Средства передачи и обработки информации

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
Москва  2019

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. Вознесенский. – 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, 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.
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
3

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
4

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
5

ПРЕДИСЛОВИЕ
Среди 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 во все сферы человеческой деятельности, ускорили прогресс во многих областях науки и техники, 
изменили стиль нашей жизни и образ мышления. Сегодня невозможно представить себе ни одну из областей науки и техники, 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. Важно также представлять роль передачи и 
обработки данных в процессе измерения.
Учебник 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. Материал может быть использован 
независимо от конкретной области и при решении других задач.
6

1. КРАТКАЯ ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ СРЕДСТВ 
ПЕРЕДАЧИ И ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ
Современные информационные технологии, т. е. технологии передачи и обработки информации – это область науки и техники, которой 
раньше не было. В своем сегодняшнем виде она создана человеческим разумом совсем недавно, буквально в последние десятилетия, и 
полностью изменила нашу жизнь и образ мышления.
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 
1828 г. первый действующий однострелочный, а в 1832 г. первый шестистрелочный 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 нынешних линий связи. К сожалению, его смерть в 1837 г. не позволила реализовать 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 Сте7

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 Беббиджа, который приблизительно в 1822 г. создал действующую модель 
машины, которая позволяла вычислять с точностью до 8 знаков значения полиномов второй степени. В 1896 г. 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 г. в США завершено создание первой электронной вычислительной 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 вычислительную машину, производящую баллистические расчеты в 
двоичной системе счисления. Однако этот факт менее известен, если 
учесть время создания машины – 1939–1942 гг., когда шла Вторая мировая война. Первая машина, которая обладала всеми необходимыми 
компонентами современной ЭВМ, т. е. промежуточной внутренней 
8

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 вычислительной техники. Под его руководством впоследствии была создана мощная ЭВМ БЭСМ-6, которая нашла свое продолжение в системе «Эльбрус».
В 1966 г. 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. 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 информации играют локальные и глобальные сети. Десятки лет компьютер 
оставался чрезвычайно дорогим удовольствием. Не всякий университет или научный центр мог похвастаться подобным вычислителем, но 
и не всякий обладатель мог загрузить его на всю мощь. Поэтому возникла идея распределения вычислительных мощностей среди пользователей. Первыми реализовали ее военные. По заданию Пентагона в 
1969 г. 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 
придумали способ обмениваться между собой сообщениями. Известный сейчас как электронная почта, или E-mail, этот способ 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 Интернет. Ему, 
появившемуся в 1980-х, и было суждено уже в начале 1990-х завоевать 
9

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, достаточно дешевые, простые и надежные для массового потребителя. В 
1976 г. создана компания Apple и продан ее первый персональный компьютер (ПК). Индустрия ПК развивалась поразительными темпами, 
особенно после выхода на это рынок в 1981 г. 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 г. одним из подразделений 
компании Xerox PARC. Появились и успешно действуют другие стандарты – 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 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 г. 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.
Постоянно увеличивается количество пользователей сети Интернет. Особенная популярность обусловлена появлением так называемой технологии World Wide Web (WWW).
10