Дискретизация, квантование, кодирование. Понятие информации. Сообщения и сигналы. Кодирование и квантование сигналов

Сигнал (от лат. signum - знак) - знак, физический процесс (или явление), несущий информацию о каком-либо событии, состоянии объекта наблюдения либо передающий команды управления, указания, оповещения.

Сигнал является материальным носителем информации, которая передается от источника к потребителю.

Сигнал - это изменяющийся во времени физический процесс. Такой процесс может содержать различные характеристики. При взаимодействии сигнала с физическими телами возникают определенные изменения свойств этих тел, которые можно зарегистрировать. Таким образом, будем считать, что данные - это зарегистрированные сигналы. Характеристика, которая используется для представления данных, называется параметром сигнала. Если параметр сигнала принимает ряд последовательных значений и их конечное число, сигнал называется дискретным. Если параметр сигнала непрерывная функция, то сигнал называется непрерывным.

Квантование сигнала - преобразование сигнала в последовательность импульсов (квантование сигнала по времени) или в сигнал со ступенчатым изменением амплитуды (квантование сигнала по уровню), а также одновременно и по времени, и по уровню. Применяется при преобразовании непрерывной величины в код в вычислительных устройствах, цифровых измерительных приборах и др.

Данные, безусловно, несут в себе информацию, но они ей не тождественны. Для того чтобы данные стали информацией необходимо наличие методов пересчета одной величины в другую. Данные - диалектическая составная часть информации. В соответствии с методом регистрации данные могут храниться и транспортироваться на носителях различных видов.

Самым распространенным носителем данных в настоящее время является бумага. На бумаге данные регистрируются путем изменения оптических характеристик ее поверхности. В то же время изменение коэффициента отражения поверхности в определенном диапазоне длин волн используется в устройствах, осуществляющих запись лазерным лучом на пластмассовых носителях с отражающим покрытием (CD ROM). Магнитные ленты и магнитные диски, служащие в современных компьютерах главными носителями информации, используют изменение магнитных свойств тела. Свойства информации получаемой пользователем, тесно связаны со свойствами носителей данных, с которых эта информация будет получена. Любой носитель можно характеризовать параметром разрешающей способности , т.е. количеством данных записанных в принятой на носителе единице измерения, и динамическим диапазоном - логарифмическим отношением интенсивности амплитуд максимального и минимального регистрируемого сигнала. От этих свойств носителя зависят такие свойства информации, как полнота, доступность и достоверность. Задача преобразования данных с целью смены носителя относится к одной из важнейших задач информатики. В стоимости вычислительных систем устройства для ввода и вывода данных, работающие с носителями информации, составляют не меньше половины стоимости аппаратных средств.

Обуславливая диалектическое единство данных и методов в информационном процессе, определяют следующие понятия.

Динамический характер информации. Данные имеют статичный характер. Информация динамически меняется и существует только в момент времени взаимодействия данных и методов. Таким образом, информация существует только в момент протекания информационного процесса. Все остальное время она содержится в виде данных.

Требования адекватности методов. Одни и те же данные могут в момент потребления поставлять разную информацию, в зависимости от степени адекватности взаимодействующих с ними методов. Использование более адекватных методов даст более полную информацию.

Диалектический характер взаимодействия данных и методов. Данные являются объективными, это результат регистрации объективно существовавших сигналов, вызванных изменениями в материальных полях или телах. В тоже время методы являются субъективными. В основе искусственных методов лежит алгоритм, т.е. упорядоченная последовательность команд, составленная и подготовленная человеком (субъектом). В основе естественных методов лежат биологические свойства субъектов информационного процесса.

Таким образом, информация возникает и существует в момент диалектического взаимодействия объективных данных и субъективных методов.

Для автоматизации работы с данными, относящимися к различным типам и несущим в себе различную информацию очень важно унифицировать форму их представления. Для этого обычно используется прием кодирования.

Кодирование - это выражение данных одного типа через данные другого типа.

Естественные человеческие языки - это не что иное, как системы кодирования понятий для выражения мыслей посредством речи.

В вычислительной технике работа ведется с числовой информацией. Остальная информация тексты, звуки, изображения и т.д. для обработки в вычислительной среде должна быть преобразована в числовую форму. При этом все числа в память компьютера записываются с использованием, так называемого двоичного кодирования. Двоичное кодирование основано на представлении данных последовательностью всего двух знаков 0 и 1. Эти знаки называются двоичными цифрами, по-английски binary digit или сокращенно (bit) бит.

Двоичная система кодирования выбрана совсем не случайно. Она легко реализуется технически. Электронные схемы для обработки двоичных кодов должны находиться в одном из двух состояний «есть сигнал/нет сигнала» или «высокое / низкое» напряжение и т.д. Схему легко переключать из одного состояния в другое.

Бит - минимальная единица информации в вычислительной технике. Один двоичный разряд.

Группа из восьми бит называется байт и обеспечивает основу записи информации в память компьютера.

• 1024 байта = 1 килобайту (Кб)
• 1024 килобайта = 1 мегабайту (Мб)
• 1024 мегабайта = 1 гигабайту (Гб)

Для правильного понимания, как представляется информации в памяти компьютера, рассмотрим различные системы счисления, используемые современными вычислительными средствами.

Система счисления - это совокупность правил наименования и изображения чисел с помощью набора знаков.

Системы счисления бывают позиционные и непозиционные .

Непозиционная система счисления - это система, где порядок цифры в числе определяется по установленному правилу. Например, непозиционной системой счисления является «римская» система.

Позиционной системой счисления , называется система - где порядок цифры в числе определяется рядом степени числа, которое является основанием данной системы счисления.

В общем виде целое число в позиционной системе счисления можно представить выражением:

N (m) = k0 * m0 + k1 * m1 +…kn-1 * mn-1, где

N(m) - число в m-ой системе счисления;

m - разрядность системы (двоичная, восьмеричная, десятичная, шестнадцатеричная системы m = 2; m = 8; m = 10, m = 16);

n - количество разрядов в числе;

k - цифра в числе.

Рассмотрим, как записываются числа в позиционных системах счисления, используемых современной вычислительной техникой.

Десятичная система счисления.

Основанием десятичной системы является ряд степени числа 10. Разрядность системы m = 10. В десятичной системе счисления 10 цифр (от 0 до 9). Возьмем, к примеру, десятичное число 1957. Число, состоит из четырех цифр - четырехзначное, т.е. n =4. Используя выше приведенную формулу, получим число в десятичной системе счисления.

N(10) = 7*100 + 5*101 + 9*102 + 1*103 = 1957

Двоичная система счисления.

Основанием двоичной системы является ряд степени числа 2. Разрядность системы m = 2. В двоичной системе счисления 2 цифры (0 и 1). Возьмем, к примеру, двоичное число 100011В (В-идентификатор двоичной системы счисления). Число, состоит из шести цифр - шестизначное, т.е. n = 6. Используя выше приведенную формулу, получим десятичное число.

N(2) = 1*20 + 1*21 + 0*22 + 0*23 + 0*24 + 1*25 = 35, т.е. двоичное число 100011В = десятичному числу 35.

Обратим внимание, что для записи чисел в позиционных системах счисления могут быть использованы одинаковые цифры. Так цифры 0 и 1 используются как десятичной, так и двоичной системой. Поэтому в записи чисел недесятичной системы счисления принято использовать буквы являющиеся идентификаторами систем счисления и позволяющие отличить числа одной системы счисления от другой.

Восьмеричная система счисления

Основанием восьмеричной системы является ряд степени числа 8. Разрядность системы m = 8. В восьмеричной системе счисления 8 цифр (от 0 до 7). Возьмем, к примеру, восьмеричное число 573Q (Q-идентификатор восьмеричной системы счисления). Число, состоит из трех цифр - трехзначное, т.е. n = 3. Используя выше приведенную формулу, получим десятичное число.

N(8) = 3*80 + 7*81 + 5*82 = 379, т.е. восьмеричное число 573Q = десятичному числу 379.

Шестнадцатеричная система счисления.

Основанием шестнадцатеричной системы является ряд степени числа 16. Разрядность системы m = 16. В шестнадцатеричной системе счисления 16 цифр (от 0 до F), первые десять цифр от 0 до 9 совпадают с цифрами десятичной системы, а затем идут цифры: A - цифра десять; B - цифра одиннадцать; C - цифра двенадцать; D - цифра тринадцать; E - цифра четырнадцать; F - цифра пятнадцать. Возьмем, к примеру, шестнадцатеричное число 1A7H (H-идентификатор шестнадцатеричной системы счисления). Число, состоит из трех цифр - трехзначное, т.е. n = 3. Используя выше приведенную формулу, получим десятичное число.

N(16) = 7*160 + 10*161 + 1*162 = 423, т.е. шестнадцатеричное число 1A7H = десятичному числу 423.

Каждый раз, вычисляя число N(m) по приведенной выше формуле мы получаем число в десятичной системе. Таким образом, числа из 2-ой, 8-ой и 16-ой системы мы переводили в десятичную систему счисления.

Обобщенная структурная схема тракта цифрового ТВ.

Общие характеристики форматов сжатия MPEG

Основные понятия.

ТВ системы, где для передачи, консервации, обработки и приема используется аналоговый сигнал, называются аналоговыми. Эти системы имеют ряд недостатков, серьезно, сужающие возможности развития ТВ. Одним из главных является низкая помехоустойчивость аналогового сигнала, который подвергается воздействию шумов и помех в каждом звене длиной цепи устройств преобразования и передачи сигналов, число звеньев которой с развитием ТВ сильно увеличивается. При аналоговой системе передачи помехи каждого звена накапливаются. Сейчас используется большое количество аппаратуры различных спецэффектов, разнообразящих передачу, но требующих дополнительных преобразований сигналов. Поэтому повышение помехозащищенности приобретает все более важное значение. Существенно уменьшить искажения от помех и решить ряд других задач позволяют цифровые методы.

Цифровое ТВ – область ТВ техники, в которой операции обработки, консервации и передачи ТВ сигнала связаны с его преобразованием в цифровую форму.

Цифровые системы ТВ различают 2 типов:

1. Полностью цифровой в которой аналого-цифровое и цифро-аналоговое, преобразование изображения производится непосредственно в преобразователях свет-сигнал и сигнал-свет и во всех звеньях тракта сигнал передается в цифровой форме. Однако на данном этапе развития техники таких систем еще не существует.

2. Комбинированные, в которых аналоговый сигнал, получаемый с датчиков, преобразуется в цифровую форму, подвергается всей необходимой обработке, передаче или консервации, а затем вновь приобретает аналоговую форму.

В таких системах на вход тракта цифрового ТВ поступает аналоговый сигнал, где он кодируется, т.е. преобразуется в цифровую форму. Это преобразование представляет комплекс операций, основными из которых являются: дискретизация, квантование и непосредственно кодирование.

Дискретизация – замена непрерывного аналогового сигнала последовательностью отдельных во времени значений уровня сигнала (отсчетов), которые при равномерной дискретизации , выбираются по теореме Котельникова. По этой теореме для того чтобы передать любой непрерывный сигнал, имеющий ограниченный спектр частот (рис 14.1,а), достаточно передавать его значения с частотой дискретизацией ³2Fmax (рис.14.1,б), где Fmax – максимальная частота спектра исходного сигнала. Для восстановления исходного аналогового сигнала отсчеты необходимо пропустить через идеальный ФНЧ со срезом на Fmax.

В ТВ чаще всего применяется дискретизация с постоянной частотой, которая может быть связана, или не связана с частотами развертки. При жесткой связи получается постоянное число отсчетов в строке, соответствующее одним и тем же элементам изображения, а на изображении получается фиксированная ортогональная структура дискретизации , где отсчеты располагаются в узлах прямоугольной решетки. Этот способ сейчас наиболее распространен в цифровых устройствах ТВ вещания.

После дискретизации следует процессквантования – замене мгновенных значений отсчетов ближайшими из набора отдельных фиксированных уровней(уровней квантования) . Это тоже дискретизация, но не времени, а по уровню (рис.14.1,в). При этомразница между уровнями квантования называетсяшагом квантования, а округление отсчетов до верхнего или нижнего уровня определяется порогом квантования . По своему смыслу операция квантования предполагает появление ошибки между истинным значением сигнала и его квантованным приближением – ошибки или шумов квантования . Если собственные шумы аналоговой системы

Рис.14.1. Преобразование аналогового сигнала в цифровую форму

невелики по сравнению с шагом квантования, то шумы квантования проявляются в виде ложных контуров, особенно заметных при «грубом» квантовании, когда число уровней недостаточно. Если же шумы аналоговой системы велики, шумы квантования сказываются как равномерно распределенные шумы, что зрительно увеличивает зашумленность изображения. На цветном изображение это сказывается в виде цветных узоров. Для улучшения качества изображения требуется увеличивать число уровней квантования, а для уменьшения размера цифрового поток применяют нелинейную шкалу квантования, основанную на законе Вебера-Фехнера (ощущение приращения яркости пропорционально логарифму отношения конечной яркости к начальной ). При этом виде квантования шаги его увеличиваются к верхней части диапазона. Экспериментально доказано, что при 2 7 уровнях мы получаем качество изображения, соответствующее 2 8 . Возможность восстановления сигнала по его квантованному приближению вытекает из ограниченности контрастной и цветовой чувствительности зрительной системы человека.

Заключительная операция преобразования аналогового сигнала в цифровую форму - кодирование – заменой квантованного значения отсчета соответствующим двоичным числом кодовой комбинацией символов (рис.14.1,г). Способ кодирования, в котором значения отсчетов представляются натуральном двоичном коде, называется импульсно-кодовой модуляции (ИКМ).

Дискретизация, квантование и кодирование обычно выполняются одним устройством –аналого-цифровым преобразователем (АЦП), а обратное преобразование производится в цифро-аналоговом преобразователе (ЦАП).

Исследования цифрового способа передачи применительно к ТВ начались еще в 30-е годы, но лишь недавно началось его применение в вещательном ТВ. Это обусловлено жесткими требованиями к быстродействию устройств преобразования и передачи цифрового сигнала поскольку для вещательного ТВ сигнала с верхней частотой спектра6 МГц необходима частота дискретизации fтакт=12 МГц . В системахЦТВ для унификации цифрового ТВ сигнала стандартов различных стран ее устанавливают равной 13,5 МГц. Для обеспечения максимального числа градаций яркости различимых глазом, которое колеблется от 100 до 200 необходимо использовать 7 или 8 разрядный код, обеспечивающий 128 или 256 полутонов. При этом скорость передачи составит C=Nfтакт= 8*13.5=108 Мбит/с , где N – разрядность кода. Таким высоким быстродействием должны обладать как устройства обработки ТВ сигнала, так и каналы связи для его передачи, что технически трудно реализуемо

Для сокращения требуемой скорости передачи используют специальные методы сжатия ТВ сигналов, за счет устранения информационной избыточности, которую разделяют условно на статистическую и физиологическую.

Статистическая избыточность определяется свойствами изображений, которые не являются в общем случае хаотическим распределением яркостей, а описываются законами, устанавливающими определенные связи (корреляцию) между яркостями отдельных элементов. Особенно велика корреляция между соседними в пространстве и времени элементами изображения, что позволяет не передавать многократно одну и ту же информацию, и тем самым сократить цифровой поток.

Физиологическая избыточность обуславливается ограниченностью возможностей зрительного аппарата человека, то есть можно не передавать в сигнале информацию, которая не будет воспринята нашим зрением.

Экспериментально установлено, что в зрительном анализаторе человека существуют совокупности рецепторов – рецептивные поля – которые обрабатывают одновременно большие группы элементов, причем реагируя не столько на яркость, сколько на форму, выделяя наиболее информативные части – контуры, перепады яркости. Это позволяет восстанавливать целостные контуры, даже когда они нарушены из-за помех. Т.е. и в ТВ можно ограничиться передачей определенных конфигураций и при этом сократить число передаваемых элементов. Например, при ортогональной структуре дискретизации обнаруживается чрезмерная избыточность по диагональным направлениям. Для устранения этого используют более совершенную шахматную структуру.

Большое значение на эффективность цифрового сигнала оказывает способ кодирования. Так ИКМ имеет низкую чувствительность к шумам, помехам и искажениям, простоту восстановления, однако требует очень высоких скоростей передачи, поскольку не устраняет избыточной информации в соседних элементах. Поэтому сейчас нашли применение более эффективные методы кодирования, которые можно условно разбить на три группы: кодирование с предсказанием, групповое кодирование с преобразованием и адаптивное групповое кодирование.

Кодирование с предсказанием заключается в передаче вместо истинного значения сигнала закодированной разности истинного и предсказанного значений, из-за чего они получили название систем сдифференциальной ИКМ – ДИКМ.

Групповые методы кодирования основаны на передаче вместо каждого из дискретных отсчетов определенных линейных комбинаций из совокупности этих отсчетов. Групповые методы кодирования обеспечивают более высокие качественные показатели, чем ДИКМ. Их эффективность меньше зависит от статистических свойств изображений и они менее подвержены канальным ошибкам. В наиболее совершенных системах на элемент изображения требуется только 0,5 – 1 бит. Их недостатком является сложность реализации.

Введение

Глава 1. Равномерное квантование мгновенных значений сигнала

Глава 2. Неравномерное квантование мгновенных значений

Глава 3. Оптимальное квантование

Глава 4. Адаптивное квантование

4.1 Вводные замечания

4.2 Адаптация по входному сигналу

4.3 Адаптация по выходному сигналу

Глава 5. Теория разностного кодирования

Заключение

Список литературы

Введение

Методы рационального кодирования предназначены для сокращения избыточности сообщений в условиях априорной неопределенности относительно статистических характеристик сигналов . Т.е. в условиях, когда сигнал является нестационарным, что часто встречается на практике, или когда неизвестны статистические характеристики этого сигнала. Под рациональным кодированием понимают такое кодирование, при котором измерительная информация представленная в дискретной форме требует минимальное количество символов при заданной верности, т.е. отношении сигнал – шум квантования. Требование рационального кодирования сообщений обусловлены тем, обстоятельством, что в случае нерационального кодирования на первом этапе избыточность сохраняется и на последнем. В случае применения корректирующих (помехоустойчивых) кодов избыточность сообщений еще более возрастает. Процедуры рационального кодирования источника сообщений классифицируются по их возможности менять параметры или структуру кодирующего устройства для обеспечения сжатия данных. Классификация имеет вид (рисунок 1).

Рисунок 1

Фиксированная процедура имеет заданную структуру, которая остается неизменной при любых входных воздействиях. Это не позволяет оптимизировать процесс обработки данных при разных сообщениях на входах квантователя (можно оптимизировать для класса разных сообщений), но допускает простую аппаратную реализацию алгоритма. Пример фиксированной процедуры -

Параметрическая адаптивная процедура чувствительна к статистике сообщений и изменяется в соответствии с выбранным критерием свои параметры. Примерами такой процедуры являются адаптивная и разностная ИКМ.

Непараметрическая адаптивная процедура сжатия данных с изменением структуры алгоритмов сообщений является наиболее перспективной с точки зрения эффективности кодирования источника нестационарных сообщений с изменяющимися статистическими характеристиками. В этом случае меняются не только параметры, но и структура алгоритма кодирования. К таким процедурам относят алгоритм адаптивно - разностной ИКМ с перестройкой структуры фильтра – предсказателя.

Глава 1. Равномерное квантование мгновенных значений сигнала

Предположим, что в результате дискретизации сигнала получается последовательность непрерывных величин

Рисунок 2

Обычно для кодирования квантованных отсчетов используют двоичную последовательность. С помощью B-разрядного кодового слова можно представить

Рассмотрим различные способы квантования сигнала. Пусть

и функция плотности вероятности сигнала симметрична. Тогда

Для речевого сигнала с функцией плотности вероятностей (ФПВ) Лапласа только 0,55% отсчетов сигнала окажутся вне динамического диапазона:

В случае равномерного квантования:

Рассмотрим характеристики равномерного квантователя в случае восьми уровневого квантования.

Первый случай. Квантователь с усечением (рисунок 3) имеет одинаковое количество положительных и отрицательных уровней, но нет нулевого.

Рисунок 3

Второй случай. Квантователь с округлением (рисунок 4) имеет на один отрицательный уровень больше, но есть нулевой уровень.

Рисунок 4

Для квантователя с усечением при предположении, что первый разряд знаковый, квантованное значение равно:

а для квантователя с округлением:

Представим квантованный сигнал в виде:

Для изучения эффектов квантования предполагают, что шум квантования обладает следующими статистическими свойствами:

1. Является стационарным белым шумом.

2. Некоррелирован со входным сигналом.

3. Распределение шума равномерное в пределах

Для этой статистической модели определим отношение сигнал – шум квантования:

где M – оператор усреднения.

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 .

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