации IBM. Стремительный рост возможностей и эффективности персональ- ных компьютеров обесценил идею распределения вычислительной мощности. Но осталась необходимость информационного обмена между вычислительными машинами, обрабатывающими и храня- щими большие объемы информации. Тогда и нашел коммерческое применение распространенный сейчас стандарт для локальных се- тей – Ethernet, разработанный еще в 1973 г. одним из подразделений компании Xerox PARC. Появились и успешно действуют другие стан- дарты – Token Ring, Arcnet, PCNet, DECnet. В 1982 г. основана компания Sun, которая является крупнейшим поставщиком сетевого оборудования для глобальных сетей. 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 передачи их по обычным теле- фонным линиям. Модем обеспечил возможность обмена информаци- ей 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 воз- никают и первые коммерческие информационные службы (самая из- вестная из них – CompuServe), а также электронные доски объявле- ний (Bulletin Board System, называемые просто BBS). В 1984 г. Том Дженнингс создает любительскую сеть FidoNet. Владельцы компью- теров и модемов получили возможность обмениваться электронной почтой, файлами и вообще любой информацией с той же легкостью, что и обычными речевыми сообщениями. Постоянно увеличивается количество пользователей сети Интер- нет. Особенная популярность обусловлена появлением так называе- мой технологии World Wide Web (WWW).
В России сети ЭВМ существовали достаточно давно и успеш- но функционировали. Правда, они не были рассчитаны на рядовых потребителей. Среди наиболее крупных действовавших и продол- жающих действовать сетей – сети МПС (Экспресс), МГА (Сирена), Минтопэнерго, Мингазпрома и некоторых других. В начале 1990-х в России образована наиболее крупная сеть Relcom, построенная на базе операционной системы UNIX. В последние годы в России интен- сивно развивается сеть Интернет. Сегодня появились технологии, обеспечивающие доступ в реаль- ном времени ко всем «богатым» видам информации: звук, трехмерная графика и мультипликация, видео. Этому способствуют постоянно развивающиеся проводные и беспроводные высокоскоростные сети передачи данных. Контрольные вопросы 1. Расскажите о роли российских и зарубежных ученых в создании средств проводной и беспроводной передачи информации. 2. Мог ли в принципе А.С. Пушкин, посвятив своей невесте, а впо- следствии супруге, Н.А. Гончаровой, стихотворение, начинающееся словами «Нет, я не дорожу мятежным наслажденьем, Восторгом чувственным, безумством, исступленьем…», передать ей его по телеграфу? Если да, то с помощью какого устрой- ства это можно было бы сделать? 3. Опыты с электромагнитными волнами проводились еще до А.С. Попова. В чем же состоит именно его заслуга? 4. Когда была создана первая машина, которая обладала всеми не- обходимыми компонентами современной ЭВМ, т. е. промежуточной внутренней памятью и хранимой программой? 5. Когда была создана первая отечественная электронная вычисли- тельная счетная машина? Кто был руководителем работ по ее созда- нию? 6. Где и когда была создана первая глобальная компьютерная сеть? 7. Когда и где был создан первый персональный компьютер?
2. ТЕОРИЯ ПЕРЕДАЧИ СООБЩЕНИЙ 2.1. Основные понятия и определения Слово «информация» сравнительно недавно стало научным терми- ном. Существует несколько определений информации. Наиболее об- щим является определение информации как совокупности сведений о каком-либо событии. Форма представления информации – сообще- ние. Это может быть текст телеграммы, речь, музыка, телевизионное изображение, данные на выходе ЭВМ, отраженные от цели локацион- ные сигналы, сведения об устойчивости массива пород вокруг горных выработок и т. д. Чтобы передать сообщение получателю, необходимо воспользо- ваться некоторым физическим процессом, способным с той или иной скоростью распространяться от источника к получателю сообщений. Изменяющаяся во времени физическая величина (звуковая волна, ток, напряжение, напряженность электромагнитного поля и т. д.), отобра- жающая сообщение в процессе передачи, называется сигналом. Для передачи информации может использоваться электрическая прово- дная, беспроводная оптическая связь, связь с использованием упру- гих колебаний (например, через массив замороженных пород на мете- останции) и др. На рис. 2.1 изображена общая схема передачи сообщений (направ- ление сигнала слева направо). Передающее устройство – преобразует исходное сообщение в сигнал, форма которого удобна для передачи по данной линии связи. Приемное устройство осуществляет обратное преобразование. Канал связи – совокупность средств, предназначенных для пере- дачи сообщений или сигналов. Состоит из технических устройств и линии связи. Понятие «канал связи» может трактоваться по-разному. Иногда под ним понимают только линию связи, а иногда все вместе. Помимо полезного сигнала в канале связи возникают помехи. На- кладываясь на полезный сигнал, помехи приводят к неоднозначности при восстановлении сообщений. Помехи могут возникнуть в любом месте, однако на рис. 2.1 они изображены как воздействующие на ли- нию связи. Источник сообщения, передающее устройство, линия (среда) меж- ду пунктами связи, приемное устройство и получатель сообщения об- разуют систему связи.
Получа- тель со- общений Источник сообще- ния Передаю- щее устрой- ство Линия связи Приемное устрой- ство Источник помех Рис. 2.1. Общая схема передачи сообщений Сообщения, а также соответствующие им сигналы, обычно делят на непрерывные и дискретные. Непрерывные сообщения – те, для которых соответствующие сиг- налы могут принимать любые значения, отличающиеся друг от дру- га на сколь угодно малую величину. Количество таких значений бес- конечно велико. С такими сообщениями и величинами приходится иметь дело в большинстве случаев в окружающей жизни. Это речь, музыка, температура окружающей среды, напряжения в массиве по- род и т. д. Дискретные сообщения – те, для которых соответствующие сиг- налы могут принимать только определенные значения из конечного набора возможных значений. Дискретным является источник, выда- ющий сообщение в виде текста, записанного русским, латинским или каким-либо другим алфавитом, в виде последовательности арабских цифр. Системы связи, предназначенные для передачи непрерывных со- общений, называются непрерывными, или аналоговыми, а для пере- дачи дискретных сообщений – дискретными, или цифровыми. Суще- ствуют комбинированные системы, в которых аналоговые сигналы, с которыми приходится иметь дело в большинстве случаев в повсед- невной жизни, преобразуются в цифровые, а затем преобразуются и передаются уже как дискретные. После передачи и обработки в циф- ровом виде они преобразуются опять в аналоговые. В последнее вре- мя цифровые системы передачи и обработки информации занимают все большее и большее место, вытесняя аналоговые. Это обусловлено достоинствами цифрового представления сигналов, такими как: – возможность большого диапазона представления чисел; – высокая помехоустойчивость при передаче за счет применения корректирующих кодов;
Доступ онлайн
В корзину