Цифровое моделирование. Размещение отметок вдоль горизонталей с определенным шагом. Нерегулярное размещение высотных отметок в узлах произвольной сети

Цифровое моделирование на современном этапе развивается наиболее динамично. Это связано с интенсивным развитием математического обеспечения, формирующегося в виде пакетов прикладных программ. Использование этих пакетов повышает производительность моделирования и одновременно упрощает его.

Достоинства метода цифрового моделирования:

1. Решается любой класс задач подлежащих математической интерпретации;

2. Высокая точность решения (ограничена только временем решения задачи);

3. Легкость перехода от одной задачи к другой (необходимо лишь перезапустить программу);

4. Возможность исследования объектов высокой размерности.

Недостаток метода цифрового моделирования – конечное время моделирования, которое может не совпадать с реальным временем.

Цифровая вычислительная машина - это комплекс технических устройств, в которых могут протекать процессы, отображающие (моделирующие) действия с числами. Именно действия над числами составляют суть вычислительных операций при численном решении различных математических задач. Моделирование процесса численного решения математической задачи на ЦВМ практически означает автоматическое решение ее с помощью ЦВМ.

Числа могут не только выражать значение постоянных и переменных величин, но и являться символическими условными моделями самых разнообразных других объектов - букв, слов, предметов, явлений и т.д. Это позволяет свести к действиям над числами различные невычислительные задачи, например, определение числа объектов с заданными свойствами. Благодаря этому возможно моделирование на ЦВМ процедуры решения невычислительной задачи, т.е. машинная реализация этого решения.

Процесс функционирования любого материального объекта представляет последовательную смену его состояний во времени, каждое из которых определяют конкретные значения некоторых физических величин. Если объект является непрерывной системой, то эти величины - непрерывные функции непрерывного времени.

Математическое описание объекта составляют различные математические формы выражения количественных соотношений между переменными и постоянными. Это различные функции, уравнения, системы уравнений, условия однозначности их решений, неравенства и другие математические представления.

Если известно математическое описание функционирования объекта-оригинала, согласно этому описанию определен процесс над числами, выражающими значения величин, характеризующих состояние объекта, и этот процесс отображен в ЦВМ, то процесс, реализуемый ЦВМ, является материальной функциональной формальной математической подобной цифровой моделью оригинала.

Дискретная природа функционирования ЦВМ требует, как правило, приведение исходного математического описания оригинала к виду, удобному для цифрового моделирования. Прежде всего необходима дискретизация непрерывных величин. При этом непрерывные функции подвергаются квантованию по уровню и аргументу. В результате непрерывная функция непрерывного аргумента y = f(t) превращается в дискретную функцию дискретного аргумента

T y k y = f (Tk),

где k и k y - числа принимающие значения 0, ± 1, ± 2, ± 3, ... ; T и Ty - кванты переменных t и y.

Квантование по уровню - это замена значения y соответствующим числом определенной разрядности, сопровождающаяся погрешностью округления

D y < T y /2.

Поскольку в современных ЦВМ число разрядов велико 32 и более и погрешность пренебрежимо мала, поэтому практически можно считать, что функционирование ЦВМ описывается решетчатыми функциями вида

y = f (Tk) = f [ k ]

и моделирует их.

Для цифрового моделирование оригинала необходима алгоритмизация математического описания оригинала. Алгоритм - это точно определенное правило выполнения расчетных операций над числами, последовательность которых составляет общий процесс преобразования исходных данных в результат решения соответствующей задачи. Алгоритмизация математического описания заключается в получении соответствующего этому описанию алгоритма. Если, например, функционирование оригинала описывается дифференциальным уравнением, то алгоритмизация заключается в составлении алгоритма численного решения этого уравнения. По существу алгоритмизация математического описания и заключается в приведении его к виду, удобному для цифрового моделирования. Она выполняется на основе выбранного численного метода решения задачи, который позволяет свести решение к арифметическим действиям. При этом часто оказывается полезным применение аппарата решетчатых функций

Алгоритм может быть представлен в трех основных формах: аналитической, словесной и структурной.

Аналитическая форма алгоритма - это выражение его в виде явной функции соответствующих аргументов или в виде рекуррентной формулы. Форма отличается большой компактностью, но возможности применения ее ограничены.

Словесная форма алгоритма - это его описание его на естественном языке, обстоятельная инструкция для лица, решающего задачу вручную на бумаге. Форма является универсальной, но отличается громоздкостью и отсутствием наглядности.

Структурная форма алгоритма - это его описание в виде структурной схемы, состоящей из отдельных блоков, соединенных прямыми линиями. Каждый блок соответствует некоторой операцией над числами. Форма является универсальной, компактной и наглядной. Поэтому она используется наиболее часто.

В целом процесс моделирования на ЦВМ состоит из следующих этапов:

1. Составление исходного алгоритма, т.е. алгоритмизация математического описания оригинала.

2. Составление промежуточного алгоритма на алгоритмическом языке.

3. Получение машинного алгоритма.

4. Отладка программы.

5. Машинная реализация решения задачи.

Первые четыре подготовительных этапа значительно упрощаются благодаря применению типовых алгоритмов и соответствующих им стандартных программ, заранее составленных и многократно используемых для решения таких задач, как вычисление элементарных функций, определение нулей полиномов, перевод чисел из одной системы счисления в другую и др.

Комплекс программных средств, предназначенных для снижения трудоемкости подготовительной работы, повышения эффективности использования машины и облегчения ее эксплуатации, называется математическим обеспечением ЦВМ.

При цифровом моделировании наиболее часто приходится иметь дело с решетчатыми функциями f[k], соответствующими непрерывным функциям непрерывного аргумента. Непрерывная функция, совпадающая с дискретами решетчатой функции, называется огибающей этой решетчатой функции. Каждая непрерывная функция f(t) может служить огибающей различных решетчатых функций f i [k] = f(T i k), отличающихся параметром T i - периодом дискретизации функции f(t). Каждая решетчатая функция может иметь множество различных огибающих.

Различным математическим формам и представлениям, характеризующим или определяющим непрерывную функцию f(t), можно поставить в соответствие аналоги, характеризующие или определяющие решетчатую функцию f(k). Аналогом первой производной функции f(t)

являются первое разностное уравнение функции f[k]

Т.е. совершается переход к численным методам решения.

Итак, окончательно,

* первым этапом является при проектировании является выбор наиболее подходящей математической модели. Этот этап должен обеспечить получение наиболее удачной математической модели и выработке требований к условиям модели;

* вторым этапом процесса проектирования является подготовка математической модели для моделирования. Задача решается приведением к структурной схеме дискретного процесса и приведением системы уравнений к дискретной форме. Этот этап завершается двумя результатами: математическим описанием и структурной схемой всей дискретной системы. Структурная схема полученной дискретной системы должна быть идентична структурной схеме непрерывной системы по потоку информации;

* третьим этапом является написание программы для осуществления математического моделирования. Это решающий этап, содержащий строгое соблюдение временных соотношений в синтезируемой математической модели, как правило наибольшее число проблем возникает при переходе от задач 2го этапа к задачам 3го этапа;

* четвертый этап испытание, проверка и отладка модели, после которого получается законченная модель.

систем дискретизации

и квантования сообщений

Омск 2010

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Омский государственный технический университет»

Цифровое моделирование систем дискретизации

и квантования сообщений

Методические указания к лабораторным

работам для дистанционной формы обучения

Учебно-лабораторный комплекс для цифрового моделирования системы квантования непрерывных сообщений по уровню …………………

Общие положения……………………………………………………………..

Описание пакета……………………………………………………………….

Общие сведения…………………………………………………………….

Функциональное назначение комплекса………………………………….

Порядок установки в среде разработки NetBeans…….………………….

Описание библиотеки классов…………………….………………………

1. Описание интерфейсов……………………….………………………...

   Описание классов………………………….…………………………….

   Блок-схема подключения…………………………..…………………

Цель лабораторной работы.…………………………………………………...

Цель исследования……………………………………………………………..

Порядок выполнения работы………….…………………………………….....

Построение цифровой модели………………………………………………….

Контрольные вопросы для отсчёта по лабораторной работе…………………

Учебно-лабораторный комплекс для цифрового моделирования системы квантования непрерывных сообщений по уровню

1. Общие положения

Моделирование - один из наиболее распространенных способов изучения различных процессов и явлений. Различают физическое и математическое моделирование. При физическом моделировании, модель воспроизводит изучаемый процесс с сохранением его физической природы. Преимущество физического моделирования перед натуральным экспериментом заключается в том, что условия реализации процесса-модели могут значительно отличаться от условий, свойственных процессу-оригиналу, и выбираются исходя из удобства и простоты исследования. Но физическое моделирование имеет ограниченную сферу применения. Заведомо более широкими возможностями обладает математическое моделирование.

Моделирование представляет собой процесс, состоящий из двух, в общем случае неоднократно повторяющихся, этапов:

построение модели аналогичной труднодоступному, для непосредственного исследования, объекту-оригиналу;

исследование (проектирование) объекта-оригинала с помощью построенной модели.

При изучении любого процесса методом математического моделирования необходимо в первую очередь построить его математическую модель. Математическая модель необходима для построения моделирующего алгоритма. Существуют несколько основных способов алгоритма использования математической модели:

аналитическое исследование процессов;

исследование процессов при помощи численных методов;

аппаратурное моделирование (на аналоговых ВМ и специальных моделирующих установках);

моделирование процессов на ЦВМ.

В настоящее время широкое распространение получил метод статистического моделирования, реализуемый на ЦВМ. Этот вид является составной частью математического моделирования.

Цифровое моделирование обладает рядом преимуществ перед другими методами исследования (универсальность, гибкость, экономичность) и позволяет разрешить одну из основных проблем современной науки - проблему сложности.

Учебно-лабораторные комплексы предназначены для изучения и исследования таких информационных систем, которые осуществляют формирование, дискретизацию (квантование), кодирование, передачу, хранение, декодирование и восстановление сообщения. Эти системы состоят из реальных блоков, выполняющих перечисленные преобразования. К ним относятся:

источник (генератор, формирователь) сообщения;

дискретизатор (квантователь, блок квантования);

кодер (шифратор, блок кодирования);

канал связи;

блок памяти (линия задержки);

декодер (дешифратор);

приемник сообщения.

Цифровые модели, имитирующие работу этих блоков, представлены в учебно-лабораторных комплексах в виде отдельных объектных классов или могут быть сформированы из них. Эти комплексы объектных классов предназначены для следующих целей:

для имитации эксперимента с целью получения данных для проектирования этих систем;

для автоматизации расчета параметров, синтеза функций отдельных блоков и системы в целом;

для моделирования, имитации и отображения работы:

системы дискретизации непрерывных сообщений по времени;

системы квантования сообщений по уровню;

системы эффективного кодирования;

системы помехоустойчивого кодирования;

комбинации этих систем.

для построения графиков.

Рассмотрим некоторые особенности исследования работы систем путём их цифрового моделирования. Обычно оно направлено на исследование эффективности функционирования систем. При этом моделируются взаимодействие данной системы с другой системой, называемой внешней средой. Эффективность работы любой системы определяется двумя группами факторов: свойствами и характеристиками внешней среды; функциями и параметрами моделируемой системы. Наиболее эффективна работа (поведение) системы в ситуации, когда свойства и характеристики внешней среды «согласованы» с функциями и параметрами системы. Показатели и критерии эффективности работы системы задаются (определяются) ее разработчиками, так как не могут быть установлены формальными методами.

Исследование эффективности работы в «нормальных условиях» реализуются путём организации наиболее вероятных обычных (штатных ситуаций), определяемых внешней средой, которые предположительно, известны разработчику или исследователю. При этом конкретные ситуации задаются наиболее типичных для внешней среды свойств и характеристик.

Кроме того, проводятся исследования поведения системы в экстремальных условиях и маловероятных ситуациях, которые определяются плохо предсказуемыми для исследователя наборами свойств и характеристик внешней среды (максимальными значениями ее характеристик, такими, например, как запредельное значение тока в электрической цепи, перегрузок, помех большой амплитуды и частоты, физическое разрушение системы или ее компонентов вследствие брака материалов и т.п.).

Ситуация задаваемая внешней средой (штатная или нештатная), моделируется путём фиксации некоторых ее свойств и характеристик. При этом эффективность работы систем исследуется путём вариации ее функций и параметров. Возможно также исследование системы в другом порядке, при котором фиксируются функции и параметры системы и варьируются свойства и параметры внешней среды. Предполагая, что свойства внешней среды и функции исследуемой системы, кроме прочего, представлены наборами измеряемых и управляемых (варьируемых) числовых характеристик и параметров.

На очередной итерации исследования поведения системы обычно всё множество характеристик среды и параметров системы фиксируется. При этом варьируется один из перечисленных компонентов в пределах «правдоподобного» допустимого диапазона. Определяются показатели эффективности работы системы для множества значений варьируемого параметра и заносятся в протокол исследования, обычно оформляемый в виде таблицы. На следующей итерации исследования варьируется другой параметр, а остальные зафиксированы.

Обычно полный перебор параметров и их значений (даже при компьютерном моделировании) не удаётся осуществить из-за временных ограничений. По этому зачастую разработчику или исследователю приходится осуществлять определённым образом упорядоченный и направленный перебор параметров и характеристик. В сочетании с возможностью компьютерного автоматического перебора параметров это позволяет сократить время исследования системы. Кроме того, следует использовать разработанные методы планирования экспериментов.

При цифровом моделировании системы квантования непрерывных сообщений по уровню на лабораторных занятиях свойства внешней среды представлены определенной формой передаваемого сигнала, которая в процессе исследования не изменяется, а также нормально-распределённой (гауссовой) случайной помехой, действующей в канале связи. Числовые характеристики помехи представлены математическим ожиданием и среднеквадратическим отклонением ее амплитуды.

Функцией системы в этой лабораторной работе является квантование непрерывных сообщений по уровню (амплитуде параметра). Параметры квантователя представлены диапазоном значений непрерывного сообщения и числом уровней квантования (или шагом квантования).

способ исследования реальных явлений, процессов, устройств, систем и др., основанный на изучении их математических моделей (См. Математическая модель) (математических описаний) с помощью ЦВМ. Программа, выполняемая ЦВМ, также является своеобразной Моделью исследуемого объекта. При Ц. м. используют специальные проблемно-ориентированные языки моделирования; одним из наиболее широко применяемых в моделировании языков является язык CSMP, разработанный в 60-х гг. в США. Ц. м. отличается наглядностью и характеризуется высокой степенью автоматизации процесса исследования реальных объектов.

• - исследование к.-л. явлений, процессов или систем объектов путём построения и изучения их моделей. М. включает: предварит, анализ исследуемого объекта; построение модели и её изучение...

  Сельско-хозяйственный энциклопедический словарь

• - исследование к.-л. реально существующих предметов и явлений и конструируемых объектов путём построения и изучения их моделей...

  Естествознание. Энциклопедический словарь

• - исследование каких-либо существующих предметов и явлений путем построения и изучения их моделей. На моделях базируются и теоретический и экспериментальный методы познания...

  Начала современного Естествознания

• - исследование каких-либо явлений, процессов или объектов путем построения и изучения их моделей. Одна из основных категорий теории познания. Моделирование реального мира - одна из задач литературы и искусства...

  Терминологический словарь-тезаурус по литературоведению

• - Процесс распознавания последовательности идей и поведении, которая позволяет справиться с задачей. Основа ускоренного обучения. Процесс наблюдения и копирования успешных действий и поведения других людей...

  Словарь нейролингвистического программирования

• - цифрово́е телеви́дение собирательный термин, подразумевающий использование цифровых методов обработки видеоинформации от момента образования видеосигнала на выходе передающего...

  Энциклопедия техники

• - электромеханич...

  Большой энциклопедический политехнический словарь

• - 1...

  Телекоммуникационный словарь

• - кодирование, при котором используется код, состоящий из букв, цифр и других знаков алфавита.См. также: Кодирование  ...

  Финансовый словарь

• - "...Цифровое картографирование: комплекс мероприятий, направленных на создание цифровой картографической продукции..." Источник: " ГОСТ 28441-99. Картография цифровая...

  Официальная терминология

• - "...Цифровое картографическое моделирование: процесс создания и использования цифровых картографических моделей..." Источник: " ГОСТ 28441-99. Картография цифровая...

  Официальная терминология

• - "... картографическое обеспечение: комплекс мероприятий, направленных на создание, хранение цифровой картографической продукции и выдачу ее потребителям..." Источник: " ГОСТ 28441-99. Картография цифровая...

  Официальная терминология

• - ".....

  Официальная терминология

• - устройство для регистрации на бумаге или её заменителе выдаваемой электронной вычислительной машиной информации в виде буквенно-цифрового текста, таблиц, графиков и т. п. Наиболее распространены...
• - средство измерений, в котором значение измеряемой физической величины автоматически представляется в виде числа, индицируемого на цифровом отсчётном устройстве, или в виде совокупности дискретных сигналов...

  Большая Советская энциклопедия

• - система телевидения, в которой передаваемый телевизионный сигнал представляет собой последовательность кодовых комбинаций электрических импульсов...

  Большой энциклопедический словарь

"Цифровое моделирование" в книгах

Цифровое побеждает аналоговое