Некоммерческое акционерное общество
АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ
Кафедра
«Компьютерные технологии»
ТЕОРИЯ ИНФОРМАЦИИ
Методические
указания к выполнению лабораторных работ
для студентов специальности
5В070400 – Вычислительная
техника и программное обеспечение
Алматы 2013
Составитель: О.Т. Шанаев, А.А. Таурбекова. Теория информации. Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине “Теория информации” для студентов специальности 5В070400 – Вычислительная техника и программное обеспечение. – Алматы: 2013. – 34 с.
Первые четыре работы из предлагаемой методической разработки предназначены для изучения основополагающих принципов теории информации, а именно, принципов дискретизации и квантования аналоговой информации с целью формирования цифровых кодов. Выполнение этой группы работ организовывается в программной среде SystemView, предоставляющей широкие возможности для всестороннего анализа свойств информационных систем.
Последующие четыре работы посвящены изучению различных кодов, применяемых для передачи данных в информационных системах, а именно, кодов Хемминга, кодов Грея и последовательного кода, применяемого для организации передачи данных между отдаленными объектами информационной системы. Выполнение этой группы лабораторных работ организовывается в виде виртуальных экспериментов, осуществляемых посредством моделирования исследуемых устройств и их функционирования в программной среде Electronics Workbench.
Ил. 15, табл. 8, библиогр. – 6 назв.
Рецензент: доцент АУЭС С. А. Калиева
Печатается по плану издания Некоммерческого акционерного общества “Алматинский университет энергетики и связи” на 2013 г.
© НАО “Алматинский университет энергетики и связи”, 2013 г.
Введение
Курс “Теория информации” посвящен изучению фундаментальных принципов теории передачи и обработки информации, составляющих первоначальный минимум знаний по организации компьютерных систем. Для обеспечения формирования у студентов теоретических знаний по изучаемому курсу и приобретения ими навыков по практическому применению приобретенных знаний необходима организация выполнения лабораторных работ по основополагающим темам курса.
В методической разработке приведены работы, предназначенные для организации лабораторных занятий по дисциплине “Теория информации” для специальности 5В070400 – Вычислительная техника и программное обеспечение и охватывающие по содержанию учебный материал всего курса.
Первые четыре работы из предлагаемой методической разработки предназначены для изучения основополагающих принципов теории информации, а именно: принципов дискретизации и квантования аналоговой информации с целью формирования цифровых кодов. Выполнение этой группы работ организовывается в программной среде SystemView, предоставляющей широкие возможности для всестороннего анализа свойств информационных систем.
Последующие четыре работы посвящены изучению различных кодов, применяемых для передачи данных в информационных системах, а именно: кодов Хемминга, кодов Грея и последовательного кода, применяемого для организации передачи данных между отдаленными объектами информационной системы. Выполнение этой группы лабораторных работ организовывается в виде виртуальных экспериментов, осуществляемых посредством моделирования исследуемых устройств и их функционирования в программной среде Electronics Workbench.
1 Лабораторная работа. Организация работы в SystemView
Цель работы:
- освоение основных приемов работы с пакетом программ SystemView;
- приобретение практических навыков по синтезу моделей информационных систем с помощью элементов (примитивов) из состава пакета программ SystemView.
1.1 Оборудование рабочего места:
- компьютер;
- пакет программ SystemView.
1.2 Практические сведения и методические рекомендации
Процесс проектирования системы начинается с синтеза алгоритма ее функционирования. Процедура синтеза заключается в создании проектного решения по заданным требованиям, свойствам и ограничениям. Примером может служить синтез электронных систем по отклику во временной области, синтез устройств, оптимальных по какому-либо критерию, синтез алгоритмов обнаружения и распознавания. В процессе синтеза создается структура проектируемой системы. Процесс проектирования системы завершается анализом. Процедура анализа состоит в определении свойств заданного описания, например, расчета частотных или переходных характеристик разработанных схем, определения реакции схемы на заданное воздействие и т.д. Анализ позволяет оценить степень соответствия проектного решения заданным требованиям. Типичной проектной процедурой является оптимизация, которая приводит к оптимальному (по заранее определенному критерию) проектному решению. Процедура оптимизации заключается в многократном анализе при целевом изменении параметров схемы до получения удовлетворительного приближения к заданным характеристикам.
В настоящее время тенденции к автоматизации всего процесса проектирования электронных систем привели к появлению систем автоматического проектирования (САПР), решающих задачи функционального проектирования, моделирования работы отдельных схем и т.д. Эти САПР позволяют моделировать работу аппаратуры и обладают средствами анализа процессов, происходящих в модели. К числу таких САПР, например, относится система SystemView фирмы “Elanix”, MatLab – “Simulink”, LabView и др.
Трансформация макетирования и натурного моделирования в математическое моделирование с возможностью представления объекта его экспериментальными характеристиками привело к появлению на рабочих местах проектировщиков, специализированных САПР виртуальных инструментов. Эти САПР обладают средствами для создания виртуальных устройств различного назначения: осциллографов, анализаторов спектра, а также средствами обработки данных, полученных как в режиме реального времени от физического объекта, так и в виде файлов данных.
Виртуальный инструмент можно использовать при анализе и верификации модели, созданной САПР функционального проектирования. Поэтому комбинирование САПР функционального моделирования и САПР виртуальных инструментов позволяет не только создать модель, но и детально исследовать ее поведение.
В качестве мощного и удобного средства анализа информационных систем удобно использовать пакет программ SystemView компании “Elanix”. Эта программа, предназначенная, в основном, для анализа радиотехнических систем, в то же время обеспечивает возможность всестороннего анализа свойств информационных систем. Пакет SystemView осуществляет моделирование динамических систем на уровне функциональных блоков. Пользовательский интерфейс программы достаточно прост и интуитивно понятен. В состав пакета SystemView входят различные библиотеки, позволяющие синтезировать весьма разнообразные системы. Пакет SystemView содержит множество дополнительных средств для наращивания и усложнения модели с целью максимального приближения ее к реальной аппаратуре. Внутренние средства анализа ограничены, в общем-то, осциллографом и анализатором спектра, но в системе имеется возможность записи временной реализации в файл, что позволяет выполнять обработку данных с помощью других программных средств таких, как LabView.
Вкратце рассмотрим основные приемы работы с пакетом программ SystemView. SystemView предоставляет
визуально-ориентированные средства для создания динамической имитационной модели
системы. Моделирование системы или подсистемы выполняется в системном окне
System window, где примитивы выбираются из различных библиотек и связываются вместе
в области проектирования (System Design Area). Параметры для этих примитивов
определяются с помощью диалоговых окон или вводом значения прямо в схему.
пользователь может устанавливать время пуска, время останова, а также частоту
дискретизации системы. SystemView можно запустить,
нажав на кнопку Start и выбрав SystemView или дважды
нажав на ярлык 
на рабочем столе. Окно программы (см. рисунок
1.1) содержит меню, панель инструментов, область проектирования, область
сообщений и перечень модулей.
Инструментальная панель состоит из кнопок, позволяющих выполнять:
- действия над примитивами в системном окне;
- запуск и остановку моделирования;
- предоставление доступа к окну анализа (Analysis window) и др.
Рисунок 1.1
У каждой кнопки на панели инструментов имеется всплывающая подсказка, которая появляется при наведении на нее указателя мыши. Более подробное описание указанной кнопки показывается в поле сообщений системного окна SystemView.
Кнопка Dynamic System Probe Button 
,
предоставляет доступ к исследованию динамической системы.
Построение моделируемой системы из связанных между собой функциональных блоков осуществляется в области проектирования системного окна. Поле сообщений отображает описания функциональных блоков и информацию о статусе процесса моделирования. Аналогичная информация показывается на специальной всплывающей текстовой панели, появляющейся при наведении указателя мыши на любой из функциональных блоков.
Хранилище примитивов, размещенное слева от системного окна, содержит универсальные примитивы, предоставляемые библиотекой примитивов. Для добавления в проект функционального блока необходимо перетащить значок нужной библиотеки с панели библиотек в поле проекта и выполнить на нем двойной щелчок левой кнопкой мыши, в результате чего откроется окно определения блока. Внутри каждой библиотеки примитивы организованы в группы. Далее следует выбрать нужный блок и нажать кнопку Parameters. Все параметры уже имеют некоторые задаваемые по умолчанию параметры, которые можно изменить. Для редактирования параметров уже однажды определенных блоков можно выполнить щелчок правой кнопкой мыши и в появившемся контекстном меню выбрать команду Edit Parameters.
Для реализации связи между блоками необходимо подвести указатель
мыши к правой стороне первого из них, подождать, пока указатель мыши не изменит
свой вид на направленную вверх стрелку, нажать левую кнопку мыши и, удерживая
ее, протянуть связь до второго блока. Реализовать связь можно и с помощью
кнопки Connect 
на панели инструментов,
после нажатия которой потребуется последовательно указать два связываемых
блока.
Для удаления связи между блоками следует подвести указатель мыши к
левой стороне второго из них, подождать, пока указатель мыши не изменит свой
вид на направленную вверх пунктирную стрелку, нажать левую кнопку мыши и,
удерживая ее, указать на подсвеченную пунктиром цепь. Удалить связь можно и с
помощью кнопки Disconnect 
на панели инструментов, после
нажатия которой потребуется последовательно указать блоки, связь между которыми
должна быть удалена.
С целью иллюстрации порядка организации работы с пакетом SystemView в работе рассматривается процесс построения простой системы.
1.3 Рабочее задание
1.3.1 Построить систему, состоящую из двух генераторов синусоидальных сигналов, и возводящую в квадрат сумму этих сигналов (см. рисунок 1.2):
- построение
системы следует начать с настройки системы, для чего необходимо нажать кнопку 
, расположенную на панели
инструментов. В появившемся окне временных настроек (System Time Specification) можно установить параметры по своему желанию.
Мы оставим параметры, установленные по умолчанию;
- для
выбора источника сигнала перетащить мышью значок источника сигнала 
из перечня
библиотек модулей, расположенного в левой части основного окна, в область
проектирования. Дважды щелкнуть мышью на перенесенном значке, чтобы вызвать
окно библиотеки модулей, где следует выбрать источник синусоидального сигнала (Sinusoid) 
. Нажатием кнопки Parameters
осуществляется вызов окна установки параметров. Устанавливаем значение частоты (Frequency), равное 10 Hz и амплитуду
сигнала, равное 5 V;
Рисунок 1.2
- второй
источник синусоидального сигнала можно установить аналогично. Мы воспользуемся
альтернативным способом: скопировать предыдущий источник с помощью кнопки 
, расположенной на панели
инструментов и перенести его на место размещения. Для установки параметров
нового источника нажать его значок правой кнопкой мыши и появившемся
контекстном меню выбрать Edit Parameters;
- перетащить
сумматор 
из
перечня библиотек модулей;
- для
выбора модуля возведения в квадрат перетащить мышью значок функционального
модуля 
из
перечня библиотек модулей в область проектирования. Дважды щелкнув мышью на
перенесенном значке, выбрать группу Algebraic, а оттуда
модуль возведения в степень 
. Нажатием кнопки Parameters
вызвать окно установки параметров и в нем установить значение степени, равное
2;
- для
добавления в систему средств анализа перетащить мышью значок 
из перечня библиотек
модулей в область проектирования. Дважды щелкнув мышью на перенесенном значке,
выбрать группу Graphic, а оттуда блок SystemView 
.
- соединить блоки соответственно схеме.
1.3.2
Запустить процесс моделирования нажатием кнопки 
, расположенной на панели инструментов и в
панелях средств анализа появятся отображение сигналов в соответствующих точках
модели системы (см. рисунок 1.1). Нажатием кнопки 
, расположенной на панели
инструментов, можно перейти в окно анализа (Analysis Window), где имеются возможности
осуществления подробного анализа процессов (о них – в последующих работах),
происходящих в определенных узлах исследуемой системы (см. рисунок 1.3).
Обновление результатов анализа осуществляется нажатием кнопки 
, расположенной на
панели инструментов окна анализа. Обратный переход в окно проектирования
осуществляется нажатием кнопки 
, расположенной на панели инструментов окна
анализа.
Рисунок 1.3
1.3.3 Скопировать результаты анализа и объяснить их характер.
1.3.4 Изменяя системные параметры анализа, устанавливаемые в окне System Time Specification, повторить опыт.
1.3.5 Изменить параметры сигналов и повторить опыты.
1.4 Контрольные вопросы
1. Опишите порядок размещения блоков в окне проектирования.
2. Как устанавливаются параметры источников сигнала?
3. Какие источники сигналов имеются в соответствующей библиотеке?
4. Опишите порядок соединения размещенных в окне проектирования блоков.
5. Какие параметры анализа устанавливаются в окне System Time Specification?
6. Как повлияли изменение системных параметров анализа на результаты опыта?
7. Что такое число выборок (No. of Samples) и как оно влияет на результаты анализа?
8. Что такое частота выборок (Sample Rate) и как она влияет на результаты анализа?
2 Лабораторная работа. Квантование и дискретизация
Цель работы:
- исследование методов квантования и дискретизации сигналов;
- исследование влияния параметров квантования и дискретизации на результаты анализа.
2.1 Оборудование рабочего места:
- компьютер;
- пакет программ SystemView.
2.2 Практические сведения и методические рекомендации
В любую систему информация поступает в виде сигналов. Различные параметры физических процессов с помощью датчиков обычно преобразуются в электрические сигналы. Как правило, ими являются непрерывно изменяющиеся ток или напряжение, но возможно поступление и импульсных сигналов, как, например, в радиолокации. Печатный текст отображается буквами, цифрами и другими знаками.
Хотя поступающую информацию можно хранить, передавать и обрабатывать как в виде непрерывных, так и в виде дискретных сигналов, на современном этапе развития информационной техники предпочтение отдается дискретным сигналам, поэтому сигналы, как правило, преобразуются в дискретные. С этой целью каждый непрерывный сигнал подвергается операциям квантования по времени (дискретизации) и по уровню.
Под дискретизацией подразумевают преобразование функции непрерывного времени в функцию дискретного времени, представляемую совокупностью величин, называемых координатами, по значениям которых исходная непрерывная функция может быть восстановлена с заданной точностью. Под квантованием подразумевают преобразование некоторой величины с непрерывной шкалой значений в величину, имеющую дискретную шкалу значений.
При передаче и обработке информации в цифровой технике существует принципиальная возможность снижения вероятности получения ошибочного результата до весьма малых значений. Она возникает потому, что при использовании дискретных сигналов, во-первых, применимы такие методы кодирования, которые обеспечивают обнаружение и исправление ошибок, а во-вторых, можно избежать свойственного аналоговым сигналам эффекта накопления искажений в процессе их передачи и обработки, поскольку квантованный сигнал легко восстановить до первоначального уровня всякий раз, когда величина накопленных искажений приблизится к половине кванта.
Правило выбора предельного шага при равномерной дискретизации с использованием модели сигнала с ограниченным спектром в наиболее четкой форме сформулировано и доказано акад. В. А. Котельниковым в виде теоремы, носящей его имя (в зарубежной литературе эту теорему называют теоремой Найквиста или просто теоремой отсчетов).
Теорема Котельникова устанавливает принципиальную возможность полного восстановления детерминированной функции с ограниченным спектром по ее отсчетам и указывает предельное значение интервала времени между отсчетами, при которой такое восстановление еще возможно. Она формулируется следующим образом: функция u(t1) допускающая преобразование Фурье и имеющая непрерывный спектр, ограниченный полосой частот от 0 до Fc, полностью определяется дискретным рядом своих мгновенных значений, отсчитанных через интервалы времени
.
Физическая основа теоремы выявляется при рассмотрении связи между формой функции и шириной ее спектра. Только в случае, когда спектр функции безграничен, ее значения в сколь угодно близкие моменты времени могут изменяться произвольно (корреляционная связь между ними отсутствует).
Сокращение высокочастотной части спектра до граничной
частоты равнозначно устранению из временной функции выбросов,
которые могли быть сформированы этими высокочастотными составляющими. При
меньших граничных частотах 
имеем более сглаженные функции времени.
Если частотные составляющие сигнала больше чем fc/2, то проявляется искажение сигнала, называемое явлением элайзинга (aliasing). Например, если сигнал в 6000 Гц является входным сигналом для системы и произведена выборка в 10000 Гц, то сигнал будет интерпретироваться как сигнал в 4000 Гц.
Рисунок 2.1
2.3 Рабочее задание
В этой работе мы будем использовать квантователь из библиотеки функциональных значков SystemView, чтобы квантовать входной сигнал на фиксированное количество битов.
Квантование сигнала
2.3.1 Соберите схему, приведенную на рисунке 2.2 и установите параметры системы и ее элементов, представленные в таблице 2.1.
2.3.2
Запустите процесс моделирования, и
затем в окне анализа 
проверьте выходные сигналы на различных участках
схемы. Увеличив один период выходного сигнала, скопируйте его.
Таблица 2.1
|
|
Элементы |
Параметры |
Значения |
|
|
System Time |
|
|
|
|
|
Sample Rate, Hz Гц |
200 |
|
|
|
No. of Samples |
256 |
|
0 |
Source\Periodic\Sawtooth |
|
|
|
|
|
Amplitude, V |
1,875 |
|
|
|
Frequency, Hz |
5 |
|
|
|
Offset, V |
-1 |
|
|
|
Phase, deg |
0 |
|
1 |
Function\Quantize |
|
|
|
|
|
Quant Bits |
4 |
Таблица 2.1 (продолжение)
|
|
Элементы |
Параметры |
Значения |
|
|
|
Max Input, V |
1 |
|
|
|
Quantizer Output |
Signed Integer |
|
2 |
Adder |
|
|
|
3 |
Sink\Graphic\RealTime |
|
|
|
4 |
Sink\Graphic\RealTime |
|
|
|
5 |
Sink\Graphic\RealTime |
|
|
Рисунок 2.2
2.3.3
Модифицируйте параметры
квантователя 
так, чтобы обеспечить трехбитное квантование (на
8 уровней) с таким же ±1 колебанием напряжения, как раньше.
2.3.4 Устанавливая амплитуду пилообразного сигнала на 1,75 и 2 В, повторите предыдущие опыты. Объясните полученные в опытах результаты.
2.3.5 Измените модуль генератора пилообразного сигнала на генератор синусоидальных сигналов, запустите систему при различных значениях амплитуды его выходного сигнала. Объясните полученные результаты.
Явление элайзинга (aliasing)
2.3.6 Соберите схему, приведенную на рисунке 2.3 и установите параметры системы и ее элементов, представленные в таблице 2.2.
Рисунок 2.3
Таблица 2.2
|
|
Элементы |
Параметры |
Значения |
|
|
System Time |
|
|
|
|
|
Sample Rate, Hz Гц |
10000 |
|
|
|
No. of Samples |
32 |
|
0 |
Source\Periodic\Sinusoid |
|
|
|
|
|
Amplitude, V |
1 |
|
|
|
Frequency, Hz |
1000 |
|
|
|
Phase, deg |
0 |
|
1 |
Sink\Graphic\RealTime |
|
|
2.3.7
Запустите процесс моделирования, и затем в окне анализа 
проверьте
выходной сигнал генератора синусоидальных сигналов и скопируйте его. Включая и выключая обозначение 
,
убедитесь, что выборки осуществляются в этом случае в десяти точках (10000/1000)
в течение периода.
2.3.8 Изменяя частоту генератора (2000, 4500, 5000 Hz), проверьте форму и параметры сигнала. Скопировав выходные сигналы в каждом случае, объясните полученные результаты.
2.3.9 Измените частоту генератора на значение 9000 Hz, определите частоту полученного на анализаторе изображения сигнала и объясните полученный результат.
2.4 Контрольные вопросы
1. Объясните процесс дискретизации.
2. Какими параметрами определяется процесс дискретизации?
3. Объясните процесс квантования.
4. Какими параметрами определяется процесс квантования?
5. Что такое дискретизация по частотному критерию?
6. Объясните смысл и практическое значение теоремы Котельникова.
7. Какие искажения могут возникнуть в отображаемом сигнале из-за несоответствующего выбора параметров дискретизации?
8. Объясните причину проявления явления элайзинга (aliasing).
3 Лабораторная работа. Спектральный анализ
Цель работы:
- освоение принципов синтезирования сигнала сложной формы посредством соответствующего сложения синусоид с разными частотами;
- исследование возможности определения спектрального состава сложных сигналов.
3.1 Оборудование рабочего места:
- компьютер;
- пакет программ SystemView.
3.2 Практические сведения и методические рекомендации
Спектральный анализ сигнала осуществляется следующим образом:
- в окне анализа с выходным сигналом щелкнуть правой клавишей мыши и выбрать Sink Calculator;
- в открывшемся окне выбрать раздел Spectrum, в нем нажать на кнопку Power Spectrum (dBm in 1 ohm) и нажать OK;
- в открывшемся окне спектрального анализа расширить начальный участок кривой и определяем там частоты составляющих сигнала;
3.3 Рабочее задание
3.3.1 Соберите схему с двумя источниками сигналов, приведенную на рисунке 3.1, и установите параметры системы и ее элементов, представленные в таблице 3.1.
3.3.2
Запустите процесс моделирования, а затем в окне анализа 
проверьте
выходные сигналы на различных участках схемы и скопируйте их.
Рисунок 3.1
Таблица 3.1
|
|
Элементы |
Параметры |
Значения |
|
|
System Time |
|
|
|
|
|
Sample Rate, Hz Гц |
2000 |
|
|
|
No. of Samples |
4096 |
|
0 |
Source\Periodic\Sinusoid |
|
|
|
|
|
Amplitude, V |
2 |
|
|
|
Frequency, Hz |
1 |
|
|
|
Phase, deg |
0 |
|
1 |
Source\Periodic\Sinusoid |
|
|
|
|
|
Amplitude, V |
1 |
|
|
|
Frequency, Hz |
2 |
|
|
|
Phase, deg |
180 |
|
2 |
Adder |
|
|
|
3-5 |
Sink\Graphic\SystemView |
|
|
3.3.3 Проверьте спектральный состав синтезированного сигнала и убедитесь в том, что он состоит только из двух синусоид с установленными для синтеза параметрами. Записать полученные результаты и скопировать спектральную кривую.
3.3.4 Модифицируйте схему по рисунку 3.2, т.е. добавьте в нее еще один источник с параметрами: Amplitude – 3/2 V, Frequency – 3 Hz, Phase – 0 deg.
Рисунок 3.2
3.3.5
Запустите процесс моделирования, а затем в окне анализа 
проверьте
выходные сигналы на различных участках схемы и скопируйте их.
3.3.6 Проверьте спектральный состав синтезированного сигнала и убедитесь в том, что он состоит только из трех синусоид с установленными для синтеза параметрами. Записать полученные результаты и скопировать спектральную кривую.
3.3.7 Соберите схему с десятью источниками сигналов, приведенную на рисунке 3.3, и установите параметры системы и ее элементов, представленные в таблице 3.2.
Таблица 3.2
|
|
Элементы |
Параметры |
Значения |
|
|
System Time |
|
|
|
|
|
Sample Rate, Hz Гц |
2000 |
|
|
|
No. of Samples |
4096 |
|
0 |
Source\Periodic\Sinusoid |
|
|
|
|
|
Amplitude, V |
2 |
|
|
|
Frequency, Hz |
1 |
|
|
|
Phase, deg |
0 |
Таблица 3.2 (продолжение)
|
|
Элементы |
Параметры |
Значения |
|
1 |
Source\Periodic\Sinusoid |
|
|
|
|
|
Amplitude, V |
1 |
|
|
|
Frequency, Hz |
2 |
|
|
|
Phase, deg |
180 |
|
2 |
Source\Periodic\Sinusoid |
|
|
|
|
|
Amplitude, V |
2/3 |
|
|
|
Frequency, Hz |
3 |
|
|
|
Phase, deg |
0 |
|
3 |
Source\Periodic\Sinusoid |
|
|
|
|
|
Amplitude, V |
1/2 |
|
|
|
Frequency, Hz |
4 |
|
|
|
Phase, deg |
180 |
|
4 |
Source\Periodic\Sinusoid |
|
|
|
|
|
Amplitude, V |
2/5 |
|
|
|
Frequency, Hz |
5 |
|
|
|
Phase, deg |
0 |
|
5 |
Source\Periodic\Sinusoid |
|
|
|
|
|
Amplitude, V |
1/3 |
|
|
|
Frequency, Hz |
6 |
|
|
|
Phase, deg |
180 |
|
6 |
Source\Periodic\Sinusoid |
|
|
|
|
|
Amplitude, V |
2/7 |
|
|
|
Frequency, Hz |
7 |
|
|
|
Phase, deg |
0 |
|
7 |
Source\Periodic\Sinusoid |
|
|
|
|
|
Amplitude, V |
1/4 |
|
|
|
Frequency, Hz |
8 |
|
|
|
Phase, deg |
180 |
|
8 |
Source\Periodic\Sinusoid |
|
|
|
|
|
Amplitude, V |
2/9 |
|
|
|
Frequency, Hz |
9 |
|
|
|
Phase, deg |
0 |
|
9 |
Source\Periodic\Sinusoid |
|
|
|
|
|
Amplitude, V |
1/5 |
|
|
|
Frequency, Hz |
10 |
|
|
|
Phase, deg |
180 |
|
10 |
Adder |
|
|
|
11-13 |
Sink\Graphic\SystemView |
|
|
Рисунок 3.3
3.3.8
Запустите процесс моделирования, а затем в окне анализа 
проверьте
выходные сигналы на различных участках схемы и скопируйте их.
3.3.9 Проверьте спектральный состав синтезированного сигнала и убедитесь в том, что он состоит только из десяти синусоид с установленными для синтеза параметрами. Записать полученные результаты и скопировать спектральную кривую.
3.3.10 Соберите схему (см. рисунок 3.4) с источником пилообразных сигналов (Amplitude – 3/2 V, Frequency – 3 Hz, Phase – 0 deg) и установите параметры системы (Sample Rate – 2000 Hz, No. of Samples – 2048).
3.3.11
Запустите процесс моделирования, а затем в окне анализа проверьте
выходной сигнал схемы и скопируйте его.
3.3.12 Проверьте спектральный состав сигнала и убедитесь в том, что он состоит из большого множества синусоид. Скопировать спектральную кривую.
Рисунок 3.4
3.4 Контрольные вопросы
1. Объясните процесс спектрального анализа сигналов.
2. Как определяется спектральный состав сигналов?
3. Как определяются параметры спектральных составляющих сигналов?
4. Объясните характер спектра сигнала пилообразной формы.
5. Объясните характер спектров сигналов, выражаемых четными функциями.
6. Объясните характер спектров сигналов, выражаемых нечетными функциями.
7. Объясните характер спектров прямоугольных сигналов, симметричных относительно начала координат.
8. Объясните характер спектров прямоугольных сигналов, антисимметричных относительно начала координат.
4 Лабораторная работа. Синтез генератора треугольных сигналов
Цель работы:
- изучение принципов синтезирования сигнала сложной формы посредством сложения сигналов более простых форм;
- освоение методов определения спектрального состава сложного сигнала;
- углубленное изучение программной среды SystemView.
4.1 Оборудование рабочего места:
- компьютер;
- пакет программ SystemView.
4.2 Практические сведения и методические рекомендации
В литературе по курсу “Теория информации” (или курса “Теория передачи сигналов”) при изложении теоретического материала, наряду с синусоидальными сигналами и прямоугольными импульсами, достаточно часто ссылаются на характер сигналов треугольной формы (например, в качестве примера четной функции или в качестве примера сигнала неразрывной структуры).
В составе программной среды SystemView нет генератора треугольных сигналов. Поэтому в данной работе исследуется возможность синтеза треугольных сигналов на основе сигналов пилообразной формы.
4.3 Рабочее задание
4.3.1 Соберите схему для формирования первого полупериода сигналов треугольной формы (см. рисунок 4.1) и установите параметры системы и ее элементов, представленные в таблице 4.1.
Рисунок 4.1
Таблица 4.1
|
|
Элементы |
Параметры |
Значения |
|
|
System Time |
|
|
|
|
|
Sample Rate, Hz Гц |
64e+3 |
|
|
|
No. of Samples |
32768 = 25 |
|
0 |
Source\Periodic\Sawtooth |
|
|
|
|
|
Amplitude, V |
5 |
|
|
|
Frequency, Hz |
10 |
|
|
|
Offset, V |
0 |
|
|
|
Phase, deg |
0 |
|
1 |
Source\Periodic\Pulse Train |
|
|
|
|
|
Amplitude, V |
1 |
|
|
|
Frequency, Hz |
5 |
|
|
|
Square Wave |
|
|
|
|
Offset, V |
0 |
|
|
|
Phase, deg |
0 |
|
2 |
Multiplier |
|
|
|
3-5 |
Sink\Graphic\SystemView |
|
|
4.3.2 Запустите процесс моделирования, а затем в окне анализа пронаблюдайте сигналы на различных участках схемы и скопируйте их для отчета.
4.3.3 Сопоставляя параметры сигналов пилообразной и прямоугольной форм, использованных в схеме, и проведя сравнительный анализ этих сигналов, объясните форму сформированного выходного сигнала.
4.3.4 Соберите схему для формирования второго полупериода сигналов треугольной формы (см. рисунок 4.2) и установите параметры системы и ее элементов, представленные в таблице 4.2.
Рисунок 4.2
Таблица 4.2
|
|
Элементы |
Параметры |
Значения |
|
|
System Time |
|
|
|
|
|
Sample Rate, Hz |
64e+3 |
|
|
|
No. of Samples |
32768 = 25 |
|
6 |
Source\Periodic\Sawtooth |
|
|
|
|
|
Amplitude, V |
5 |
|
|
|
Frequency, Hz |
10 |
|
|
|
Offset, V |
-5 |
|
|
|
Phase, deg |
0 |
|
7 |
Operator/Gain(Scale)/Negate |
|
|
|
8 |
Source\Periodic\Pulse Train |
|
|
|
|
|
Amplitude, V |
1 |
|
|
|
Frequency, Hz |
5 |
|
|
|
Square Wave |
|
|
|
|
Offset, V |
0 |
|
|
|
Phase, deg |
180 |
|
9 |
Multiplier |
|
|
|
10-13 |
Sink\Graphic\SystemView |
|
|
4.3.5 Запустите процесс моделирования, а затем в окне анализа пронаблюдайте сигналы на различных участках схемы и скопируйте их для отчета.
4.3.6 Сопоставляя параметры сигналов пилообразной и прямоугольной форм, использованных в схеме, и проведя сравнительный анализ этих сигналов, объясните форму сформированного выходного сигнала.
4.3.7 Объедините две предыдущие схемы с помощью сумматора Adder (см. рисунок 4.3) и установите параметры системы (Sample Rate – 64e+3 Hz, No. of Samples – 131072 = 27).
Рисунок 4.3
4.3.8 Запустите процесс моделирования, а затем в окне анализа пронаблюдайте сигналы на различных участках схемы и скопируйте их для отчета.
4.3.9 Сопоставляя параметры сигналов пилообразной и прямоугольной форм, использованных в схеме, и проведя сравнительный анализ этих сигналов, объясните форму сформированного выходного сигнала. Запишите параметры синтезированного сигнала.
4.3.10 Выполнить спектральный анализ входного (на выходе генератора пилообразных сигналов) и выходного (синтезированного) сигналов схемы и сравните их между собой. Скопировать участки соответствующих спектральных кривых выше уровня Power = 0 dBm. Объясните причину их различия.
4.4 Контрольные вопросы
1. Объясните понятие спектрального анализа сигналов.
2. Объясните характер спектров сигналов, выражаемых нечетными функциями.
3. Объясните характер спектров сигналов, выражаемых четными функциями.
4. Как определяется спектральный состав сигналов?
5. Как определяются параметры спектральных составляющих сигналов?
6. Объясните характер спектра сигнала пилообразной формы.
7. Объясните характер спектров треугольных сигналов.
8. Объясните принцип синтеза синтеза треугольных сигналов на основе сигналов пилообразной формы.
5 Лабораторная работа. Арифметические операции в двоичном коде
Цель работы:
- освоение порядка формирования дополнительных кодов;
- изучение порядка выполнения арифметических операций в двоичном коде.
5.1 Оборудование рабочего места и файл:
- компьютер;
- программная среда Electronics Workbench Professional;
- файл Addition and Subtraction.ewb.
5.2 Практические сведения и методические рекомендации
Выполнение арифметических операции (суммирования и вычитания) в цифровых системах осуществляются в дополнительном коде. При этом самый старший разряд кода выделяется для знака числа (0 – положительный, 1 – отрицательный), а остальные разряды кода – для значения кода. Дополнительный код положительного числа совпадает с его прямым кодом, а дополнительный код отрицательного числа получают путем инвертирования значений разрядов прямого кода соответствующего положительного числа и добавления к нему единицы.
Выполнение работы осуществляется посредством изучения работы модели суммирующе-вычитающего устройства. Переключение регистров для ввода операндов осуществляется клавишей R, а выбор выполняемой операции клавишей S (Sub/Add): S = 0 – суммирование, S = 1 – вычитание.
5.3 Рабочее задание
5.3.1 Открыть программу EWB5PRO и выбрать файл Addition and Subtraction.ewb. Раскрывая подсхемы основных блоков системы (см. рисунок 5.1) и их внутренних компонентов, ознакомиться с их структурой и принципами функционирования.
5.3.2
Активизировать программу EWB5PRO
кнопкой 
и загрузить в
регистры два числа с помощью клавиш 0 – F (шестнадцатеричные
значения). В зависимости от состояния клавиши S на выходных индикаторах отображается
сумма или разность этих чисел.
Рисунок 5.1
5.4 Контрольные вопросы
1. Как определяется знак числа в его дополнительном коде?
2. Как определить дополнительные коды положительных и отрицательных чисел?
3. Какие числа можно представить в восьмиразрядном дополнительном коде?
4. Представьте восьмиразрядный дополнительный код числа 152.
5. Представьте восьмиразрядный дополнительный код числа –152.
6. Какие числа можно представить в 16-разрядном дополнительном коде?
7. Представьте 16-разрядный дополнительный код числа 1500.
8. Представьте восьмиразрядный дополнительный код числа –1500.
6 Лабораторная работа. Коды Хемминга
Цель работы:
- знакомство со структурой кодов Хемминга;
- изучение корректирующих свойств кодов Хемминга.
6.1 Оборудование рабочего места и файл:
- компьютер;
- программная среда Electronics Workbench Professional;
- файл Hamming's Code.ewb.
6.2 Практические сведения и методические рекомендации
Код Хэмминга является совершенным кодом, т.е. исправляет все ошибки первой кратности и обнаруживает двойные ошибки.
При формировании кодов Хэмминга значения контрольных битов записываются в позиции с номером 2i, где i – номера разрядов кода.
Кодирующее устройство для кода Хэмминга работает следующим образом: информационная комбинация поступает во входной регистр, после заполнения которого параллельно считывается в выходной регистр с одновременным формированием проверочных элементов с помощью сумматоров по модулю 2. Сформированная таким образом кодовая комбинация считывается с регистра.
Декодирующее устройство для кода Хэмминга в режиме исправления ошибок работает следующим образом: принятая комбинация поступает в приемный регистр, затем параллельно считывается в вычислитель синдрома, представляющий собой совокупность сумматоров по модулю 2. Сформированный синдром поступает в дешифратор. Если синдром ненулевой, то на соответствующем выходе дешифратора появляется 1, которая заносится в соответствующий разряд регистра исправления. Затем осуществляется одновременное считывание информации с приемного регистра и регистра исправления с поразрядным суммированием по модулю 2. В результате с выхода снимается комбинация, записанная в приемный регистр, с инвертированным элементом на позиции искаженного символа.
Декодер кода Хэмминга в режиме обнаружения ошибок работает следующим образом: принятая комбинация записывается в приемный регистр, после заполнения которого считывается в вычислитель синдрома. Если комбинация искажена, то ей будет соответствовать нулевой синдром, а на выходе формируется сигнал “Ошибка”.
6.3 Рабочее задание
6.3.1 Открыть программу EWB5PRO и выбрать файл Hamming's Code.ewb. Раскрывая подсхемы основных блоков системы (см. рисунок 6.1) и их внутренних компонентов, ознакомиться с их структурой и принципами функционирования.
Рисунок 6.1
6.3.2
Активизировать программу EWB5PRO
кнопкой 
и загрузить во
входной регистр число с помощью клавиш 0 – F
(шестнадцатеричные значения).
6.3.3 Нажать клавишу T (Transfer) для формирования соответствующего кода Хемминга и его передачи.
6.3.4 Значение синдрома в случае одиночной ошибки указывает на номер соответствующего разряда полученного кода, что можно проверить по показаниям индикаторов.
6.3.5 В случае двойной ошибки высвечивается индикатор ARQ (Automatic Repeat Request – автоматический запрос на повторную пересылку).
6.4 Контрольные вопросы
1. Как формируется код Хемминга для четырехразрядного двоичного числа?
2. Как определяются значения контрольных битов в коде Хемминга для четырехразрядного двоичного числа?
3. Как определяется одиночная ошибка при передаче четырехразрядного двоичного числа в коде Хемминга?
4. Как исправляется одиночная ошибка при передаче четырехразрядного двоичного числа в коде Хемминга?
5. Как обнаруживается двойная ошибка при передаче четырехразрядного двоичного числа в коде Хемминга?
6. Как формируется код Хемминга для восьмиразрядного двоичного числа?
7. Как определяются значения контрольных битов в коде Хемминга для восьмиразрядного двоичного числа?
8. Сколько разрядов содержит код Хемминга для восьмиразрядного двоичного числа?
7 Лабораторная работа. Коды Грея
Цель работы:
- знакомство со структурой кодов Грея;
- изучение свойств кодов Грея.
7.1 Оборудование рабочего места и файл:
- компьютер;
- программная среда Electronics Workbench Professional;
- файл Gray's Code.ewb.
7.2 Практические сведения и методические рекомендации
Код Грея — система счисления, в которой два соседних значения различаются только в одном разряде. Код Грея изначально предназначался для защиты от ложного срабатывания электромеханических переключателей. Сегодня коды Грея широко используются для упрощения выявления и исправления ошибок в системах связи, а также в формировании сигналов обратной связи в системах управления.
Использование кодов Грея основано прежде всего на том, что он минимизирует эффект ошибок при преобразовании аналоговых сигналов в цифровые (например, во многих видах датчиков).
Коды Грея легко получаются из двоичных чисел путём побитовой операции «Исключающее ИЛИ» с тем же числом, сдвинутым вправо на один бит. Следовательно, i-й бит кода Грея Gi выражается через биты двоичного кода Bi следующим образом:
где 
– операция «исключающее
ИЛИ»; биты нумеруются справа налево, начиная с младшего.
Обратный алгоритм – преобразование кода Грея в двоичный код – можно выразить рекуррентной формулой
причём преобразование осуществляется
побитно, начиная со старших разрядов, и значение 
, используемое в формуле,
вычисляется на предыдущем шаге алгоритма. Действительно, если подставить в эту
формулу вышеприведённое выражение для i-го бита кода Грея, получим
7.3 Рабочее задание
7.3.1 Открыть программу EWB5PRO и выбрать файл Gray's Code.ewb. Раскрывая подсхемы основных блоков системы (см. рисунок 7.1) и их внутренних компонентов, ознакомиться с их структурой и принципами функционирования.
Рисунок 7.1
7.3.2
Активизировать программу EWB5PRO
кнопкой 
и загрузить
во входные регистры восьмиразрядное число с помощью клавиш 0 – F (шестнадцатеричные значения).
7.3.3 Формирование соответствующего кода Грея осуществляется нажатием клавиши G (Gray), а обратного кода – нажатием клавиши R (Reverse).
7.4 Контрольные вопросы
1. В чем состоит преимущество кода Грея по сравнению с позиционным кодом?
2. Как формируется код Грея для четырехразрядного двоичного числа?
3. Как формируется код Грея для восьмиразрядного двоичного числа?
4. В каких случаях применяется код Грея?
5. Можно ли выполнять арифметические операции в коде Грея?
6. Как осуществляется преобразование кода Грея в позиционный двоичный код?
7. Напишите числа 0-15 в коде Грея.
8. Напишите числа 16-31 в коде Грея.
8 Лабораторная работа. Последовательная передача информации
Цель работы:
- освоение принципов организации последовательной передачи информации.
8.1 Оборудование рабочего места и файл:
- компьютер;
- программная среда Electronics Workbench Professional;
- файл Serial Transfer.ewb.
8.2 Практические сведения и методические рекомендации
При увеличении расстояний, на которые передаются данные, параллельные связи становятся неприемлемо сложными и дорогими. В этом случае применяют преобразование параллельных данных в последовательные для их передачи по одной сигнальной линии. Кроме того, многие внешние устройства оперируют с последовательными кодами и для взаимодействия с процессором нуждаются в преобразовании данных из параллельной формы в последовательную и наоборот. Последовательные передачи используются также при применении обычных телефонных сетей для связи удаленных объектов, что широко распространено в практике.
При асинхронных передачах посылка (кадр), т. е. группа битов, отображающих символ, имеет следующий формат: начало посылки отмечается нулевым старт-битом, за ним следуют 5...8 информационных (младшим разрядом вперед), затем идет необязательный бит контроля по модулю 2 (бит четности/нечетности) и заканчивается посылка единичным стоп-битом.
8.3 Рабочее задание
8.3.1 Открыть программу EWB5PRO и выбрать файл Serial Transfer.ewb. Раскрывая подсхемы основных блоков системы (см. рисунок 8.1) и их внутренних компонентов, ознакомиться с их структурой и принципами функционирования.
Рисунок 8.1
8.3.2
Активизировать программу EWB5PRO
кнопкой 
и загрузить
во входные регистры восьмиразрядное число с помощью клавиш 0 – F (шестнадцатеричные значения).
8.3.3 Формирование соответствующего кода для последовательной передачи осуществляется нажатием клавиши T (Transfer).
8.3.4 Наличие ошибки в полученном коде отображается соответствуюшим индикатором и сигналом запроса повторной передачи ARQ (Automatic Repeat Request – автоматический запрос на повторную пересылку).
8.4 Контрольные вопросы
1. В каких случаях используется последовательная передача информации?
2. Объясните формат формируемого кода для последовательной передачи.
3. Объясните принципы работы исследуемого устройства.
4. Как осуществляется проверка правильности приема информации при последовательной передаче?
5. Как осуществляется проверка на четность принятой информации при последовательной передаче?
6. Как осуществляется правильность приема информации при последовательной передаче и при отключении проверки на четность?
7. Как в исследуемой схеме моделируется помеха?
8. Какие действия выполняются при обнаружении ошибки в принятой информации?
1. Душин В.К. Теоретические основы информационных процессов и систем. – М.: Дашков и Ко, 2003.
2. Духин А.А. Теория информации. – М.: Гелиос АРВ, 2007.
3. Морелос-Сарагоса. Искусство помехоустойчивого кодирования. – М.: Техносфера, 2005.
4. Уэйкерли Дж. Ф. Проектирование цифровых устройств: Пер. с. англ. – М.: Постмаркет, 2002.
5. Хамахер К. И др. Организация ЭВМ. Пер. с. англ. – СПб.: Питер, 2003.
6. Сугано Т. Дж., Уидмер Н. С. Цифровые системы. Теория и практика: Пер. с англ. – М.: Издательский дом “Вильямс”, 2004.
Содержание
1 Лабораторная работа. Организация работы в SystemView 4
2 Лабораторная работа. Квантование и дискретизация 10
3 Лабораторная работа. Спектральный анализ 15
4 Лабораторная работа. Синтез генератора треугольных сигналов 20
5 Лабораторная работа. Арифметические операции в двоичном коде 24
6 Лабораторная работа. Коды Хемминга 26
7 Лабораторная работа. Коды Грея 28
8 Лабораторная работа. Последовательная передача информации 30
Сводный план 2013 г., поз. 209
Орынгали
Толегенович Шанаев,
Айнур Таурбекова
ТЕОРИЯ ИНФОРМАЦИИ
Методические указания к выполнению
лабораторных работ для студентов специальности
5В070400 – Вычислительная техника и программное обеспечение
Редактор Л.Т. Сластихина
Специалист по стандартизации Н.К. Молдабекова
Подписано в печать
Формат 60х84/16
Тираж 100 экз.
Бумага типографская № 1
Объем 2,1 уч. изд. л.
Заказ Цена 210 тн.
Копировально-множительное
бюро
Некоммерческого
акционерного общества
“Алматинский университет
энергетики и связи”
050013, Алматы, ул.
Байтурсынова, 126