Критерії оцінки якості каналу передачі інформації

Одна з перших розробку таких критеріїв початку наука акустика. Вона пропонує досить велика кількість критеріїв. До найбільш часто вживаним відносять: частотний діапазон, динамічний діапазон, співвідношення сигнал-шум.

Частотний діапазон - інтервал частот, описується нижньої і верхньої кордоном. Одиниця виміру герц (Гц) позначає одне коливання в секунду.

Динамічним діапазоном каналу передачі називають різницю між максимально допустимим і мінімально помітним рівнем вхідного або вихідного сигналу системи. Кількісно динамічний діапазон виражають у вигляді десяткового логарифма відносини максимального значення середньої потужності звуку до середньої потужності найбільш слабких звуків; одиниця виміру - бел (Б).

Для зручності використовується величина в 10 (деци) разів більша (децибел -дБ). Для якісної передачі звуку система повинна мати максимально широкий динамічний діапазон, який зазвичай обмежується знизу - рівнем шумів і зверху - рівнем допустимих спотворень.

Співвідношення сигнал / шум -десятічний логарифм відношення потужності звуку корисного сигналу до потужності звуку перешкоди; одиниця виміру - децибел.

Децибел - це одиниця виміру відносини двох величин. Наприклад, якщо величини двох потужностей відрізняються в два рази, то їхнє ставлення складе 3 дБ, а якщо величини двох напруг відрізняються в два рази, то ставлення складе 6 дБ. Для потужностей 6 дБ буде відповідати відношення величин, рівне 4. десятикратному відношенню потужностей буде відповідати 10 дБ, а десятикратному відношенню напруг - 20 дБ. Для потужностей різниця в 20 дБ буде відповідати відношенню величин в 100 разів.

Критерії оцінки якості передачі аналогової інформації

Вимоги до каналів передачі слуховий інформації визначаються будовою і фізіологічними особливостями людського вуха. Людське вухо складається з барабанної перетинки з прикріплений до неї молоточком, який стукає по наковаленкою, до якої прикріплені нервові закінчення, пов'язані з головним мозком. Коливання повітряного стовпа захоплюють за собою барабанну перетинку і разом з нею молоточок, який передає ці коливання через наковаленкою по нервових закінченнях в мозок. Вся ця механічна система (перетинка → молоточок → наковаленкою) володіє діапазоном частот, які може пропускати через себе без спотворення, порогом чутності (порогом виявлення сигналу) і можливістю розпізнавання сигналу на тлі перешкод.

З віком гострота слуху, насамперед здатність вловлювати високі тони, сильно слабшає. Сприйняття високочастотних коливань вимагає дуже тонких властивостей чутливих волоскових клітин внутрішнього вуха, пов'язаних з ними нейронів і інших частин слухового аналізатора, і ця здатність з роками втрачається. Слух в низькочастотному діапазоні набагато стійкіше. За однією з формул, використовуваних геронтологами, частотний поріг сприйняття звуку (тобто найвищий чутний тон) у міру дорослішання зменшується на 166 Гц на рік:

Поріг сприйняття (Гц) = 20800 - 166 (Гц / рік) × Вік (років).

З цієї формули випливає, що до 40 років середньостатистична людина вже не чує звуки частотою вище 14-15 кГц, а до 60 років ця цифра падає до 11 кГц.

Для середньостатистичної людини частотний діапазон становить: 16-20 000 Гц - відтворення музики, 300-3400 Гц - розмова по телефону; динамічний діапазон: для прослуховування телефонної мови - 43 дБ, прослуховування оркестру - 56 дБ. Значення цього критерію для звуку, утвореного ревом моторів винищувача або рок-групою на концерті, становить близько 120 дБ, при тому що при значенні критерію в 100 дБ відбувається розрив барабанної перетинки. Співвідношення сигнал / шум: при телефонному зв'язку - не менше ніж 34 дБ, музичній передачі - до 45 (47) дБ.

Важливою особливістю, яку необхідно враховувати при передачі зорової інформації по одномерному каналу зв'язку, є її двовимірна [див. формулу (4.2)]. У зв'язку з цим для передачі необхідно перетворити двомірне зображення до одновимірного сигналу [див. формулу (4.1)]. Вчені досить довго шукали найкращий спосіб такого перетворення, поки не зупинилися на растровому перетворенні.

Всі зображення розбивається на рядки таким чином, щоб початок наступного рядка прикріплялося до кінця попередньої. Місце стику метится. Отриманий таким чином одновимірний сигнал направляється в канал передачі. Потім на приймальному кінці каналу сигнал розбирається на рядки і формується двовимірне зображення.

Найпростішим пристроєм, що реалізує такий алгоритм, є фототелеграфний апарат (рис. 4.6). Фототелеграф працює таким чином. Початкове зображення кріпиться на барабан,

Ілюстрація принципу роботи фототелеграфним апарату

Рис. 4.6. Ілюстрація принципу роботи фототелеграфним апарату

який обертається з постійною швидкістю V 1. Промінь світла із заданою апертурою (площею плями), сформованої світлодіодом і коллиматором [1], падає на зображення, потім, відбиваючись від нього, надходить на фотоелемент, де і перетвориться в електричний сигнал, інтенсивність якого пропорційна освітленості зображення. Каретка з фотоелементом і світлодіодом переміщається з постійною швидкістю V1 і послідовно проходить всі крапки зображення.

Електричний сигнал направляється в канал передачі і потім на світлодіод, який формує та направляє на фотопапір світловий потік. Яскравість потоку пропорційна яскравості зображення. Після прояви фотопаперу виходить фотографія зображення, прикріпленого до барабану передавальної сторони.

Даний прилад буде працювати при виконанні двох умов:

  • 1) синхронності - швидкості обертання барабанів і переміщення кареток на обох кінцях каналу будуть рівні, тобто V1 = V2, ω1 = ω2.
  • 2) синфазности - початкове положення променя на приймальному і передавальному кінцях збігаються в однакові моменти часу (х1 = х 2).

Ілюстрація розрахунку частотного діапазону каналу при передачі зображення

Рис. 4.7. Ілюстрація розрахунку частотного діапазону каналу при передачі зображення

Для визначення вимог до характеристик каналу передачі інформації проведемо наступний розрахунок (рис. 4.7).

Приклад

Визначити частотний діапазон каналу зв'язку при передачі за 3 хв за допомогою фототелеграфу зображення формату А4. Час передачі зображення Т = 180 с. Розмір листа А4 = 210 × 300 мм. Апаратура [2] променя, що зчитує зображення, 0,25 × 0,25 мм (чотири лінії на 1 мм).

Розв'язання

  • 1. Визначимо число точок, складових все зображення:
    • • максимум: 210 мм × 300 ММХ 16 точок = 1008000;
    • • мінімум: 300 мм × 4 точок = 1200.
  • 2. Обчислимо верхню і нижню межі частотного діапазону, Гц:
    • • 1008000 точок: 180 с: 2 = 2800;
    • • 1200 точок: 180 с = 6,7.

Статичні зображення становлять малу частину всієї інформації, яка сприймається людиною від навколишнього його світу. Більшу її частину займають динамічні зображення. Запис і зберігання динамічних зображень здійснюється виходячи з особливостей їх сприйняття людським оком. Людське око (мозок) сприймає рухомі зображення як безперервні, якщо швидкість їх показу не менше 24 кадрів в секунду. Найбільш поширеним стандартом представлення зображення для передачі його по каналу є телевізійний стандарт. Він встановлює наступні вимоги: форма зображення задається співвідношенням сторін як 4: 3; зображення розкладається на 625 рядків; кордону яскравості встановлюються при зміні її в два рази; частота зміни кадру встановлена на рівні 25 кадрів / с.

Для визначення вимог до характеристик каналу передачі динамічної інформації проведемо наступний розрахунок (рис. 4.8).

Приклад

Визначити частотний діапазон каналу зв'язку при передачі телевізійного зображення в режимі реального часу. Швидкість передачі зображення 25 напівкадрів в секунду (спочатку передаються парні рядки, потім непарні). Розмір одного повного кадру 625 рядків при співвідношенні сторін 4: 3.

Розв'язання

  • 1. Визначимо число точок, складових один повний кадр:
  • 625 × 625 × 4/3 = 520833 точок ~ 520000.
  • 2. Розрахуємо межі частотного діапазону для повного кадру:
    • • верхня, МГц,
  • 520000 точок × 25 кадрів / с = 13000000 Гц = 13;

Ілюстрація алгоритму визначення вимог до характеристик каналу передачі динамічної інформації

Рис. 4.8. Ілюстрація алгоритму визначення вимог до характеристик каналу передачі динамічної інформації

  • • нижня, Гц,
  • 2 кадру × 25 кадрів / с = 50.
  • 3. Обчислимо верхню і нижню межі частотного діапазону для полукадра:
    • • верхня, МГц,
  • 260000 точок × 25 кадрів / с = 6500000 Гц = 6,5;
  • • нижня, Гц,
  • 2 кадру × 25 кадрів / с = 50.
  • 4. Динамічний діапазон визначається числом градацій яскравості. Один рівень градації яскравості при її збільшенні в два рази становить 3 дБ. Людське око розрізняє 7-8 рівнів. Отже, динамічний діапазон телевізійного зображення становить 24-30 дБ.
  • 5. При відтворенні зображення на екрані телевізора перешкоди в каналі проявляються як поява білих крапок, як кажуть фахівці, екран "сніжить". Людське око (мозок) влаштований таким чином, що при нестачі інформації про зображення (розрив контуру зображення або пропажа його частини) він починає його прогнозувати (підлаштовувати), і якщо на екрані з'являються неповні зображення, людське око (мозок) дуже швидко втомлюється. Для компенсації перешкод, що з'являються на екрані телевізора, при передачі в канал від джерела зображення інвертують (негатив), а на приймальній стороні відбувається його відновлення (позитив). У цьому випадку білі крапки, обумовлені перешкодами, стають чорними і не обтяжують очей. Для комфортного сприйняття телевізійного зображення рівень шуму в каналі не повинен перевищувати 40 дБ.

Критерії оцінки якості передачі дискретної інформації. При передачі по аналоговому каналу зв'язку дискретного сигналу (рис. 4.9) у вигляді прямокутних імпульсів ("1" і "0") для точного їх відтворення на приймальній стороні необхідно мати канал з нескінченним діапазоном частот [3]. Тому при обмежених частотних діапазонах здійснюють модулювання дискретного сигналу двома різними частотами.[3]

Частотна модуляція дискретного сигналу

Рис. 4.9. Частотна модуляція дискретного сигналу

Тоді для передачі дискретного сигналу по аналоговому каналу зв'язку необхідно мати согласующие пристрою між каналом передачі і цифровим пристроєм (комп'ютером), які здійснюють Модулювання і ДЕМодулірованіе (МОДЕМ) сигналу (рис. 4.10).

Розглянемо, як змінюється вид критеріїв, які оцінюють якість каналів при передачі дискретного сигналу, на прикладі телеграфного апарату.

Варіант 1. У перших телеграфних апаратах один знак алфавіту кодується за допомогою 5 біт. Пятібітовий код дозволяє кодувати максимальне число символів: Ϊ = 32 знака (26 літери + 6 символів управління роботою апарату). Максимальна швидкість роботи на телеграфному апараті співробітника з кваліфікацією "Майстер" становить 6-7 знаків / с або 30-35 біт / с. Таким чином, критерій "діапазону" трансформується в критерій "Швидкість передачі".

Так як в канал передаються сигнали фіксованого виду, то динамічний діапазон не змінюється (const).

Критерій "Відношення сигнал / шум" трансформується в "Імовірність виникнення помилки". У каналі повинні знаходиться тільки два види сигналів "0" або "1" (сигнал "є" або "ні") (рис. 4.11, а), а насправді в канал передається аналоговий (наприклад, амплітудно-модульований) сигнал ( див. рис. 4.9), тому його розпізнавання відбувається шляхом порівняння з деяким опорним значенням - "порогом спрацьовування". Якщо значення сигналу перевищує цей поріг, то значить в каналі "1", якщо менше, то - "0".

Пристрої каналу зв'язку, що використовуються для передачі дискретного сигналу

Рис. 4.10. Пристрої каналу зв'язку, що використовуються для передачі дискретного сигналу

У природі не існує ідеальних каналів передачі сигналів, в кожному з них обов'язково присутній завада яка спотворює вхідний сигнал (див. Рис. 4.11, а). Внаслідок цього на виході каналу при порівнянні значення сигналу з "порогом спрацьовування" може відбутися помилкове розпізнавання (помилка), замість "0" розпізнається "1" (рис. 4.11, б), або навпаки, замість "1" розпізнається "0" ( рис. 4.11, в). Частота (ймовірність) виникнення помилки залежить від рівня перешкод в каналі. Таким чином, відбувається трансформація критерію "Відношення сигнал / шум" в критерій "Імовірність виникнення помилки".

Вплив перешкоди в каналі на форму дискретного сигналу

Рис. 4.11. Вплив перешкоди в каналі на форму дискретного сигналу:

а - вихідний сигнал; б - спотворений сигнал ("1" замість "0"); в - спотворений сигнал ("0" замість "1")

Таким чином, при передачі дискретного сигналу в аналоговому каналі обрані критерії приймають наступні значення: швидкість передачі інформації становить 6-7 знаків / с або 30-35 біт / с (бод); динамічний діапазон постійний (const); ймовірність виникнення помилки дорівнює 104.

Варіант 2. У більш пізніх телеграфних апаратах один знак алфавіту кодується за допомогою 8 біт. Восьмибитового код дозволяє кодувати максимальне число символів: 28 = 256 знаків.

Для таких телеграфних апаратів при передачі дискретного сигналу в аналоговому каналі обрані критерії приймають наступні значення: швидкість становить 6-7 знаків / с або 48-56 біт / с (бод); динамічний діапазон постійний (const); ймовірність виникнення помилки дорівнює 106.

Будь аналоговий сигнал (аудіо, відео) можна представити в дискретної формі за допомогою аналого-цифрового перетворення. Проілюструвати це зручно наступним чином (рис. 4.12).

Приклад аналого-цифрового перетворення безперервного сигналу

Рис. 4.12. Приклад аналого-цифрового перетворення безперервного сигналу

На одновимірний сигнал (наприклад, музичний) накладається сітка з постійним кроком. По горизонталі це буде фіксований дискрет часу (Δt = const), а по вертикалі - значення (цифра) амплітуди сигналу. Таким чином, послідовність цифр визначатиме послідовне зміна амплітуди сигналу в часі, причому чим менше крок біля сітки, тим точніше буде оцифрований вихідний сигнал, але при цьому зросте і обсяг оцифрованої в одиницю часу інформації. Зворотне цифроаналоговое перетворення дозволяє відновити з цифри вихідний аналоговий сигнал. Прикладом служить запис на CD музики та її відтворення.

Нижче наведена трансформація критеріїв оцінки каналу передачі інформації.

Безперервний сигнал Дискретний сигнал

Частотний діапазон (Гц) → Швидкість передачі (біт / с)

Динамічний діапазон (дБ) → Динамічний діапазон (const)

Відношення сигнал / шум (дБ) → Імовірність виникнення помилки

Для проведення порівняльного аналізу критеріїв першого типу, що описують різні види сигналів (безперервні і дискретні), необхідно привести їх до однакових одиницях виміру, для цього зручно користуватися зразковим співвідношенням: 1 Гц ~ 1 біт / с (бод).

  • [1] Коліматор (від "collimo" - спотворення правильного, лат. "Collineo" - направляю по прямій лінії) - оптичний пристрій для отримання пучків паралельних променів.
  • [2] Апаратура (від лат. "Apertura" - отвір) - чинне отвір оптичної системи, яке визначається розмірами лінз або діафрагмами.
  • [3] При розкладанні дискретного сигналу в ряд Фур'є отримуємо суму з нескінченним числом гармонік.
 
< Попер   ЗМІСТ   Наст >