Open Library - открытая библиотека учебной информации. Квантование и кодирование информации

2.2. Дискретизация, квантование и кодирование сигналов

Современные цифровые технологии, обладая неограниченными возможностями по обработке, передаче и хранению больших объемов информации, всё активнее внедряются в самые разные сферы человеческой деятельности, даже в те из них, где прежде традиционно господствовали аналоговые. Однако все известные физические явления и процессы, которые служат источниками исходных данных для решения вычислительных задач, являются непрерывными аналоговыми величинами. Поэтому, прежде чем произвести какое-либо вычисление, надо получить численные значения величин, над которыми производятся вычислительные операции, т. е. осуществить преобразование аналоговой величины в соответствующий ей цифровой эквивалент. И точность такого преобразования должна быть не хуже желаемой точности результата. Кроме того, нередко результат вычисления также должен быть представлен в виде аналоговой величины с высокой степенью точности.

Еще одним аргументом в пользу цифрового представления аналоговой информации является возможность сохранения последней в неизменном виде в течение практически неограниченного времени. Многие из аналоговых процессов быстротечны и не повторяются вновь, фиксация их аналоговыми методами - записью на какой-нибудь носитель - фотопленку или магнитную ленту, недостаточно надежна и имеет свойство со временем ухудшаться - вплоть до полного разрушения. Цифровые же методы подобными недостатками не страдают, поскольку запись производится всего двумя символами - «единицей» (есть сигнал) и «нулем» (сигнала нет). В таком виде информация неизмеримо более устойчива к воздействию разного рода искажающих факторов. Нет необходимости заботиться о точной форме импульса - достаточно, чтобы он был вообще. К тому же разработанные на сегодняшний день алгоритмы защиты цифровой информации от ошибок позволяют практически свести к нулю результат любого искажающего воздействия, такого, которое для аналоговой информации было бы равносильно ее безвозвратной утрате.

По указанным выше причинам роль приборов, преобразующих аналоговые величины в цифровые и обратно - аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей (АЦП и ЦАП) становится чрезвычайно значимой, поскольку им отводится роль своего рода «посредников», между аналоговой природой окружающего нас мира и вычислительной мощью «цифрового мира». Роль эта весьма ответственна. Какова точность преобразования, такова будет и точность результата.

Прежде чем приступать к анализу процедур аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования, следует ознакомиться с основными видами электрических сигналов, которые в дальнейшем будут служить объектами упомянутых преобразований. В самом общем случае такие сигналы можно разделить на четыре класса:

1. произвольные по величине и непрерывные по времени (рис. 1.1 а);

2. произвольные по величине и дискретные во времени (рис. 1.1 б);

3. квантованные по величине и непрерывные по времени (рис. 1.1 в);

Сигнал s ( t ), показанный на рис. 1 а называется аналоговым, поскольку его можно толковать как электрическое отображение реальных физических процессов. Аналоговые сигналы задаются по оси времени на несчетном множестве точек и являются непрерывными. По оси ординат такие сигналы также могут принимать любые значения в определенном интервале.

Сигнал S ( nT ), показанный на рис. 1.1 б, также, как и аналоговый, может принимать любые значения по оси ординат, но по оси времени он определен только для некоторых фиксированных точек, т. е. является функцией дискретной переменной ( n Т), где n = 0, 1, 2 ..., а Т - интервал дискретизации. Такой сигнал называется дискретным, причем в данном случае термин «дискретный» характеризует не сам сигнал, а способ его задания на временной оси.

Сигнал, показанный на рис. 1.1 в, задан на всей временной оси, однако величина его может принимать только дискретные значения. В подобном случае говорят о сигнале, квантованном по уровню. Чтобы отличить дискретность сигнала по уровню от дискретности по времени, термин «дискретный» будет применяться только к дискретизации по времени, дискретность же по уровню будет характеризоваться термином «квантование».

Квантование используют в том случае, когда необходимо преобразовать сигнал в цифровую форму. Для этого весь диапазон изменения величины сигнала разбивают на счетное число уровней и каждому уровню присваивают определенный номер, который затем кодируют двоичным кодом с конечным числом разрядов. Величина сигнала измеряется в заданных точках на оси времени. Такой сигнал - дискретный по времени и квантованный по уровню, называется цифровым. Он показан на рис. 1.1 г .

ИНФОРМАЦИИ

ПОНЯТИЕ ИНФОРМАЦИИ. ВИДЫ и свойства

Сообщения и сигналы. Кодирование и квантование сигналов.

Методы измерения количества и качества информации.

Понятие информации. Виды и свойства информации.

Лекция 3. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ИНФОРМАТИКИ

Ключевые слова : информация; виды информации; свойства информации; меры информации; количество информации; объем данных; энтропия; тезаурус пользователя; качество информации; показатели качества информации; сообщение; источник информации; получатель информации; канал связи; носитель информации; параметр сигнала; кодирование; декодирование; дискретизация; квантование.

Литература: 1. Информатика. Базовый курс / Симонович С.В. и др. –

СПб.: Издательство «Питер», 1999.

2. Могилев А.В. и др. Информатика: Учеб. пособие для

студ. пед. вузов / А.В.Могилев, Н.И.Пак, Е.К.Хеннер; Под

ред. Е.К.Хеннера. – 2-е изд., стер. – М.: Изд. центр «Ака-

демия», 2001.

Дисциплина «Информатика» неразрывно связана с понятием информация , которое является одним из фундаментальных в современной науке вообще и базовым для изучаемой нами информатики. Это понятие неоднократно звучало при изложении вводной лекции. С ним мы сталкиваемся ежедневно. Информацию наряду с веществом и энергией рассматривают в качестве важнейшей сущности мира, в котором мы живем. Тем не менее, общепризнанного и строгого определения понятия информациядо сих пор нет. В разных дисциплинах в понятие информация вкладывают разный смысл. При этом типична ситуация, когда понятие об информации, введенное в рамках одной научной дисциплины, может опровергаться конкретными примерами и фактами, полученными в рамках другой. Например, представление об информации как о совокупности данных, повышающих уровень знаний об объективной реальности окружающего мира, характерное для естественных наук, может быть опровергнуто в рамках социальных наук.

В простейшем бытовом понимании с термином «информация » обычно ассоциируются некоторые сведения , данные , знания и т. п.

Словоинформация (латинское informatio ) означает разъяснение, осведомление, изложение . В общем случае под информацией понимают все те сведения, которые уменьшают степень неопределенности нашего знания о конкретном объекте .

Сама по себе информация может быть отнесена к категории абстрактных понятий, но ряд ее особенностей приближает ее к материальным объек­там . Так, информацию можнополучить, записать, удалить, передать ; информация не может возникнуть из ничего . С позиции материалистической философии информация есть отражение реального мира . Однако при распространении информации прояв­ляется такое ее свойство, которое не присуще материальным объектам: при передаче информации из одной системы в другую количество информации в передающей системе не уменьшается, хотя в принимающей системе оно обычно увеличивается . Если бы информация не обладала этим свойством, то преподаватель, читая лек­цию студентам, терял бы информацию и становился неучем.

Итак, информация не материальна, но она является свойством материи и не может существовать без своего материального носителя – средства переноса информации в пространстве и во времени. Носителем информации может быть как непосредственно наблюдаемый физический объект, так и некоторый энергетический суб­страт. В последнем случае информация представлена в видесигналов : световых, звуковых, электрических и т. д. При отображении на носителе информация коди­руется, то есть ей ставится в соответствие форма, цвет, структура и другие пара­метры элементов носителя.

Часто информацию отождествляют с данными . Однако это неправильно. Одни и те же данные могут в момент потребления поставлять разную информацию в зависимости от степени адекватности взаимодействующих с ними методов. Например, для человека, не владеющего китайским языком, письмо, полученное из Пекина, дает только ту информацию, которую можно получить методом наблюдения (количество страниц, цвет и качество бумаги, количество иероглифов и их начертание и т.п.). Все это информация, но не вся, заключенная в письме. Использование более адекватных методов (например, привлечение переводчика) даст иную информацию.

Обратим внимание на то, что данные являются объективными , поскольку это результат регистрации объективно существовавших сигналов, вызванных изменениями в материальных телах или полях. В то же время, методы являются субъективными . В основе искусственных методов лежат алгоритмы (упорядоченные последовательности команд), составленные и подготовленные людьми (субъектами). В основе естественных методов лежат биологические свойства субъектов информационного процесса. Следовательно, информация возникает и существует в момент диалектического взаимодействия объективных данных и субъективных методов .

Сформулируем и в дальнейшем будем использовать следующее определение информации:

информация – это продукт взаимодействия данных и адекватных им методов .

Информация не является статичным объектом – она динамически меняется и существует только в момент взаимодействия данных и методов их обработки. Все остальное время она пребывает в состоянии данных. Таким образом, информация существует только в момент протекания информационного процесса .

Для передачи речевого сигнала по цифровому каналу связи необходима процедура аналого-цифрового преобразования (АЦП), которая состоит из 3 этапов: дискретизация, квантование и кодирование. Дискретизация представляет собой процедуру взятия отдельных значений сигнала через равные промежутки времени.

При этом, чем больше будет использоваться уровней, тем более точно можно будет восстановить сигнал к исходной форме на приемном конце.

Большинство сигналов первоначально формируется в аналоговой форме. Затем они преобразуются в цифровые сигналы с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП). В дальнейшем они снова преобразуются в аналоговые сигналы с использованием цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП). Эти преобразователи - неотъемлемая часть любой цифровой системы:
Аналоговый сигнал - Выборка - Квантование - Кодирование - Цифровой сигнал
Выборка
В аналоговом сигнале амплитуда напряжения непрерывно изменяется во времени. При выполнении выборки амплитуда считывается через одинаковые промежутки времени. Эта скорость выборок или частота выборок определяет промежуток времени или то, как часто производится считывание. Если скорость выборок слишком высокая, точность преобразования выше, однако требуемая полоса частот значительно увеличивает стоимость проектирования и компонентов. Если частота выборок слишком низкая, то конечный результат может неточно соответствовать аналоговому сигналу.
Квантование
Квантование представляет собой процесс представления всех выборок в цифровой форме. Ширина выборки - изменения аналогового сигнала между двумя выборками. Для представления цифрового значения ширины выборки обычно берется усредненное значение. Размер выборки определяет уровень квантования, используемый для квантования выборки. Использование 8 бит обеспечивает получение 256 уровней квантования, в то время как 12 бит позволяют получить 4096 уровней. Точность выборки выше, если используется большее число бит, однако при этом увеличивается число бит для передачи, что требует использования более широкой полосы частот. По этой причине большинство цифровых систем для квантования выборок используют 8 бит
Кодирование
Кодирование является заключительным шагом в процессе аналого-цифрового преобразования. В процессе кодирования для каждой выборки формируется значение, выраженное в двоичном коде. Кроме того, кодирование включает в себя: биты, которые сообщают другому оборудованию, как интерпретировать данные, информацию о конце синхроимпульса, информацию о начале кадра, биты защиты от ошибок для уменьшения ошибок при передаче и хранении информации.
Защита от ошибок
Защита от ошибок осуществляется добавлением дополнительных бит при кодировании. На приемной стороне распознается - если этот бит изменился, то система понимает, что произошла ошибка.
Погрешность:
Имеется несколько источников погрешности АЦП. Ошибки квантования и (считая, что АЦП должен быть линейным) нелинейности присущи любому аналого-цифровому преобразованию. Кроме того, существуют так называемые апертурные ошибки которые являются следствием джиттера (англ. jitter) тактового генератора, они проявляются при преобразовании сигнала в целом (а не одного отсчёта).
Эти ошибки измеряются в единицах, называемых МЗР - младший значащий разряд. В приведённом выше примере 8-битного АЦП ошибка в 1 МЗР составляет 1/256 от полного диапазона сигнала, то есть 0.4 %.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Дискрети зация, квантование, кодирование

Аналоговый сигнал

Любые способы технической регистрации и передачи информации, которые существовали в докомпьютерную эру и продолжают успешно функционировать, основаны на аналоговых технологиях. Эти устройства называются аналоговыми, потому что уровни оригинального сигнала, например звука, похожи на уровни электрического тока, с помощью которого сигнал передается (один сигнал «аналогичен» по форме другому). Если выразиться максимально обобщенно, то непрерывные значения одного сигнала задаются непрерывно изменяющейся физической величиной другого сигнала.

Поэтому аналоговую технологию отличает, прежде всего, непрерывный континуум информации (в процессе передачи нет дискретных элементов, нет разрывов, даже в моменты «тишины»). Примерно также непрерывно мы воспринимаем информацию с помощью органов зрения или слуха.

Передача звука состоит в том, что в микрофоне под влиянием колебаний воздуха мембрана колеблется и «трясет» пьезоэлемент, в котором механическое воздействие создает электрический потенциал. В цепи появляется ток, уровень которого соответствует уровню звука в данный момент. Таким образом, с помощью микрофона звуковые волны преобразовываются в электрические сигналы.

Когда сигнал достигает телефона, он вызывает колебание другой мембраны: она притягивается или отталкивается электромагнитами, тем самым создавая колебания воздуха, а следовательно, обеспечивая условия восприятия звука человеком. Характерно, что ухо человека воспринимает такой сигнал практически неотличимо от ситуации, если бы источник звука располагался в непосредственной близости.

В процессе преобразования естественного сигнала в электрический, а затем электрического снова в естественный, форма сигнала сохраняется аналогичной исходному.

Достоинством аналогового способа передачи информации является ее естественность и непрерывность, т.е. способность в данный момент максимально полно представлять непрерывный поток поступающей информации.

У аналогового принципа передачи информации есть существенные недостатки , из которых следует упомянуть два наиболее важных: способность к затуханию и чувствительность к помехам.

Затухание аналогового сигнала.

Когда сигнал передается по линии связи, он представляется в форме электрического тока. А поскольку в любых проводниках существует сопротивление, которое необходимо преодолевать, вследствие этого неизбежного процесса сигнал постепенно затухает. В результате через определенное расстояние на устройстве воспроизведения полезный сигнал заметно уменьшается или вовсе снижается до уровня шума.

Поэтому электрический сигнал требует регулярного усиления в пунктах, далеко отстоящих от уровня своего полного затухания.

Человеческий голос, также преодолевая сопротивление воздушной среды, не может распространяться бесконечно. Поэтому, если требуется передача сигнала голосом, то можно, например, выстроить цепочку людей на таком расстоянии друг от друга, которое бы обеспечивало «слышимость», исключающую ситуацию «испорченного телефона». Впрочем, голос - очень ненадежный источник сигнала, чаще используют зрительные сигналы: флажки, фонари, семафоры или светофоры. Примерно такая же идея положена в устройство телефонных линий. Когда вы говорите в трубку дома, и, скажем, в Самарканде вас прекрасно слышат, то это вовсе не потому, что вы так громко кричите. Понятно, что сигнал на пути в несколько сотен километров периодически усиливается, предотвращая естественное затухание.

Чу вствительность к помехам

Когда форма сигнала в каждый данный момент изменяется, всевозможные помехи (среди них наиболее характерны атмосферные или индустриальные - работа мощных станков или даже систем зажигания автомобилей, а также собственные шумы системы) в процессе передачи постоянно влияют на характер сигнала. В результате форма сигнала искажается, что препятствует «чистой» передаче.

Влияние помехи на условный синусоидальный сигнал, который в результате сложения совокупности частот изменяет свою идеальную форму, что, безусловно, придает «звучанию» иную (дополнительную) тембральную окраску.

Влияние помехи на передаваемый сигнал (а - полезный сигнал, b - излучение помехи, с - сумма колебаний, т.е. сигнал с помехой)

Если не очень по душе пример с абстрактными волнами, стоит представить, как влияют на различение звуков голоса порывы ветра или помехи в телефонной трубке.

Проблемы копирования. Причина потери качества .

Затухание и подверженность к помехам, помимо уже упомянутой необходимости усиливать сигнал, имеют еще одно весьма неприятное следствие. А именно, при каждом копировании аналоговой информации ее качество довольно резко ухудшается. Эффект накопления искажений, присущий всем аналоговым системам, ограничивает количество перезаписей, которые могут быть сделаны на аналоговом аудио - и видеомагнитофоне, буквально несколькими копиями.

Схема «оригинал - копия 1», «копия 1 - копия 2», «копия 2 - копия 3», «копия 3 - копия 4» и т.д. не работает после определенного, причем очень небольшого, числа этапов. При этом всем ясно, что каждая последующая копия по качеству заметно хуже предыдущей.

Поэтому в аналоговых системах копирование информации происходит по другой схеме: «оригинал - копия 1», «копия 1 - копия 2», «копия 1 - копия 3», «копия 1 - копия 4» и т.д. Тем самым обеспечивается следующее условие: между источником информации и конечным его потребителем должно быть как можно меньше промежуточных этапов, т.к. каждый из них неизбежно вносит свои помехи и погрешности.

Такой порядок, безусловно, сдерживает копирование и распространение информации «цепочным» способом. Причем следует заметить, что этот недостаток является принципиальным и, как говорится, «исправлению не подлежит».

Если отбросить очень сложные технические подробности, причина состоит в том, что исходное (эталонное) состояние передаваемой аналоговой информации не фиксируется. По линии связи распространяется такой сигнал, который реально существует в каждый данный момент. И усилители «поднимают» сигнал не до исходного уровня, а лишь увеличивают его в том виде, какой до них «дошел». Если, например, вместо полезного сигнала до усилителя докатился треск и шум, то он вынужден усиливать и их или только их.

Если передается, допустим, конкретный звуковой сигнал с определенной громкостью и если в момент воспроизведения уровень тока ниже, чем тот, при котором была произведена передача, то громкость результирующего сигнала сможет настолько снизиться, что тихие звуки совсем пропадут (хотя сигнал может и вовсе исчезнуть). При этом нет никакой практической возможности убедиться, что сигнал не соответствует исходному (может быть, и в самом деле передаваемые звуки должны быть тихими или в это время «передается» пауза). Разумеется, если бы была какая-либо техническая возможность в самом начале сохранить данные о том, какими должны быть передаваемые сигналы, а на входе в другое устройство можно было проверить, соответствуют ли они этой информации (идеальному сигналу), то только тогда можно гарантировать их абсолютно точное воспроизведение.

В этом заключается суть принципиального ограничения, которое невозможно каким-либо способом преодолеть. Передаваемая аналоговая информация представляет собой непрерывный континуум непрерывного сигнала. При этом сигнал в каждый данный момент ни с каким эталоном не сравнивается, а только соотносится (в нашем восприятии) с предыдущим уровнем сигнала.

Особенности аналоговых сигналов.

Аналоговый сигнал можно сравнить с мелодией - повышением и понижением голоса. Мелодия может сохраняться на более высоких или более низких тонах, если отношение тонов относительно друг друга будет соблюдаться. Поэтому перед выступлением камерные певцы, учитывая состояние своего голоса, договариваются с концертмейстером об уровне (тональности) исполнения. Аналоговый способ передачи информации обладает важными достоинствами: соответствием исходному сигналу, непрерывностью, отсутствием необходимости хранить информацию о сигнале. Но у аналогового способа существуют и не менее значительные недостатки: подверженность помехам и способность к затуханию.

Представление об аналоговых сигналах необходимо иметь хотя бы потому, что в объективной реальности это, видимо, единственный способ передачи какой бы то ни было информации. Все органы чувств человека имеют дело с аналоговыми сигналами. Любая информация, используемая в технических системах, также начинается и заканчивается аналоговым сигналом.

И даже те технические устройства, которые связывают обычную информацию с цифровыми технологиями, также требуют знания принципов аналоговой передачи и, следовательно, в дальнейшем преобразования их в цифровую форму. Изложенной выше информации достаточно для представления сущности аналоговых сигналов.

Цифровой сигнал

1. Импульсный сигнал. Преодоление затухания.

Другим принципом передачи и записи информации является импульсная форма сигнала. Эта форма получила такое название потому, что сигнал передается короткими одинаковыми импульсами тока. В каждый данный момент ток может иметь два уровня.

Справка . Слово «импульс» (от латинского слова «impulsus», что переводится как «удар» или «толчок») в отношении электрических сигналов означает кратковременное отклонение напряжения или силы тока от некоторого постоянного значения.

Такой способ передачи сигналов дает возможность преодолеть указанные выше недостатки аналогового сигнала.

2. Преодоление затухания

Стоит заметить (не касаясь технических подробностей), что значительный диапазон между двумя уровнями сигнала (или даже между наличием и отсутствием сигнала) создают условия, уменьшающие затухание и повышающие различение сигналов, например в случае общего понижения напряжения в сети.

В самом деле, довольно основательный запас «прочности» позволяет устройствам приема, передачи и воспроизведения легко «разобраться», какой из уровней в данный момент поступает в обработку. Кроме того, эти два уровня имеют заранее известные (стандартные) значения, которые не трудно проконтролировать и легко восстановить.

3. Возможность контроля сигнала

Если импульсный сигнал сравнивать с аналоговым сигналом (для которого характерно непрерывное и разнообразное изменение уровня тока), может сложиться впечатление полной скуки, поскольку по такому сигналу нельзя получить никакой даже приблизительной информации о сигнале: громкий он или тихий, быстрый или медленный, с повышающимся или понижающимся тоном и т.д. Однако не стоит делать опрометчивых выводов. У скучных импульсов есть одно весьма существенное преимущество: импульсы можно сосчитать! Поэтому такой вид называют еще импульсно-цифровым способом передачи информации. (Понятно, что при всех красотах аналоговые «извивы» сосчитать невозможно).

В начале посылки совокупности таких сигналов можно указать количество импульсов и, тем самым, проконтролировать достоверность передачи. Если в результате передачи их количество не совпадает, происходит повторная передача. И, следовательно, сигнал не может потеряться или измениться, т.к. всегда имеется возможность проверить исходное состояние.

Если же, например, на линии происходит сбой и в какой-либо период времени передача невозможна, то при ее восстановлении совокупность сигналов повторяется.

4. О граниченные возможности копирования.

Самые впечатляющие преимущества импульсного способа передачи связаны с копированием информации. Вспомним схему копирования аналоговой информации и сравним ее со схемой копирования при импульсном способе передачи информации, которая имеет следующий характер: «оригинал - копия 1», «копия 1 - копия 2», «копия 2 - копия 3», «копия 3 - копия 4»,…, «копия 999 - копия 1000» и так до бесконечности. В самом деле, любая копия, даже если она сотая, а может быть, и миллионная, абсолютно идентична оригиналу. Почему? Потому что копирование состоит в передаче относительно простых и (главное!) сосчитанных импульсов.

Впрочем, у этого потрясающего достоинства есть и неприятные последствия, т.к. оно представляет идеальную почву для пиратства и присвоения чужой интеллектуальной собственности.

5. Общая характеристика импульсного сигнала

Импульсный способ передачи информации интересен прежде всего тем, что обладает важными достоинствами:

ь устойчивостью к затуханию и помехам;

ь возможностью контроля передаваемого сигнала на его соответствие исходному сигналу.

Даже этих свойств достаточно, чтобы понять, почему импульсная природа взята в качестве основы компьютерных технологий.

Пример-метафора

Этап передачи между АЦП и ЦАП - это импульсно-цифровой этап, или короче цифровой. В самом деле, с помощью последовательности импульсов передаются некие числа, которые представляют собой не сигнал как таковой (например, звук или изображение), а только его шифрованную форму (коды). Проще говоря, любая информация, которая передается последовательностью совершенно одинаковых импульсов, не может быть «аналогичной» (совпадать по форме) исходной. Совокупность импульсов - это последовательность кодов.

На первый взгляд, усложнение схемы двумя дополнительными устройствами может показаться большим недостатком. На самом деле, в этом кроется колоссальное достоинство, которое всегда несет с собой унификация, особенно в технических системах и на производстве.

Стоит сравнить перевозку разнообразных предметов индивидуально и унифицировано. Одно дело - каждой вещи создавать свою особенную упаковку, совсем другое - предусмотреть один-два стандартных ящика, которые легко складировать, перемещать и учитывать. Особенно стоит обратить внимание на возможность «учета». В свое время мы об этом вспомним.

Компьютерные технологии не обладают органами чувств и мышлением, которыми природа снабдила человека. Для их функционирования требуется самый простой и однообразный вид сигнала, каковым является импульсный.

Импульсный сигнал характеризуется прежде всего тем, что одинаковые импульсы нетрудно сосчитать и передать их количество вместе с информационным сигналом. Это позволяет абсолютно достоверно осуществлять копирование информации.

Далее, каким образом происходит кодирование самых разных форм информации, откуда эти коды берутся, как мы их можем получать, доставлять и использовать, т.е. рассмотреть в предельно популярном виде основы кодирования.

Но прежде необходимо от технических вопросов передачи информации перейти к математическим основам кодирования.

6. Д искретизация аналогового сигнала.

Первое, на что стоит обратить внимание, это - изменение амплитуды вдоль одной оси. Можно условиться, что это ось времени (хотя в принципе это несущественно для абстрактного примера).

7. Разбиение на равные интервалы

В качестве первой операции необходимо разбить эту ось на определенные интервалы, возможно, это и будут интервалы по времени.

Цель такого разбиения проста - это единственный способ получения дискретных элементов, причем стоит обратить внимание, что применяется искусственный прием, который ранее мы определяли как «принудительная» дискретизация.

В самом деле, выбранные интервалы принципиально никак не учитывают содержание сигнала, а хладнокровно «режут по живому» - в этом суть процесса «принудительной» дискретизации.

В данном конкретном случае дискретизация является линейной, т.к. используется всего одна координата (одна линия, вдоль которой происходит разбиение на равные интервалы).

В общем случае интервалы могут быть и разными, но тогда придется ответить на два вопроса: во-первых, как попасть в нужные, смысловые точки, а во-вторых, как передать с каждым дискретным интервалом значения разных длительностей. Не стоит забывать, что все указанные действия ориентированы на техническую реализацию. А техника «склонна» выполнять механические и однозначные действия.

Полученные интервалы очень полезно каким-либо образом «пометить», например пронумеровать с помощью натурального ряда чисел: 0, 1, 2, 3 и т.д.

Можем ли мы считать, что процесс дискретизации закончен? Отнюдь нет. Ведь кривая аналогового сигнала, подвергнутая «принудительной дискретизации», нисколько не изменилась, получить какие бы то ни было элементы пока не удалось.

В самом деле, только количества «дискретов», на которое разделяется сигнал, явно недостаточно. Поскольку в этом случае (по количеству «дискретов») могут казаться равными все сигналы одинаковой длины, ведь они составляются из одинакового количества «дискретных интервалов», хотя внутри интервалов сигналы будут абсолютно разными.

сигнал аналоговый импульсный помеха

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Принципы построения и структура взаимоувязанной сети связи. Понятие информации, сообщения, сигналов электросвязи. Типовые каналы передачи и их характеристики, принципы многоканальной передачи. Цифровые сигналы: дискретизация, квантование, кодирование.

дипломная работа , добавлен 17.05.2012


Разработка структурных схем передающего и приемного устройств многоканальной системы передачи информации с ИКМ; расчет основных временных и частотных параметров. Проект амплитудно-импульсного модулятора для преобразования аналогового сигнала в АИМ-сигнал.

курсовая работа , добавлен 20.07.2014


Формы представления информации, ее количественная оценка. Сущность и первичное кодирование дискретных сообщений. Совокупность технических средств, предназначенных для передачи информации. Система преобразования сообщения в сигнал на передаче и приеме.

реферат , добавлен 28.10.2011


Параметры цифровой системы передачи информации. Дискретизация сообщений по времени. Квантование отсчетов по уровню, их кодирование и погрешности. Формирование линейного сигнала, расчет спектра. Разработка структурной схемы многоканальной системы передачи.

курсовая работа , добавлен 19.04.2012


Спектр передаваемых сигналов. Дискретизация сообщений по времени. Квантование отсчётов по уровню и их кодирование, расчет его погрешностей. Формирование линейного сигнала, расчет его спектра. Разработка структурной схемы многоканальной системы передачи.

курсовая работа , добавлен 06.07.2014


Понятие сигнала, его взаимосвязь с информационным сообщением. Дискретизация, квантование и кодирование как основные операции, необходимые для преобразования любого аналогового сигнала в цифровую форму, сферы их применения и основные преимущества.

контрольная работа , добавлен 03.06.2009


Анализ структурной схемы системы передачи информации. Помехоустойчивое кодирование сигнала импульсно-кодовой модуляции. Характеристики сигнала цифровой модуляции. Восстановление формы непрерывного сигнала посредством цифро-аналогового преобразования.

курсовая работа , добавлен 14.11.2017


Обзор методов кодирования информации и построения системы ее передачи. Основные принципы кодово-импульсной модуляции. Временная дискретизация сигналов, амплитудное квантование. Возможные методы построения приемного устройства. Расчет структурной схемы.

дипломная работа , добавлен 22.09.2011


Дискретные системы связи. Дифференциальная импульсно-кодовая модуляция. Квантование по уровню и кодирование сигнала. Помехоустойчивость систем связи с импульсно-кодовой модуляцией. Скорость цифрового потока. Импульсный сигнал на входе интегратора.

реферат , добавлен 12.03.2011


Структурная схема сети передачи дискретной информации. Причины возникновения линейных и нелинейных искажений в СПДИ, нормирование АЧХ и ФЧХ. Тип переносчика, формы модуляции и спектры сигналов при передаче ДИ. ЕЭС прямоугольной и синусоидальной формы.

Квантование по уровню применяется для получения конечного числа амплитудных значений дискретных отсчетов сигнала взамен непрерывного бесконечно большого количества их значений, т.е. процесс квантования аналогичен процедуре округления числа до ближайшего разрешенного значения. Такое округление всегда связано с погрешностью, называемой погрешностью квантования.

В результате квантования возникают специфические нелинейные искажения, действие которых на передаваемый сигнал можно условно представить как добавление к неискаженному сигналу некоторой аддитивной помехи - шума квантования. Эти искажения неустранимы, но практически могут быть сделаны неощутимыми для получателя сообщений при надлежащем выборе числа уровней округляемой (квантуемой) величины сигнала.

Рисунок 4.1 - Амплитудная характеристика квантующего устройства с равномерной шкалой

Как видно из рисунка 6, недостаток равномерной шкалы квантования заключается в том, что относительная погрешность квантования, т.е. отношение

для сильных сигналов мала, в то время как для слабых сигналов она велика.

В зависимости от разбивки динамического диапазона сообщения на уровни квантования различают равномерное (линейное) и неравномерное (нелинейное) квантования. В первом случае на всем динамическом диапазоне сообщения шаг квантования выбирается одинаковым. При передаче речевых сигналов наиболее вероятны сигналы с малыми мгновенными значениями, поэтому для передачи их с меньшей погрешностью необходимо уменьшить шаг квантования. Обычно требуют, чтобы защищенность речевого сигнала от шума квантования была не менее 20 дБ на минимальном уровне средней мощности. Под защищенностью понимают

где - мощность сигнала;

Мощность шумов квантования.

При равномерном квантовании для получения требуемой защищенности от шумов квантования при передаче речевых сигналов кодирование должно производиться достаточно большим числом разрядов кода, что нежелательно. При увеличении числа разрядов кода уменьшается длительность импульсов и соответственно расширяется спектр сигнала ИКМ, усложняются устройства кодирования и декодирования, увеличиваются требования к их быстродействию.

Таким образом, недостатком равномерного квантования является то, что защищенность от шумов квантования минимальна для наиболее слабых сигналов и увеличивается пропорционально увеличению уровня сигнала. Для выравнивания величины при изменении уровня сигнала в широких пределах и соответственно для уменьшения количества уровней квантования и уменьшения разрядности двоичного кода применяют неравномерное квантование, при котором шаг квантования имеет минимальное значение для слабых сигналов и увеличивается с увеличением уровня входного сигнала.

Нелинейная шкала квантования в системах передачи с ИКМ может быть реализована несколькими способами: сжатием динамического диапазона сигнала перед кодированием, для чего используются компрессоры, и последующим его расширением после декодирования с помощью экспандеров; нелинейным кодированием и декодированием; цифровым компандированием.

Рисунок 4.2 - Амплитудная характеристика квантующего устройства с нелинейной (неравномерной) шкалой

При неравномерном квантовании непрерывных сигналов обычно ставится задача: выбором закона изменения шага квантования обеспечить примерно равное отношение сигнал-шум квантования в достаточно широком диапазоне уровней входных сигналов. Если шаг квантования будет возрастать по мере увеличения входного сигнала, то по сравнению с равномерным квантованием для слабых сигналов отношение сигнал-шум возрастет, а для сильных снижается, оставаясь, однако, достаточно высоким.

Рассмотрим один из возможных способов осуществления неравномерного квантования - с использованием аналоговых компандеров.

Компрессор представляет собой устройство с нелинейной амплитудной характеристикой, называемой характеристикой компрессии. Слабые сигналы компрессор усиливает в большей степени, чем сильные, благодаря чему происходит сжатие динамического диапазона ().

Применение компрессора перед кодером с равномерным квантованием позволяет получить неравномерное квантование. На приемном конце после декодера сигнал поступает на экспандер, имеющий обратную компрессору амплитудную характеристику, при этом суммарная амплитудная характеристика должна быть линейной. Экспандер устраняет искажения, вносимые в сигнал компрессором, так что результирующая амплитудная характеристика сигнала "компрессор-экспандер" является линейной. Система, состоящая из последовательно включенных компрессора и экспандера, называется компандером.

Применение неравномерного квантования позволяет обеспечить требуемую защищенность от шумов квантования для наиболее слабых речевых сигналов при восьмиразрядном кодировании вместо двенадцатиразрядного при равномерном квантовании.

Недостатком аналогового компандирования является сложность получения с большой точностью взаимообратных амплитудных характеристик компрессора и экспандера, вследствие чего нелинейность суммарной амплитудной характеристики приводит к нелинейным искажениям передаваемых сигналов.

Необходимое качество передачи сигналов в реальных условиях достигается путем применения неравномерных кодирующих и декодирующих устройств (методами нелинейного кодирования), когда формирование неравномерной квантующей характеристики осуществляется непосредственно в кодере (декодере). Последний в этом случае называется нелинейным.

Наиболее распространенными для кодеров с неравномерным шагом квантования являются два приблизительно равноценных закона компрессии и, с помощью которых получается квазилогарифмическая характеристика компрессора.

Дискретизация непрерывных сообщений производится АИМ - модуляторами в соответствии с теоремой Котельникова. На выходе АИМ - модуляторов формируется групповой АИМ - сигнал. Работой АИМ - модуляторов управляют последовательности канальных импульсов. Групповой АИМ - сигнал поступает на кодер, который одновременно с кодированием осуществляет операцию квантования по уровню.

Многоканальные системы передачи в основном применяются для передачи речевых сигналов, которые относятся к непрерывным. Для передачи непрерывного сообщения с помощью ИКМ необходимо выполнить следующие операции:

· дискретизация сообщения по времени (получение АИМ - сигнала);

· квантование полученных импульсов (отсчетов, выборок) по амплитуде;

· кодирование квантованных по амплитуде импульсов.

В результате квантования возникают специфические нелинейные искажения, действие которых на передаваемый сигнал можно условно представить как добавление к неискаженному сигналу некоторой аддитивной помехи - шума квантования. Эти искажения неустранимы, но практически могут быть сделаны неощутимыми для получателя сообщений при надлежащим выборе числа уровней округляемой (квантуемой) величины сигнала.

В зависимости от разбивки динамического диапазона сообщения на уровни квантования различают равномерное (линейное) и неравномерное (нелинейное) квантования.

Наиболее распространенными для кодеров с неравномерным шагом квантования являются два приблизительно равноценных закона компандирования м и A , с помощью которых получается квазилогарифмическая характеристика компрессора.

Характеристика компрессии закона A? описывается следующим уравнением:

где sign (л) - полярность сигнала;

л - амплитуда входного сигнала;

А - параметр, используемый для определения степени компрессирования.

В качестве международного стандарта для нелинейных кодеров взвешивающего типа принята сегментная характеристика компандирования типа А = 87,6/13 .

Для законов квантования А = 87,6/13 рассчитаем для первых N i отсчётов каждого входного сигналов в первом цикле передачи:

· абсолютное значение отсчётов в условных единицах;

· номер сегмента (С ) отсчётов;

· номер уровня квантования (К ) отсчётов в сегментах.

для 7-го канала для 8-го канала

для 9-го канала для 10-го канала

для 11-го канала для 12-го канала

Номер сегмента С квантованного отсчёта определяется как наименьшее целое из выражения:

Найдем разность r между амплитудой входного сигнала и величиной, соответствующей нижней конечности точке данного сегмента:

Номер уровня квантования К отсчёта в сегменте определяется как наименьшее целое из выражения:

Подставляя значения в формулу, получим:

Аналогичные расчеты произведем для 2-го, 3-го и 4-го циклов передачи. Результаты расчетов сведем в таблицу 4.1.

Таблица 4.1 - Результаты квантования отсчетов по уровню и их кодирование