Об’єкти досліджень, інформаційні сигнали та ІВС

Розділ 2. ІНФОРМАЦІЙНІ СИГНАЛИ І ЇХ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДЛЯ ВИМІРЮВАНЬ

В цьому розділі будуть розглянуті основні види інформаційних сигналів, характеристики і параметри яких є основними об’єктами вимірювань. Іншими словами, основними задачами функціонування ІВС є задачі вимірювань характеристик та параметрів інформаційних сигналів і відповідно на основі реалізації методів вимірювань ІВС є визначення результатів і точностних характеристик розв’язку таких задач.

При описі вимірювального експерименту важливо розглянути взаємодію трьох об’єктів процесу вимірювань, а саме об’єкта досліджень, інформаційного сигналу та ІВС. Використаємо для розкриття такого взаємозв’язку схему, яка наведена на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Схема взаємозв’язку трьох об’єктів вимірювального експерименту

При наведенні наступні терміни: «інформаційний сигнал» або «вимірювальний сигнал», або просто «сигнал» надалі будуть використовуватись як терміни-синоніми, а в кожному досліджуваному випадку конкретизуватись і приймати належний зміст.

У підрозділі 1.2 при опису предметних областей використання ІВС було наведено широке коло об’єктів досліджень (емпіричних систем) для різних галузей народного господарства. Ефективність використання ІВС при проведенні вимірювального експерименту визначається в першу чергу механізмом формування інформаційного сигналу, який є носієм необхідної інформації для вимірювань. Іншими словами від інформативності сигналу залежить результат вимірювань. Більш детально зупинимось на варіантах механізму формування інформаційного сигналу при проведенні вимірювального експерименту з використанням ІВС.

На основі результатів аналізу вимірювальних експериментів, які описані в наукових публікаціях []; проведені в рамках науково-дослідних робіт у різних галузях науки і техніки; виконані при метрологічних випробуваннях технічних систем; при дослідження біологічних систем можна обґрунтувати наступні варіанти механізму формування об’єктом дослідження інформаційного сигналу, а більш конкретно – сигналу для вимірювань:

а) об’єкт досліджень самостійно формує (генерує) сигнал для вимірювань, наприклад, двигуни літака створюють шумове віброакустичне поле, як в салоні літака, так і за його межами;

б) об’єкт досліджень перетворює як відповідний лінійний або нелінійний оператор, вхідний сформований сигнал, наприклад, лінійний фільтр змінює частотну характеристику вхідного сигналу;

в) об’єкт досліджень формує (генерує) новий сигнал як відгук на дію вхідного тестового сигналу, наприклад, біофізична система, у більшості випадків як нелінійна система, формує відмінні від вхідних сигнали для вимірювань.

Наведена класифікація механізмів формування об’єктом досліджень сигналів для вимірювань проілюстровано на рис. 2.2 відповідними структурами.

Рис. 2.2. Структури варіантів механізмів формування сигналів для вимірювань

Розглянемо постановку задач вимірювань характеристик сигналів з використання ІВС.

Спочатку наведемо відомі з теорії сигналів і систем постановки трьох задач аналізу перетворень сигналів в системах, а саме задачі:

· пряма;

· обернена;

· ідентифікації або задача «чорного ящика».

Для більш конкретної постановки вказаних задач аналізу перетворень сигналів в системах використаємо наступну ілюстраційну структуру, яка наведена на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Схема перетворень сигналів в системі

На рис. 2.3 використані наступні позначення:

· – вхідний сигнал (дія);

· – вихідний сигнал (відгук);

· – оператор, який описує систему перетворення сигналу.

Відомо, що в якості оператора використовуються лінійні і нелінійні оператори, які відповідно характеризують досліджувану систему і задаються у більшості випадків диференційними або інтегральними операторами. Так, наприклад, лінійна система з постійними у часі параметрами і імпульсною перехідною функцією описується лінійним оператором

,

а відгук такої системи описується наступним виразом

.

Тепер сформулюємо більш розгорнуто постановку вказаних задач аналізу перетворення сигналів.

Пряма задача: задано і , необхідно визначити .

Обернена задача: задано і , необхідно визначити .

Задача ідентифікації: задано і , необхідно визначити .

Якщо використовувати загальний підхід теорії сигналів і систем, то задачу вимірювань при проведенні вимірювального експерименту з використанням ІВС можна віднести до оберненої задачі. Це твердження ґрунтується на тому, що на виході ІВС (рис. 2.1) визначаються характеристики відгуку дії інформаційного сигналу, оператор перетворення ІВС інформаційного сигналу (рис. 2.3) є відомим з відповідними метрологічно перевіреними характеристиками, а необхідно визначити характеристики сигналу, який є носієм інформації для вимірювань.

Але в множину задач вимірювань входять не тільки обернені задачі, а й широке коло інших задач, з урахуванням механізмів формування сигналів для вимірювань (рис. 2.2).

Так, наприклад, до такої множини задач входять задачі ідентифікації, задачі вимірювань характеристик сигналів при дії завад, задачі контролю характеристик сигналів функціонування технічних систем, задачі діагностики стану людини та інші.

Конкретна постановка задач вимірювань і метод її розв’язку будуть наведені в подальших розділах підручника.

Зупинимось більш детально на класифікації інформаційних сигналів.