Критерии оценки качества канала передачи информации, Критерии оценки качества передачи аналоговой информации

Критерии оценки качества канала передачи информации

Одна из первых разработку таких критериев начала наука акустика. Она предлагает достаточно большое число критериев. К наиболее часто применяемым относят: частотный диапазон, динамический диапазон, соотношение сигнал-шум.

Частотный диапазон – интервал частот, описывается нижней и верхней границей. Единица измерения герц (Гц) обозначает одно колебание в секунду.

Динамическим диапазоном канала передачи называют разницу между максимально допустимым и минимально различимым уровнем входного или выходного сигнала системы. Количественно динамический диапазон выражают в виде десятичного логарифма отношения максимального значения средней мощности звука к средней мощности наиболее слабых звуков; единица измерения – бел (Б).

Для удобства используется величина в 10 (деци) раз большая (децибел –дБ). Для качественной передачи звука система должна иметь максимально широкий динамический диапазон, который обычно ограничивается снизу – уровнем шумов и сверху – уровнем допустимых искажений.

Соотношение сигнал/шум –десятичный логарифм отношения мощности звука полезного сигнала к мощности звука помехи; единица измерения – децибел.

Децибел – это единица измерения отношения двух величин. Например, если величины двух мощностей отличаются в два раза, то их отношение составит 3 дБ, а если величины двух напряжений отличаются в два раза, то отношение составит 6 дБ. Для мощностей 6 дБ будет соответствовать отношение величин, равное 4. Десятикратному отношению мощностей будет соответствовать 10 дБ, а десятикратному отношению напряжений – 20 дБ. Для мощностей разница в 20 дБ будет соответствовать отношению величин в 100 раз.

Критерии оценки качества передачи аналоговой информации

Требования к каналам передачи слуховой информации определяются строением и физиологическими особенностями человеческого уха. Человеческое ухо состоит из барабанной перепонки с прикрепленный к ней молоточком, который стучит по наковаленке, к которой прикреплены нервные окончания, связанные с головным мозгом. Колебания воздушного столба увлекают за собой барабанную перепонку и вместе с ней молоточек, который передает эти колебания через наковаленку по нервным окончаниям в мозг. Вся эта механическая система (перепонка → молоточек → наковаленка) обладает диапазоном частот, которые может пропускать через себя без искажения, порогом слышимости (порогом обнаружения сигнала) и возможностью распознавания сигнала на фоне помех.

С возрастом острота слуха, прежде всего способность улавливать высокие тона, сильно ослабевает. Восприятие высокочастотных колебаний требует очень тонких свойств чувствительных волосковых клеток внутреннего уха, связанных с ними нейронов и других частей слухового анализатора, и эта способность с годами утрачивается. Слух в низкочастотном диапазоне гораздо устойчивее. По одной из формул, используемых геронтологами, частотный порог восприятия звука (т.е. самый высокий слышимый тон) по мере взросления уменьшается на 166 Гц в год:

Порог восприятия (Гц) = 20 800 – 166 (Гц/год) × Возраст (лет).

Из этой формулы следует, что к 40 годам среднестатистический человек уже не слышит звуки частотой выше 14–15 кГц, а к 60 годам эта цифра падает до 11 кГц.

Для среднестатистического человека частотный диапазон составляет: 16–20 000 Гц – воспроизведение музыки, 300–3400 Гц – разговор по телефону; динамический диапазон: для прослушивания телефонной речи – 43 дБ, прослушивания оркестра – 56 дБ. Значения этого критерия для звука, образованного ревом моторов истребителя или рок-группой на концерте, составляет около 120 дБ, при том что при значении критерия в 100 дБ происходит разрыв барабанной перепонки. Соотношение сигнал/шум: при телефонной связи – не менее чем 34 дБ, музыкальной передаче – до 45 (47) дБ.

Важной особенностью, которую необходимо учитывать при передаче зрительной информации по одномерному каналу связи, является ее двумерность [см. формулу (4.2)]. В связи с этим для передачи необходимо преобразовать двухмерное изображение к одномерному сигналу [см. формулу (4.1)]. Ученые достаточно долго искали наилучший способ такого преобразования, пока не остановились на растровом преобразовании.

Все изображение разбивается на строки таким образом, чтобы начало следующей строки прикреплялось к концу предыдущей. Место стыка метится. Полученный таким образом одномерный сигнал направляется в канал передачи. Затем на приемном конце канала сигнал разбирается на строки и формируется двумерное изображение.

Простейшим устройством, реализующим такой алгоритм, является фототелеграфный аппарат (рис. 4.6). Фототелеграф работает следующим образом. Исходное изображение крепится на барабан,

Рис. 4.6. Иллюстрация принципа работы фототелеграфного аппарата

который вращается с постоянной скоростью V1. Луч света с заданной апертурой (площадью пятна), сформированной светодиодом и коллиматором^[1], падает на изображение, затем, отражаясь от него, поступает на фотоэлемент, где и преобразуется в электрический сигнал, интенсивность которого пропорциональна освещенности изображения. Каретка с фотоэлементом и светодиодом перемещается с постоянной скоростью V1 и последовательно проходит все точки изображения.

Электрический сигнал направляется в канал передачи и затем на светодиод, который формирует и направляет на фотобумагу световой поток. Яркость потока пропорциональна яркости изображения. После проявления фотобумаги получается фотография изображения, прикрепленного к барабану передающей стороны.

Данный прибор будет работать при выполнении двух условий:

1) синхронности – скорости вращения барабанов и перемещения кареток на обоих концах канала будут равны, т.е. V1=V2, ω1=ω2.

2) синфазности – начальное положение луча на приемном и передающем концах совпадают в одинаковые моменты времени (х1 = х2).

Рис. 4.7. Иллюстрация расчета частотного диапазона канала при передаче изображения

Для определения требований к характеристикам канала передачи информации проведем следующий расчет (рис. 4.7).

Пример

Определить частотный диапазон канала связи при передаче за 3 мин с помощью фототелеграфа изображения формата А4. Время передачи изображения Т = 180 с. Размер листа А4 = 210 × 300 мм. Апертура^[2] луча, считывающего изображение, 0,25 × 0,25 мм (четыре линии на 1 мм).

Решение

1. Определим число точек, составляющих все изображение:

• максимум: 210 мм × 300 ммх 16 точек = 1 008 000;

• минимум: 300 мм × 4 точек = 1200.

2. Вычислим верхнюю и нижнюю границы частотного диапазона, Гц:

• 1 008 000 точек: 180 с: 2 = 2800;

• 1200 точек: 180 с = 6,7.

Статические изображения составляют малую часть всей информации, воспринимаемой человеком от окружающего его мира. Большую ее часть занимают динамические изображения. Запись и хранение динамических изображений осуществляется исходя из особенностей их восприятия человеческим глазом. Человеческий глаз (мозг) воспринимает движущиеся изображения как непрерывные, если скорость их показа не менее 24 кадров в секунду. Наиболее распространенным стандартом представления изображения для передачи его по каналу является телевизионный стандарт. Он устанавливает следующие требования: форма изображения задается соотношением сторон как 4:3; изображение раскладывается на 625 строк; границы яркости устанавливаются при изменении ее в два раза; частота смены кадра установлена на уровне 25 кадров/с.

Для определения требований к характеристикам канала передачи динамической информации проведем следующий расчет (рис. 4.8).

Пример

Определить частотный диапазон канала связи при передаче телевизионного изображения в режиме реального времени. Скорость передачи изображения 25 полукадров в секунду (сначала передаются четные строки, затем нечетные). Размер одного полного кадра 625 строк при соотношении сторон 4:3.

Решение

1. Определим число точек, составляющих один полный кадр:

625 × 625 × 4/3 = 520 833 точек ~ 520 000.

2. Рассчитаем границы частотного диапазона для полного кадра:

• верхняя, МГц,

520 000 точек × 25 кадров/с = 13 000 000 Гц = 13;

Рис. 4.8. Иллюстрация алгоритма определения требований к характеристикам канала передачи динамической информации

• нижняя, Гц,

2 кадра × 25 кадров/с = 50.

3. Вычислим верхнюю и нижнюю границы частотного диапазона для полукадра:

• верхняя, МГц,

260 000 точек × 25 кадров/с = 6 500 000 Гц = 6,5;

• нижняя, Гц,

2 кадра × 25 кадров/с = 50.

4. Динамический диапазон определяется числом градаций яркости. Один уровень градации яркости при ее увеличении в два раза составляет 3 дБ. Человеческий глаз различает 7–8 уровней. Следовательно, динамический диапазон телевизионного изображения составляет 24–30 дБ.

5. При воспроизведении изображения на экране телевизора помехи в канале проявляются как появление белых точек, как говорят специалисты, экран "снежит". Человеческий глаз (мозг) устроен таким образом, что при нехватке информации об изображении (разрыв контура изображения или пропадание его части) он начинает его прогнозировать (подстраивать), и если на экране появляются неполные изображения, человеческий глаз (мозг) очень быстро устает. Для компенсации помех, появляющихся на экране телевизора, при передаче в канал от источника изображение инвертируют (негатив), а на приемной стороне происходит его восстановление (позитив). В этом случае белые точки, обусловленные помехами, становятся черными и не утруждают глаз. Для комфортного восприятия телевизионного изображения уровень шума в канале не должен превышать 40 дБ.

Критерии оценки качества передачи дискретной информации. При передаче по аналоговому каналу связи дискретного сигнала (рис. 4.9) в виде прямоугольных импульсов ("1" и "0") для точного их воспроизведения на приемной стороне необходимо иметь канал с бесконечным диапазоном частот^[3]. Поэтому при ограниченных частотных диапазонах осуществляют модулирование дискретного сигнала двумя различными частотами.

Рис. 4.9. Частотная модуляция дискретного сигнала

Тогда для передачи дискретного сигнала по аналоговому каналу связи необходимо иметь согласующие устройства между каналом передачи и цифровым устройством (компьютером), осуществляющие Модулирование и ДЕМодулирование (МОДЕМ) сигнала (рис. 4.10).

Рассмотрим, как меняется вид критериев, оценивающих качество каналов при передаче дискретного сигнала, на примере телеграфного аппарата.

Вариант 1. В первых телеграфных аппаратах один знак алфавита кодируется с помощью 5 бит. Пятибитовый код позволяет кодировать максимальное число символов: Ϊ = 32 знака (26 буквы + 6 символов управления работой аппарата). Максимальная скорость работы на телеграфном аппарате сотрудника с квалификацией "Мастер" составляет 6–7 знаков/с или 30–35 бит/с. Таким образом, критерий "Частотный диапазон" трансформируется в критерий "Скорость передачи".

Так как в канал передаются сигналы фиксированного вида, то динамический диапазон не изменяется (const).

Критерий "Отношение сигнал/шум" трансформируется в "Вероятность возникновения ошибки". В канале должны находится только два вида сигналов "0" или "1" (сигнал "есть" или "нет") (рис. 4.11, а), а на самом деле в канал передается аналоговый (например, амплитудно-модулированный) сигнал (см. рис. 4.9), поэтому его распознавание происходит путем сравнения с некоторым опорным значением – "порогом срабатывания". Если значение сигнала превышает этот порог, то значит в канале "1", если меньше, то – "0".

Рис. 4.10. Устройства канала связи, используемые для передачи дискретного сигнала

В природе не существует идеальных каналов передачи сигналов, в каждом из них обязательно присутствует помеха, которая искажает входной сигнал (см. рис. 4.11, а). Вследствие этого на выходе канала при сравнении значения сигнала с "порогом срабатывания" может произойти ложное распознавание (ошибка), вместо "0" распознается "1" (рис. 4.11, б), или наоборот, вместо "1" распознается "0" (рис. 4.11, в). Частота (вероятность) возникновения ошибки зависит от уровня помех в канале. Таким образом, происходит трансформация критерия "Отношение сигнал/шум" в критерий "Вероятность возникновения ошибки".

Рис. 4.11. Влияние помехи в канале на форму дискретного сигнала:

а – исходный сигнал; б – искаженный сигнал ("1" вместо "0"); в – искаженный сигнал ("0" вместо "1")

Таким образом, при передаче дискретного сигнала в аналоговом канале выбранные критерии принимают следующие значения: скорость передачи информации составляет 6–7 знаков/с или 30–35 бит/с (бод); динамический диапазон постоянен (const); вероятность возникновения ошибки равна 104.

Вариант 2. В более поздних телеграфных аппаратах один знак алфавита кодируется с помощью 8 бит. Восьмибитовый код позволяет кодировать максимальное число символов: 28 = 256 знаков.

Для таких телеграфных аппаратов при передаче дискретного сигнала в аналоговом канале выбранные критерии принимают следующие значения: скорость составляет 6–7 знаков/с или 48–56 бит/с (бод); динамический диапазон постоянен (const); вероятность возникновения ошибки равна 106.

Любой аналоговый сигнал (аудио, видео) можно представить в дискретной форме с помощью аналого-цифрового преобразования. Проиллюстрировать это удобно следующим образом (рис. 4.12).

Рис. 4.12. Пример аналого-цифрового преобразования непрерывного сигнала

На одномерный сигнал (например, музыкальный) накладывается сетка с постоянным шагом. По горизонтали это будет фиксированный дискрет времени (Δt = const), а по вертикали – значение (цифра) амплитуды сигнала. Таким образом, последовательность цифр будет определять последовательное изменение амплитуды сигнала во времени, причем чем меньше шаг у сетки, тем точнее будет оцифрован исходный сигнал, но при этом возрастет и объем оцифрованной в единицу времени информации. Обратное цифроаналоговое преобразование позволяет восстановить из цифры исходный аналоговый сигнал. Примером служит запись на CD музыки и ее воспроизведение.

Ниже приведена трансформация критериев оценки канала передачи информации.

Непрерывный сигнал Дискретный сигнал

Частотный диапазон (Гц) → Скорость передачи (бит/с)

Динамический диапазон (дБ) → Динамический диапазон (const)

Отношение сигнал/шум (дБ) → Вероятность возникновения ошибки

Для проведения сравнительного анализа критериев первого типа, описывающих различные виды сигналов (непрерывные и дискретные), необходимо привести их к одинаковым единицам измерения, для этого удобно пользоваться примерным соотношением: 1 Гц ~ 1 бит/с (бод).