|
|
телекоммуникации. 1. элементы теории передачи информации информация, сообщение, сигнал Понятие информация
τср – средняя длительность символа.
Единицей измерения технической скорости служит Бод. 1Бод – скорость, при которой за одну секунду передается один символ.
Скорость передачи сигналов по дискретному каналу устанавливается с учетом ширины Fk полосы пропускания непрерывного канала. Ширина спектра сигнала S*(t) на выходе непрерывного канала не может превышать Fk . Учитывая, что длительность сигнала и ширина его спектра связаны обратно пропорциональной зависимостью, получим (Vт)max
Fk.
Информационная скорость или скорость передачи информации определяется средним количеством информации относительно заданного сообщения, которое передается по каналу в единицу времени. Она зависит как от характеристик данного канала связи, таких как объем алфавита используемых символов, техническая скорость их передачи, статистические свойства помех в линии, так и от вероятностей поступающих на вход символов и их статистической взаимосвязи.
При известной скорости Vт скорость передачи информации W(Vt, U) относительно некоторого сообщения по каналу задается соотношением
W(Vt, U)= Vт·H(U), (1.16)
где H(U) – среднее количество информации, переносимое одним символом.
Для практических применений телекоммуникационных систем важно выяснить до какого предела и каким путем можно повысить скорость передачи информации по конкретному каналу. Предельные возможности канала по передаче сообщений характеризуются его пропускной способностью.
Пропускная способность канала Сдравна максимальной скорости передачи информации по данному каналу, которой можно достигнуть при самых совершенных способах передачи и приема:
Сд=maxW(Vt, U)=max{Vт·H(U) }. (1.17)
Пропускная способность канала, как и скорость передачи информации измеряется числом двоичных единиц информации в секунду- бит/сек.
Пропускная способность канала является характеристикой его самого и не зависит от статистики сигнала.
Если передаваемые символы независимы, то для дискретного канала без помех соотношение (1.17) с учетом (1.8) может быть представлено в виде
Сд=Vт·logN. (1.19)
Каналы без помех можно рассматривать как некую идеализацию реальных каналов. Если мешающим действием помехи пренебречь нельзя, то можно показать, что для дискретных каналов с помехой пропускная способность будет тем меньше, чем больше энтропия источника помехи.
1.6. Согласование физических характеристик сигнала и канала связи
Канал можно охарактеризовать тремя основными параметрами :
В ременем ТК , в течение которого он представлен для передачи сигнала.
Шириной полосы пропускания FK.
Максимально допустимым превышением сигнала над помехой DK.
Произведение указанных параметров называется объемом канала :
Аналогично объему канала вводится понятие объем сигнала :
 ,
где ТС – длительность сигнала, FС – ширина его спектра, DС- превышение сигнала над помехой.
VC и VK можно представить в трехмерном пространстве.
Необходимым условием принципиальной возможности неискаженной передачи сигнала по данному каналу является условие:
 (1.20)
Для того, чтобы выполнялись достаточные условия передачи TC≤TK; FC≤FK; DC≤DK, могут потребоваться преобразования.
Если канал имеет полосу пропускания меньше, чем ширина спектра подлежащего передаче сигнала, ширину спектра можно уменьшить в требуемое количество раз за счет такого же увеличения длительности сигнала. Объем сигнала при этом останется неизменным. Практически такое преобразование можно осуществить, например, путем записи сигнала на магнитную ленту с высокой скоростью и последующего воспроизведения со скоростью, при которой ширина его спектра равна полосе пропускания сигнала. При низком допустимом уровне превышения сигнала в канале DK преобразование заключается в уменьшении уровня превышения DC с одновременным увеличением его длительности. Возможны и другие преобразования.
С целью наилучшего соответствия характеристик сигнала и канала связи в радиопередающем устройстве (см. рис. 1.2) обычно применяется канальное кодирование. Устройство, осуществляющее указанную операцию, называется кодером канала. Соответственно на приемной стороне необходимо добавить канальный декодер, который будет осуществлять обратную операцию.
2. Цифровые методы обработки и передачи звуковых сообщений
При реализации современных систем телекоммуникаций предпочтение отдают цифровым методам обработки и передачи сигналов. Цифровые системы по сравнению с аналоговыми имеют ряд существенных преимуществ при обработке, запоминании и передаче сигналов. Представление сообщений в цифровой форме обеспечивает высокую помехоустойчивость, возможность более полного использования пропускной способности каналов, стабильность параметров передачи и гибкость при построении телекоммуникационных сетей. Особое значение приобретает применение цифровых методов при передаче звуковых сообщений. В данном разделе рассмотрены методы кодирования источника звуковых сообщений. Устройство, осуществляющее преобразование первичного речевого сигнала в цифровую форму, называют речевым кодером.
2.1. Особенности представления звуковых сообщений в цифровой форме
Человеческий голос порождает первичный аналоговый сигнал, который занимает полосу частот примерно от 50 до 10000 Гц. Представление этого сигнала в цифровой форме осуществляется путем дискретизации во времени и квантования по уровням (рис. 2.1) и сопровождается неустранимой ошибкой, называемой шумом квантования. Шум квантования – один из факторов, определяющих верность передачи непрерывных сообщений по дискретному каналу (вторым фактором являются помехи в канале передачи, накладывающиеся на полезный сигнал и приводящие к ошибочному приему).
При квантовании возникает ошибка квантования ε(n), равная разнице между квантованным sq(n) и истинным значениями сигнала:
ε(n)= sq(n) - s(n), (2.1)
где n- порядковый номер отсчета (рис.1.1, г).
Искажения, вносимые квантователем, оценивают значением среднеквадратичной ошибки (СКО):
 . (2.2)
Если значение квантуемого сигнала не выходит за пределы рабочего диапазона квантователя, то ошибка
 , (2.3)
где Δ – шаг квантования (рис.1.1).
Как следует из выражения (2.3) для снижения ошибки (шума) квантования необходимо снижать шаг квантования и соответственно увеличивать число уровней квантования. Если полный размах непрерывного сигнала равен 2smax, то число уровней квантования
Lкв=2smax/Δ+1. (2.4)
Наиболее очевидный подход заключается в использовании квантователя с постоянным шагом квантования Δ. В этом случае для высококачественной передачи звуковых сообщений с малой ошибкой квантования, как показывает практика, требуется, чтобы Lкв≥4000. При цифровом кодировании такого сигнала с помощью двоичных символов на каждый дискретный отсчет потребуется не менее n=12 разрядов, поскольку Lкв=2n.
Оценим скорость цифрового потока в телекоммуникационном канале при передаче звуковых сообщений.
Для передачи речи в аналоговой телефонии в 60-х годах 20 столетия была выбрана полоса частот 0,3-3,4 кГц. Решающими в выборе такой полосы были экономические соображения и нехватка телефонных каналов. Несмотря на определенное ухудшение восприятие ряда звуков (например, шипящих, существенная часть энергии которых сосредоточена в верхней части речевого спектра), такое ограничение незначительно повлияло на разборчивость речи.
При представлении речевых сигналов в цифровой форме верхнюю частоту в спектре дискретизируемого сигнала с выбирают равной 4 кГц. Согласно теореме Котельникова при Fmax=4 кГц, период дискретизации составляет Тд=1/(2Fmax)=125 мкс. При этом частота дискретизации Fд=1/Тд=8000 Гц. Скорость цифрового потока соответственно равна
W=Fдn. (2.5)
При передаче речевых сообщений, использующей 12-разрядное кодирование отсчетов, скорость цифрового потока, поступающего на вход телекоммуникационного канала, составит 96 кбит/сек. Еще более высокие требования будут предъявляться к пропускной способности канала при передаче высококачественных звуковых сообщений, например, музыки. Известно, что для высококачественного воспроизведения музыки на компакт-дисках частота дискретизации составляет Fд =44,1 кГц при 16-разрядном кодировании отсчетов. Подставляя эти значения в (2.5), определим скорость цифрового потока, которая составит:
W=44100 отсчетов/сек · 16 бит/отсчет = 705,6 кбит/сек.
При использовании 2-х стереофонических каналов скорость цифрового потока превысит 1400 кбит/сек.
Необходимость эффективного использования телекоммуникационных каналов явилась причиной разработки специальных технических решений, позволяющих уменьшить скорость цифрового потока при передаче речевых сообщений. Процедуру преобразования речевых сигналов, при которой уменьшается скорость цифрового потока, назвали компрессией (сжатием). Практический эффект такого уменьшения скорости очевиден – появляется возможность обслужить большее количество абонентов на телекоммуникационном канале с заданной пропускной способностью или осуществлять передачу речевых сообщений по низкоскоростным каналам, по которым передача сигналов в некомпрессированном виде была бы невозможна.
2.2. Классификация методов и показатели качества компрессии сигналов при передаче звука
Речевые кодеры можно разделить на 3 основные группы: кодеры формы, вокодеры и гибридные кодеры.
В кодерах формы обработке подвергается каждый отсчет дискретизированной последовательности. Кодеры данного типа обеспечивают сохранение и передачу формы исходного аналогового сигнала. При этом, как правило, достигается достаточно высокое качество восстановленного сигнала, поскольку основным источником искажений формы выходного сигнала является квантование. Однако скорость цифрового потока на выходе кодера формы остается все-таки достаточно высокой. Так при передаче речевых сообщений кодеры формы формируют цифровой поток со скоростью от 24 до 64 кбит/с.
Работа вокодеров (от английских слов vОice – голос и coder – кодировщик) основана на моделировании речевых сигналов с учетом их характерных особенностей. Это позволяет снизить скорость передачи до 0.5 - 16 кбит/с. Однако до середины 80-х годов 20-го столетия качество сигналов при вокодерном кодировании было плохим, и это ограничивало их практическое использование. Современные вокодеры обеспечивают качество, ненамного уступающее принятому в телефонной сети общего пользования, и их широко применяют, в частности, в системах подвижной радиосвязи.
В гибридных кодерах используется метод, объединяющий преимущества кодеров формы и вокодеров.
Качество кодирования и восстановления речевых сигналов измеряется часто по пятибалльной шкале MOS (mean opinion score - средняя субъективная оценка). Поскольку человек как получатель информации является ключевым элементом любой телекоммуникационной системы, качество сигнала оценивается по его субъективному восприятию речи. Оценка по шкале MOS определяется путем обработки оценок, даваемых группами слушателей нескольким речевым сигналам, воспроизводимым различными громкоговорителями. Каждый слушатель выносит оценку каждого сигнала: 1 - плохо, 2 - слабо, 3 - разборчиво, 4 - хорошо, 5 - отлично. Затем результаты усредняются.
Соотношение качества и скорости для рассматриваемых методов приведено на рис.2.2. [2].
2.3. Кодеры формы
2.3.1. Нелинейное кодирование
Для уменьшения сравнительно большого количества уровней квантования, которое вытекает из соотношений, полученных в разделе 2.1 в предположении об использовании квантователя с равномерным шагом квантования, следует учесть особенности работы слухового аппарата человека.
Человеческое ухо воспринимает звук нелинейно: наиболее заметными оказываются искажения при слабом уровне звука, в то время как при большом уровне звука чувствительность к искажениям звукового сигнала снижается. Принимая во внимание указанные особенности, можно уменьшить количество уровней квантования и, соответственно, скорость цифрового потока в телекоммуникационном канале, применив квантование с неравномерным шагом. Суть такого подхода состоит в изменении шага квантования пропорционально уровню входного сигнала. При этом малые уровни сигнала квантуются с меньшей ошибкой, чем большие. Закон изменения шага квантования определяют из условия, чтобы отношение сигнал-шум сохранялось постоянным при изменении уровня сигнала.
Условно неравномерное квантование можно представить как последовательное соединение устройства компрессии входного сигнала и равномерного квантователя (рис. 2.3.). При приеме нелинейные искажения сигнала, вносимые компрессором, устраняют экспандером, нелинейным устройством с амплитудной характеристикой, обратной характеристике компрессора.
Для обозначения процессов КОМпрессии и эксПАНДИРОВАНИЯ для краткости пользуются одним термином – КОМПАНДИРОВАНИЕ, а совокупность 2-х устройств- компрессора и экспандера называют компандером.
При передаче речи используют два типа компандирования: по µ-закону и по A-закону.
Первый метод используют в США и Японии. При µ-законе сигнал в компрессоре преобразуется следующим образом:
 , (2.6)
где x- сигнал на входе компрессора,
xmax- его максимальное значение,
µ - константа (обычно µ=255).
A-закон используется в Европе. В этом случае компрессор преобразует сигнал следующим образом:
  (2.7)
Наиболее часто используют значение параметра A=87.6.
Применение рассмотренных методов компадирования позволяет в одном и том же заданном диапазоне изменения речевого сигнала вместо 12-разрядных двоичных чисел использовать восьмиразрядные двоичные числа. Таким образом, скорость цифрового потока при передаче речевого сигнала уменьшится с 96 до 64 кбит/сек. Указанный способ компрессии речи закреплен в международной рекомендации G.711.
Учитывая, что сжатие и последующее восстановление к первоначальному виду непрерывных по величине отсчетов звуковых сигналов может сопровождается появлением погрешности из-за отклонений характеристик компрессора и экспандера от расчетных значений, вместо рассмотренного выше на практике обычно применяется другой способ нелинейного кодирования (рис.2.4). После равномерного квантования при числе уровней L=212 и предварительного кодирования производится цифровая компрессия, в результате чего длина кодовой комбинации уменьшается до n=8 разрядов. Результатом преобразования является двоичная последовательность со скоростью 64 кбит/с.
 
|
|
|
Скачать 1.36 Mb.