Движение оперативной информации

1. Переходя к вопросам движения оперативной информации, рассмотрим предварительно в наиболее общем виде цикл обращения информации, на примере ее обращения в процессе управления некоторым объектом. Этот цикл включает этапы генерации информации, ее восприятия, подготовки информации к передаче, процесс передачи с последующей переработкой и использованием в процессе управления.

Рассматриваемый процесс состоит в следующем (см. Рис.3.19).

Имеется некоторый объект наблюдения и управления. Чтобы воздействовать на него в нужном нам направлении мы должны владеть необходимой информацией. Поэтому на первом этапе рассматриваем интересующий нас объект как источник информации (генератор сообщений).

Первый этап (фаза) цикла есть генерация сообщений.

Второй этап – фаза восприятия информации, который состоит в том, что формируется образ объекта, производится его опознание и оценка. При этом происходит отделение (селекция) полезной информации от бесполезной, которая рассматривается в виде шумов(помех) различной природы. В результате получается сообщение, которое преобразуется в сигнал(некоторое промежуточное сообщение), представленное в форме удобной для передачи или обработки. В фазу восприятия могут включаться операции подготовки информации, ее нормализации, квантования, кодирования и т.д.

Рис.3.19. Цикл обращения информации

Третья фаза - передача информации состоит в переносе ее на расстояние посредством сигналов (процессов) различной физической природы по тем или иным каналам – гидравлическим, акустическим, электромагнитным и т.д. Прием информации на другом конце канала имеет характер вторичного восприятия со свойственными ему операциями борьбы с шумами и обратного преобразования (декодирования). В итоге получаем некоторый образ первичного сообщения.

Фазы обработки и представления информации есть промежуточные фазы работы с информацией, которые сводятся к указанным выше трем основным процессам.

На всех рассмотренных фазах информационного процесса происходит постоянный процесс обогащения информации, связанный с ее селекцией.

Последовательность процессов такова (см. рис.3.20).

Рис.3.20. Последовательность этапов обогащения информации.

Из бесконечного множества физических процессов, протекающих в объекте наблюдения или управления, выделяются первичные сообщения, формирующие первичную информацию.

Первой фазой процесса является структурное устранение избыточности.

Вторая фаза состоит в том, чтобы устранить статистическую избыточность путем учета вероятностных характеристик информации.

Третья фаза в том, что выделяется смысловое содержание, то есть осуществляется семантическое обогащение информации.

Далее следует фаза формирования решений и действий по управлению объектом, после чего выдаются единичные командные сигналы.

2. Рассмотрение отдельных фаз обращения информации удобно вести на примере схемы абстрактного канала связи, разработанной К.Шенноном и У. Уитвортом которыми было разработано это понятие и сформулированы теоремы о его пропускной способности и кодировании (см. рис.3.21).

Рис.3.21. Абстрактный канал связи.

В наиболее общем виде абстрактный канал связи представляет собой систему, предназначенную для передачи конкретных сообщений и включает в себя шесть основных элементов:

Ø источник (генератор) информации (сообщений);

Ø передатчик (преобразователь) сигналов, которые несут информацию;

Ø линию связи;

Ø приемник сигналов (сообщений), который является одновременно и преобразователем сигналов, в форму, удобную для восприятия получателем;

Ø получатель (адресат), которому предназначена информация;

Ø источник помех (шумов), которые искажают сигналы.

В литературе встречаются и другие представления этого канала, которые сути дела не меняют.

Работа канала заключается в следующем.

Некоторое сообщение от источника информации, попадая на вход передатчика (преобразователя, кодера) преобразуется (кодируется) таким образом, чтобы сделать возможной его передачу по линии связи. Попадая на вход приемника сообщение претерпевает обратное преобразование (декодирование) и его образ передается адресату. Но из-за наличия помех в линии связи, обусловленных разными причинами, первичное сообщение может претерпевать большие или меньшие искажения.

В силу общности эта схема может быть использована для анализа самых различных процессов, связанных с передачей информации.

3. Не рассматривая детально все вопросы, связанные с анализом приведенной схемы, остановимся на двух моментах, которые в дальнейшем будут иметь существенный интерес.

3.1. Передача информации. Пропускная способность канала связи

1) Процесс передачи информации состоит в следующем.

Преобразованный сигнал поступает на линию связи, которая и осуществляет его передачу приемнику. Количество информации, содержащееся в отдельном сигнале, имеющем вероятность , составляет бит и может быть сколь угодно велико. Однако в среднем в достаточно длинном сообщении один двоичный сигнала переносит не более одного бита информации. Не рассматривая детально проблем передачи сигналов отметим, что не все они несут полезную информацию, отдельные из них могут искажаться и т.д. Все это приводит к тому, что любая конкретно взятая линия связи имеет определенную строго ограниченную конкретными условиями и физической природой линии пропускную способность, под которой понимается наибольшая скорость передачи информации, то есть количество информации, которую каждый канал может передать в единицу времени.

Пусть сообщение предается с помощью русского или какого-либо иного алфавита. Энтропия одной буквы (символа) сообщения[58] равна (бит/символ). Каждая буква передается с помощью элементарных сигналов, каждый из которых может принять значений. Тогда скорость передачи по линии связи равна:

(букв/ед.времени)

(3.98)

- количество предаваемых элементарных сигналов.

При отсутствии помех пропускная способность линии связи определяется:

(3.99)

Максимальное число сигналов , которое можно передать по данной линии связи равно:

(3.100)

- минимальный промежуток времени, разделяющий два следующих один за другим сигнала, при котором еще можно различить их. В более широком смысле мы можем говорить о различимости состояний системы.

2) При наличии помех эта скорость существенно снижается. Рассмотрим вопрос детальнее.

Для любого канала связи ненулевая апостериорная неопределенность, то есть величина энтропии после получения сообщения в теории передачи информации определятся наличием шума, вообще говоря, любой природы. Но при дальнейшем изложении наибольший интерес представляет шум физического, а не механического происхождения (то есть тепловой и квантовый шум). Вследствие этого, для получения термодинамических характеристик можно ограничиться только тепловым шумом.

Если распределение вероятностей амплитуд реализации шума в последовательных точках гауссово, то шум называется гауссовым. Если к тому же мощность шума распределена равномерно в полосе пропускания канала, то такой шум называется белым.

Для белого гауссова шума Шеннон вывел формулу максимальной пропускной способности при условии, что средняя мощность сигнала (пересчитанная ко входу приемника) ограничена величиной :

(3.101)

Шеннон показал, что указанная формула дает предельное значение пропускной способности, которое может быть достигнуто путем случайного кодирования - такого, чтобы сигнал при заданной мощности имел статистическую структуру белого гауссова шума.

В общем случае величина пропускной способности канала равна: