Передача и преобразование сигналов кратко
Обновлено: 03.07.2024
2.4 Методы преобразования и передачи звуковых сигналов
А- и мю-преобразования
| y ~ log(1 + m x) | (так называемая m -зависимость [ m -law]) |
| В Европе используется функция преобразования вида: | |
| y ~ ax | в области значений x вблизи нуля и |
| y ~ 1 + log(Ax) | при “больших” значениях x (A-зависимость [a-law], см. рис. 2.4.1) |
Для дальнейшего упрощения процесса преобразования реальные кривые апроксимируются последовательностью отрезков прямых, наклоны которых каждый раз меняется вдвое. На практике функция табулируется (рекомендация G.711) и отличия m - и A-функций пренебрежимо малы. Но следует учитывать, что при реализации практической связи между Европой и Америкой, например телефонной, необходим m /A-конвертор.
Для кодирования используется симметричный код, у которого первый бит характеризует полярность сигнала.
Рис. 2.4.1. Иллюстрация функций преобразования сигналов
Адаптивные преобразователи голоса в код
Дальнейшим усовершенствованием схемы PCM является адаптивный дифференциальный метод кодово-импульсной модуляции (Рис. 2.4.2). Здесь преобразуется в код не уровень сигнала в момент времени ti, а разница уровней в моменты ti и ti-1. Так как обычно сигнал меняется плавно, что типично для человеческой речи, можно заметно сократить необходимое число разрядов АЦП. Принципиальное отличие между PCM и ADPCM (1984 год) заключается в использовании адаптивного АЦП и дифференциального кодирования, соответственно. Адаптивный АЦП отличается от стандартного PCM-преобразователя тем, что в любой момент времени уровни квантования расположены однородно (а не логарифмически), причем шаг квантования меняется в зависимости от уровня сигнала. Применение адаптивного метода базируется на том, что в человеческой речи последовательные уровни сигнала не являются независимыми. Поэтому, преобразуя и передавая лишь разницу между предсказанием и реальным значением, можно заметно снизить загрузку линии, а также требования к широкополосности канала. Следует иметь в виду, что метод не лишен серьезных недостатков: уровень шумов, связанный с квантованием сигнала, выше; при резких изменениях уровня сигнала, превышающих диапазон АЦП, возможны серьезные искажения.
Рис. 2.4.2. Адаптивный преобразователь голоса в код
Расширение диапазона преобразования достигается умножением шага квантования на величину несколько больше (или меньше) единицы.
При дифференциальном преобразовании на вход кодировщика подается не сам сигнал, а разница между текущим значением сигнала и предыдущим (рис. 2.4.3).
Рис. 2.4.3. ADPCM-преобразователь голоса в код для 32кбит/с
Блок прогнозирования является адаптивным фильтром, который использует предшествующий код для оценки последующего стробирования. На вход кодировщика поступает сигнал, пропорциональный разнице между входным сигналом и предсказанием. Чем точнее предсказание, тем меньше бит нужно, чтобы с нужной точностью закодировать эту разницу. Характер человеческой речи позволяет заметно снизить требования к каналу при использовании адаптивного дифференциального преобразователя.
Для компактных музыкальных дисков (CD) характерна полоса 50Гц - 20 кГц, обычная же речь соответствует полосе 50 Гц - 7 кГц. Только звуки типа Ф или С имеют заметные составляющие в высокочастотной части звукового спектра. Для высококачественной передачи речи используется субдиапазонный ADPCM-преобразователь (Adaptive Differential Pulse Code Modulation). В нем звук сначала стробируется с частотой 16 кГц, производится преобразование в цифровой код с разрешением не менее 14 бит, а затем подается на квадратурный зеркальный фильтр (qmf), который разделяет сигнал на два субдиапазона (50Гц-4кГц и 4кГц-7кГц). Диапазоны этих фильтров перекрываются в области 4кГц. Нижнему диапазону ставится в соответствие 6 бит (48кбит/с), а верхнему 2 бита (16 Кбит/с). Выходы этих фильтров мультиплексируются, формируя 64 кбит/с -поток.
Стандарт MUSICAM
На CD используется 16-битное кодирование с частотой стробирования 44,1 кГц, что создает информационный поток 705 Кбит/c. Для стерео сигнала этот поток может удвоиться. Практически это не так - сигналы в стереоканалах сильно коррелированы, и можно кодировать и передавать лишь их разницу, на практике высокочастотные сигналы каналов суммируются, для различия каналов передается код их относительной интенсивности. Исследования показывают, что для акустического восприятия тонкие спектральные детали важны лишь в окрестности 2 кГц. Для передачи звуковой информации с учетом этих факторов был разработан стандарт MUSICAM (Masking pattern Universal Sub-band Integrated Coding and Multiplexing), который согласуется с ISO MPEG (Moving Picture Expert Group; стандарт ISO 11172). При кодировании музыкальных произведений не всякие комбинации звуков возможны (они воспринимались бы как неблагозвучные). Это является базой для дополнительного сжатия музыкальных данных. C точки зрения энтропии одной ноте соответствует
Рис. 2.4.4. Изменение порога чувствительности человеческого уха под влиянием эффекта маскирования.
При разбиении на субдиапазоны можно оценить эффект маскирования и передавать только ту часть информации, которая этому эффекту не подвержена. При этом уровень ошибок квантования следует держать лишь ниже порога маскирования, что также снижает информационный поток. Для стробирования высококачественных звуковых сигналов используются частоты 32, 44,1 или 48 кГц. Стандартом предусмотрено три уровня кодирования звука, отличающиеся по сложности и качеству. На первом уровне производится разбивка на 32 диапазона, определение диапазонных коэффициентов и формирование кадров, несущих по 384 результатов стробирования. Уровень 2 формирует кадры с 1152 результатами стробирования и дополнительными данными. Уровень 3 допускает динамическое разбиение на субдиапазоны и уплотнение данных с использованием кодов Хафмана. Любой декодер способен работать на своем и более низком уровне.
Для улучшения качества передачи низких частот в дополнение к суб-диапазонным фильтрам, используется быстрое Фурье-преобразование (FFT). Результирующая частота бит при передаче звуковых данных оказывается не постоянной. Практическое измерение показывает, что частота редко превышает 110кбит/с, применение 128кбит/с делает качество воспроизведения неотличимым от CD. Ограничение скорости на уровне 64 Кбит/с вносит лишь незначительные искажения.
Телефонные сети
Люди, работающие на ЭВМ дома, часто подсоединяются к Интернету посредством модема через коммутируемую телефонную сеть с привлечением протоколов SLIP или PPP. Схема подключения показана на рис. 2.17.
Рис. 2.4.5. Подключение ЭВМ через модем и цифровую телефонную станцию.
Рис. 2.4.6. Подключение к Интернету через модемный пул.
Если телефонная станция — аналоговая, то кодеки не нужны. Число промежуточных телефонных станций может варьироваться в широких пределах. Сервис-провайдеры обычно имеют у себя модемные пулы, которые позволяют подключиться большому числу клиентов одновременно (рис. 2.4.6).
Рис. 2.4.7. Схема телефонной сети.
Телефонные компании знают, что некоторые каналы-направления оказываются загружены особенно сильно, например, Москва–СанктПетербург. В таких случаях иерархия станций может быть нарушена. На самом верхнем уровне станции образуют полносвязный граф, чтобы исключить неоправданные транзитные связи. Неоднозначность пути устраняется процессорами станций, при этом всегда выбирается кратчайший путь.
Ниже в таблицах представлены данные по скоростям передачи аудиоданных по традиционным цифровым и отповолоконным каналам (см. также раздел 3.5.6).
Таблица 2.4.1 Скорости передачи данных по цифровым каналам
| Линия | Быстродействие Мбит/с | Число аудио каналов |
| DS-0 | 0,064 | 1 |
| T-1 | 1,544 | 24 |
| T-1C | 3,152 | 48 |
| T-2 | 6,312 | 96 |
| T-3 | 44,736 | 672 |
Таблица 2.4.2. Скорости передачи данных по оптическим каналам
| Линия OC-x | Быстродействие Мбит/с | Число аудио каналов | STM-x |
| 1 | 51,84 | 672 | - |
| 3 | 155,52 | 2016 | 1 |
| 9 | 466,56 | 6048 | 3 |
| 12 | 622.08 | 8064 | 4 |
| 24 | 1244,16 | 16128 | 8 |
| 48 | 2488,32 | 32256 | 6 |
| 6 | 976,64 | 4512 | 2 |
| 92 | 953,28 | 29024 | 4 |
Еще одним методом, нацеленным на повышение эффективности преобразования входного аналогового сигнала в код, является дельта-модуляция.
Процессы передачи и преобразования сигналов обеспечивают поступление в высшие сенсорные центры наиболее важной (существенной) информации о сенсорном событии в такой форме, которая удобна для надежного и быстрого анализа. Что следует считать существенной информацией? В разных условиях и ситуациях это понятие может меняться. Однако имеется некоторое общее свойство, которое универсально отличает существенную информацию от несущественной. Это — степень ее новизны. Ясно, что новые события при прочих равных условиях информационно важнее для организма, чем привычные. Поэтому эволюционно было выработано свойство прежде всего и быстрее всего передавать в мозг и перерабатывать информацию об изменениях в сенсорной среде. Эти изменения могут быть как временными, так и пространственными.
Для временных преобразований информации во всех сенсорных системах типично сжатие, или временная компрессия сигналов: переход от длительной (тонической) импульсации нейронов на нижних уровнях системы к коротким (физическим) пачечным разрядам нейронов высоких уровней.
Кодирование информации
В коре мозга сигналы кодируются также последовательностью включения параллельно работающих нейронных каналов, синхронностью ритмических импульсных разрядов возбужденных нейронов, изменением их числа. В коре одним из основных используемых способов становится позиционное кодирование. Оно заключается в том, что какой-то признак раздражителя вызывает возбуждение определенного нейрона или небольшой группы нейронов, расположенных в определенном месте нейронного слоя. Например, возбуждение небольшой локальной группы нейронов зрительной коры означает, что в определенной части поля зрения появилась световая полоска определенного размера и ориентации. Возбуждение определенных нейронов височной коры сигнализирует о появлении в поле зрения знакомого лица. Для периферических отделов сенсорной системы типично временное кодирование признаков раздражителя, а на высших уровнях происходит переход к преимущественно пространственному (в основном позиционному) коду.
Детектирование сигналов
Опознание образов
Опознание часто происходит независимо от изменчивости сигнала. Мы надежно опознаем, например, предметы при различной их освещенности, окраске, размере, ракурсе, ориентации и положении в поле зрения. Это означает, что сенсорная система формирует независимый от изменений ряда признаков сигнала (инвариантный к этим изменениям) сенсорный образ.
Рис. 3.2. Пример одной из простейших зрительных иллюзий: длина
горизонтальных отрезков на верхней и нижней фигурах кажется
различной, хотя на самом деле они равны
Адаптация сенсорной системы
Адаптационные процессы начинаются на уровне рецепторов, охватывая и все нейронные уровни сенсорной системы. Заметная адаптация не развивается только в вестибуло- и проприорецепторах. По скорости данного процесса все рецепторы делятся на быстро и медленно адаптирующиеся. Первые после развития адаптации практически вообще не сообщают в мозг о длящемся раздражении, у вторых эта информация передается, хотя и в значительно ослабленном виде. Когда действие постоянного раздражителя прекращается, абсолютная чувствительность сенсорной системы восстанавливается. Так, в темноте абсолютная чувствительность зрения резко повышается.
В сенсорной адаптации важную роль играет эфферентная регуляция свойств сенсорной системы. Она осуществляется за счет нисходящих влияний со стороны более высоких на более низкие ее отделы. Происходит как бы перенастройка свойств нейронов на оптимальное восприятие внешних сигналов в изменившихся условиях. Кроме того, состояние разных уровней сенсорной системы контролируется также ретикулярной формацией, включающей их в единую систему, интегрированную с другими отделами мозга и организма в целом. Эфферентные влияния в сенсорных системах чаще всего имеют тормозный характер, т. е. приводят к уменьшению их чувствительности и ограничивают поток афферентных сигналов.
Общее количество эфферентных нервных волокон, приходящих к элементам какого-либо нервного слоя, как правило, во много раз меньше количества его собственных нейронов. Это определяет важную особенность эфферентного контроля в сенсорных системах: его широкий и диффузный характер. Речь идет об общем снижении чувствительности значительной части нейронного слоя.
Кодирование информации.
Детектирование сигналов - избирательное выделение нейроном того или иного признака раздражителя. Такой анализ осуществляют нейроны-детекторы, они избирательно реагируют лишь на определенные параметры стимула. Например, нейрон зрительной области коры отвечает разрядом лишь на один признак, расположенной в определенной части поля зрения. При других видах воздействия ответят другие нейроны. В коре больших полушарий сконцентрированы детекторы сложных признаков и целых образов и явлений. Многие детекторы имеют генетическую природу, а часть могут развиться в онтогенезе каждого индивидуума.
Переработка информации в сенсорной системе происходит в результате взаимодействия процессов возбуждения и торможения и межнейронного взаимодействия. Возбудительное взаимодействие заключается в том, что аксон каждого нейрона, контактирует с несколькими нейронами, каждый из которых получает сигналы от нескольких клеток предыдущего слоя. Совокупность рецепторов, сигналы которых поступают на данный нейрон, называют его рецептивным полем. Эти поля соседних нейронов частично перекрываются. В результате такой организации связей в сенсорной системе образуется так называемая нервная сеть. В результате чего повышается чувствительность системы к слабым сигналам и обеспечивается высокая приспособляемость к меняющимся условиям среды.
Тормозная переработка сенсорной информации основана на том, что обычно каждый возбужденный сенсорный нейрон активирует тормозный интернейрон. Интернейрон в свою очередь подавляет импульсацию как самого возбудившего его элемента (последовательное, или возвратное, торможение), так и его соседей по слою (боковое, или латеральное, торможение). Торможение выражено тем больше, чем сильнее возбужден первый элемент и чем ближе к нему соседняя клетка. Значительная часть операций по снижению избыточности и выделению наиболее существенных признаков о раздражителе производится латеральным торможением.
Адаптация органов чувств заключается в способности их приспосабливать свои свойства к условиям окружающей среды и потребностям организма. Адаптация заключается в снижении абсолютной и повышении дифференциальной чувствительности сенсорной системы. Субъективно адаптация проявляется в привыкании к действию постоянного раздражителя (например, мы не замечаем запах при длительном действии его, снижается интенсивность воздействия яркого света – адаптация к свету или, наоборот, адаптация к темноте и т.д.). Адаптация начинается с рецепторов, а затем охватываются все нейронные уровни сенсорной системы. По скорости развития адаптации все рецепторы делятся на быстро- и медленно адаптирующиеся. Быстро адаптирующиеся рецепторы после развития адаптации практически не посылают в мозг информации о длящемся раздражении. Вторые эту информацию передают в значительно ослабленном виде. После прекращения действия раздражителя, абсолютная чувствительность (порог) восстанавливается. В сенсорной адаптации важную роль играют эфферентные влияния сенсорной системы, т.е. нисходящие влияния более высоких на низкие ее отделы. Эфферентные влияния в сенсорных системах чаще всего имеют тормозной характер, т.е. приводят к уменьшению их чувствительности и ограничивают поток афферентных сигналов. Однако этот процесс может иметь противоположный характер в том случае, если адаптация происходит с повышением чувствительности (например, адаптация к темноте).
Глазное яблоко имеет шарообразную форму. Глаз имеет несколько оболочек: наружная, непрозрачная соединительнотканная оболочка – склера, в передней части глаза она переходит в прозрачную роговую оболочку. Под склерой лежит сосудистая оболочка. Спереди эта оболочка утолщается и переходит в начале в ресничное тело и далее в радужную оболочку. В центре радужной оболочки имеется отверстие – зрачок. С внутренней стороны сосудистой оболочки находится слой клеток пигментного эпителия, а к нему прилегает самая внутренняя оболочка – сетчатая оболочка, или ретина. Ретина выполняет самую основную функцию глаза – преобразование светового раздражения в нервное возбуждение и первичную обработку сигнала. Между роговой и радужной оболочками имеется полость, наполненная жидкостью – передняя камера глаза. За радужной оболочкой находится прозрачное тело в виде двояковыпуклой линзы – хрусталик. Он прикрепляется к ресничному телу. За хрусталиком вся полость заполнена стекловидным телом. Первичная обработка информации происходит в сетчатке, которая состоит из 10 слоев. Первые 4 слоя образованы фоторецепторами. Нейроны сетчатки – горизонтальные, биполярные, амакриновые и ганглиозные клетки – неоднородны по величине и форме, толщине, длине, количеству отростков и синаптических образований. На пути к сетчатке лучи света проходят через несколько прозрачных сред — роговицу, хрусталик и стекловидное тело. Они входят в понятие – преломляющая или оптическая система глаза. Оптическая сила глаза измеряется в диоптриях. Преломляющая сила здорового глаза составляет 59D при рассматривании далеких и 70,5 D — при рассматривании близких предметов.
Механизм аккомодации (по Гельмгольцу): 1 – склера, 2 – сосудистая оболочка, 3 – сетчатка, 4 – роговица,
5 – передняя камера, 6 – радужная оболочка, 7 – хрусталик, 8 - стекловидное тело; 9 — ресничная мышца, ресничные отростки и ресничный поясок (цинновы связки); 10 — центральная ямка; 11 — зрительный нерв.
Рис. 14.3. Ход лучей от объекта и построение изображения на сетчатой оболочке глаза.
АВ — предмет; ав — его изображение; 0 — узловая точка; Б-б — главная оптическая ось
У здоровых людей преломляющая сила глаза колеблется в пределах 52–64 D. Наибольшую преломляющую силу имеет роговица (около 43 D) и несколько меньше хрусталик (около19 D). На сетчатке получается изображение, резко уменьшенное и перевернутое вверх ногами и справа налево. Если смотреть вдаль и одновременно представить себе насколько ясно виден предмет, находящийся на расстоянии 20–30 см перед глазом, то легко заметить, что он виден не резко и расплывчато. Причина этого явления состоит в том, что, когда на сетчатке находится изображение далеко расположенного предмета, то лучи света от ближнего предмета сходятся к точкам, лежащим за сетчатой. Возникает так называемый круг светорассеяния и нечеткое изображение предмета.
Преобразование сигналов в канала связи осуществляется двумя способами:
- амплитудно-импульсная (меняется амплитуда импульса),
- частотно-импульсная (меняется период импульса),
- широтно-импульсная (меняется продолжительность импульса),
- время-импульсная (меняется положение импульса во временной оси) модуляция.
В цифровых системах передачи аналоговый сигнал должен быть подвержен кодированию - переводу в цифровой код. Данный перевод очень сложен и охватывает три последовательных процесса: дискретизация во времени, квантование отсчетных уровней по времени, кодирование.
Готовые работы на аналогичную тему
Методы формирования сигналов в каналах связи
Формирование сигнала - манипуляция аналоговым сигналом таким образом, чтобы он отвечал требованиям следующих этапов обработки.
В зависимости от используемых систем передачи и оборудования методы формирования сигналов в каналах связи делятся на следующие:
- Фильтрация. Фильтрация представляет собой самую распространенную функцию формирования сигнала, потому что не весь спектр передаваемого сигнала содержит достоверные сведения. Она используется для удаления ненужных компонентов, например, шума.
- Усиление. На усиления сигнала возложены две основные функции: увеличение разрешающей способности входного сигнала и увеличение отношение шум/сигнал. Например, выход электронного датчика температуры недостаточно высок для аналого-цифрового преобразователя, поэтому необходимо довести уровень напряжения датчика до нужного. Самыми распространенными усилителями сигнала являются пиковые детекторы, логарифмические усилители, программируемые усилители усиления, усилители удержания и выборки, а также измерительные усилители.
- Затухание. Затухание является противоположным процессом по отношению к усилению. Данный метод формирования сигнала снижает амплитуду входного сигнала. Оно необходимо при измерении напряжений, которые превышают 10 В.
- Возбуждение. Для нормального функционирования пассивного датчика необходимо внешнее питание. Точность и стабильность сигнала возбуждения напрямую связаны с точностью и стабильностью датчика.
- Линеаризация. Данный метод используется в том случае, когда сигналы напряжения никак не связаны с физическими измерениями. Он представляет собой процесс интерпретации сигнала от датчика и осуществляется при помощи программного обеспечения или формирования сигнала.
- Электрическая изоляция. Такой способ формования применяется в случае необходимости изоляции источников возмущения.
Получи деньги за свои студенческие работы
Курсовые, рефераты или другие работы
Автор этой статьи Дата последнего обновления статьи: 13.08.2021
Автор24 - это сообщество учителей и преподавателей, к которым можно обратиться за помощью с выполнением учебных работ.
Читайте также: