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:

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 двухмерность [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 У_г 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 У₁ 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. У| У2, СО2;
• 2) синфазности — начальное положение луча на приемном и передающем концах совпадают в одинаковые моменты времени (х_а = 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 х 300 мм. Апертура^[2] луча, считывающего изображение, 0,25 х 0,25 мм (четыре линии на 1 мм).

Решение

• 1. Определим число точек, составляющих все изображение:
  • ? максимум: 210 мм х 300 ммх 16 точек = 1 008 000;
  • ? минимум: 300 мм х 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:

2. Рассчитаем границы частотного диапазона для полного кадра: ? верхняя, МГц,

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

? нижняя, Гц,

• 3. Вычислим верхнюю и нижнюю границы частотного диапазона для полукадра:
  • ? верхняя, МГц,

? нижняя, Гц,

• 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.

• [1] Коллиматор (от «соШто» — искажение правильного, лат. «соШпсо» — направляю по прямой линии) — оптическое устройство для получения пучков параллельных лучей.
• [2] Апертура (от лат. «apertura» — отверстие) — действующее отверстие оптической системы, определяемое размерами линз или диафрагмами.