В некоторых помимо вынесения решения о виде принятого единичного элемента («1» или «0») одновременно оценивается и качество принятого решения, т. е. путем контроля сигнала определяется условная вероятность неправильного (Н) приема где - вектор параметров контролируемого сигнала. При где к - порог, зависящий от требуемой вероятности необнаружения ошибки, выдается сигнал стирания. Этот сигнал может служить сигналом отказа от принятого решения или просто меткой, говорящей о том, что принятый элемент ненадежен. Отказ от принятого решения (стирание) в сомнительной ситуации является эффективным средством уменьшения числа неправильных решений. На последующих ступенях обработки сигнала и, в частности, при декодировании в УЗО стертые элементы могут быть восстановлены. Как известно , процедура восстановления стертых элементов значительно проще процедуры исправления ошибок и любой корректирующий код может существенно больше восстановить стираний, чем исправить ошибок.
Оценку качества принимаемых сигналов осуществляет ДКС. Все многообразие типов ДКС можно свести к нескольким основным видам, выделив типовые узлы:
1. Устройства, осуществляющие контроль уровня сигнала или его формы в различных точках приемного тракта (контроль до демодулятора, после демодулятора и т. д.). Контроль может производиться в одной или одновременно в нескольких точках приемного тракта.
2 Устройства, выполняющие контроль отдельных параметров принимаемого сигнала с их выделением путем дополнительной обработки сигнала
3. Устройства контроля совокупности параметров принимаемого сигнала.
Рис. 6.71 Детектор качества сигналов с перестраиваемым порогом
Рис. 6.72. Структурная схема ДКС с выделенном контролируемого параметра
Контролируя качество сигнала на интервале анализа (чаще всего равном то), обычно исходят из того, что все необходимые сведения о канале заданы. На практике, как правило, такими сведениями при контроле качества элемента сигнала мы не располагаем. В этой связи задача оценки качества сигнала должна решаться в два этапа. На первом этапе - этапе обучения - определяются требуемые для выставления порога К характеристики канала связи. По результатам оценки качества канала выносится заключение о качестве сигнала. Такое решение позволяет обеспечить заданные характеристики ДКС при переходе с одного канала связи на другой, а также в случае нестационарности канала связи. Устройство, осуществляющее оценку качества канала, назовем детектором качества канала ДКК- Результаты оценки качества канала используются для выставления порога ДКС. Таким образом, детектор качества сигнала с перестраиваемым порогом ДКСП должен содержать ДКС и ДКК (рис. 6.71). Ниже будут рассмотрены принципы построения ДКСП для каналов, в которых действует систематическая помеха. К такого рода помехам можно отнести, в частности, межсимвольную помеху, которая проявляет себя при работе с высокими удельными скоростями, сказываясь при неудачном выборе порога стирания на вероятности стирания и, следовательно, на пропускной способности канала
На рис. 6.72 приведена структурная схема ДКС, осуществляющего контроль одного параметра. Рассмотрим назначение отдельных блоков ДКС Согласующее устройство СУ предназначено для согласования сопротивления в точке подключения ДКС с входным сопротивлением ДКС, а также в случае необходимости для изменения уровня или мощности сигнала. Устройство преобразования параметров УПП предназначено для выделения измеряемого параметра. Измерительное устройство ИУ предназначено для нелинейного преобразования принятого сигнала в «1», если условная вероятность неправильного приема выше заданной, и если условная вероятность неправильного приема ниже заданной. Датчик опорного сигнала ДОС предназначен для формирования опорного (эталонного) сигнала, необходимого для работы ИУ. Этим датчиком задается то значение апостериорной вероятности неправильного приема сигнала, превышение которого должно сопровождаться стиранием.
Рис. 6.73. Структурная схема ДКС с контролем параметра по максимуму и минимуму
Рис. 6.74 Структурная схема ДКС при независимом контроле нескольких параметров
Выходное устройство ВУ предназначено для согласования сопротивлений, уровня, мощности или длительности сигнала на выходе ИУ с соответствующими сопротивлением, уровнем, мощностью или длительностью сигнала, необходимого для дальнейшего использования
Иногда под измерением параметра подразумевается определение того, находится или нет параметр сигнала в определенной зоне, ограниченной максимальным и минимальным значениями. Примером такого контроля может служить контроль уровня по максимуму и минимуму, когда сигнал стирания выдается, если уровень окажется ниже некоторого заданного уровня и выше, чем итах. Для этого случая структурная схема измерителя представлена на рис. 6.73.
Рис. 6.75. Структурная схема ДКС с контролем совокупности параметров
Здесь УОСС - устройство объединения сигналов стирания, которые выдаются и . При этом выдает сигнал стирания при иитах, а - при Если же то сигнал стирания не выдается.
При слежении за параметрами сигнала возможны две разновидности построения структурной схемы:
каждый параметр контролируется раздельно, а результаты контроля объединяются (рис. 6.74) ;
параметры контролируются совместно, т. е. предварительно объединяются по какому-либо закону. Тогда структурная схема примет вид, представленный на рис. 6.75. Здесь УОП - устройство объединения параметров - предназначено для объединения сигналов у, в сигнал
Работа любой системы связи оценивается прежде всего точностью и скоростью передачи информации. Первое определяет качество передачи, второе - количество. В реальной системе связи качество передачи связано со степенью искажений принятого сообщения. Эти искажения зависят от свойств и технического состояния системы, а также от интенсивности и характера помех. Если система связи спроектирована правильно и технически исправна, то необратимые искажения сообщений обусловлены лишь воздействием помех. В этом случае качество передачи полностью определяется помехоустойчивостью системы.
Под помехоустойчивостью понимают способность системы связи противостоять вредному влиянию помех на передачу сообщений. Поскольку действие помех проявляется в том, что принятое сообщение отличается от переданного, то количественно помехоустойчивость при заданной помехе можно характеризовать степенью соответствия принятого сообщения переданному. Эта величина характеризуется термином верность. Количественную оценку верности выбирают по-разному, в зависимости от характера сообщения и требований получателя. Можно показать, что верность передачи зависит от отношения средних мощностей сигнала и помехи (чаще - отношения сигнал/шум; англ. - signal-to-noise ratio - SNR ; обозначают обычно это отношение как S/N).
В работах В. А. Котельникова и К. Шеннона показано, что при выбранном критерии и заданном множестве сигналов, принимаемых при определенной помехе (белом шуме ; white noise), существует предельная (потенциальная) помехоустойчивость, которая ни при каком способе приема не может быть превзойдена. Приемник, реализующий потенциальную помехоустойчивость, называют оптимальным. При некой интенсивности помехи вероятность ошибки приема тем меньше, чем сильнее различаются сигналы, передающие разные сообщения. Проблема состоит в том, чтобы выбрать для передачи информации сильно различающиеся сигналы. Верность передачи можно повысить за счет усложнения методов модуляции- демодуляции и введения помехоустойчивого кодирования сообщений. Наконец, верность передачи зависит и от способа приема сообщений. Необходимо выбрать такой способ приема, который наилучшим образом реализует различие между сигналами при данном отношении сигнал/шум.
Другой важный показатель системы связи - скорость передачи информации.
Как уже отмечалось, объем передаваемой информации принято измерять в битах и байтах. Широко используют и более крупные производные единицы объема информации (как, впрочем, и объема памяти компьютеров): килобайт, мегабайт, гигабайт, а также, в последнее время, терабайт и петабайт.
При определении количества информации исторически сложилась такая ситуация, что с наименованиями «бит» и «байт» некорректно применяли (и применяют) приставки системы СИ (в соответствии с международным стандартом МЭК 60027-2 эти единицы используют, например, так: вместо 1000 = 10 3 записывают 1024 = 2 10):
- 1 Кбайт = 2 10 байт = 1024 байт;
- 1 Мбайт = 2 20 байт = 1024 Кбайт;
- 1 Гбайт = 2 30 байт = 1024 Мбайт = 1 048 576 Кбайт и т.д.
При этом обозначение «Кбайт» принято начинать с прописной буквы в отличие от строчной буквы «к» для обозначения множителя 10 3 .
Напомним, что количество бит или байт, передаваемых в секунду, есть скорость передачи информации, которая определяется в бит/с, бод или байт/с. При повышенной скорости передачи она определяется в Кбит/с, Мбит/с, Гбит/с, Кбайт/с, Мбайт/с, Гбайт/с, Кбод, Мбод, Гбод и т.д.
В последние годы для оценки скорости передачи информации используют термин «битрейт» (bitrate ), отражающий объем передаваемой информации в единицу времени. Битрейт принято использовать при измерении эффективной скорости передачи полезной информации. Битрейт выражают битами в секунду |бит/с|, а также производными величинами с приставками кило-, мега- и т.д.
При использовании не двоичных, а m-ичных символов максимальное количество информации, которое можно передать по каналу связи, равно log 2 m [бит]. Поэтому дискретный источник сообщений может обеспечить максимальную производительность (скорость выдачи) информации [бит/с], не превышающую
где Т н - длительность одной посылки; m - основание цифрового кода.
При m = 2 R H = 1 /Т н и скорость передачи информации R H численно равна технической скорости v. При т > 2 возможна скорость передачи информации R u > v. Однако часто в цифровых системах связи скорость передачи информации R H Такой вариант бывает, когда не все посылки используются для передачи информации, например если часть из них служит для синхронизации или для обнаружения и исправления ошибок (при использовании корректирующего кода).
Как будет показано далее, максимальное количество информации, которое можно передать одним двоичным символом («1» или «0»), равно 1 биту. Теоретически каждый символ, поступивший на вход канала связи, вызывает появление одного символа на выходе, так что техническая скорость на входе и выходе канала одинакова.
Сжатие передаваемой информации. При передаче информации имеют место две взаимосвязанные проблемы: устранение избыточности информации и сжатие последней. Под избыточностью понимают бесполезную, лишнюю при приеме часть информации, которой все равно невозможно воспользоваться, и она фактически не нужна потребителю. Сообщения практически любого источника обладают избыточностью. Дело в том, что отдельные знаки сообщения находятся в определенной статистической связи. Так, в словах русского языка после двух подряд стоящих гласных букв более вероятна согласная, а после трех подряд согласных наверняка будет гласная. Избыточность позволяет представлять сообщения в более экономной форме. Мера возможного сокращения сообщения без потери информации за счет статистических взаимосвязей между его элементами определяется избыточностью. Понятие «избыточность» применимо не только к сообщениям или сигналам, но и к языку в целом, коду. Например, избыточность европейских языков достигает 60-80%.
Причина появления избыточности - невосприимчивость человеческих органов к некоторой части принятой информации. Так, например, телевизионное изображение может содержать до 16 тыс. цветовых оттенков одного цвета, тогда как зрение человека, чувствительное к яркости, невосприимчиво к такой громадной гамме цветов. В лучшем случае человек может различить до нескольких сотен цветовых оттенков одного цвета. Поэтому часть цветовых оттенков при передаче можно исключить без ощутимой со стороны человека потери качества цветного изображения на экране. То же можно сказать относительно передачи по каналу связи устной речи, верхнюю частоту спектра которой можно ограничить частотой 3400 Гц без потери смысла принятого сообщения. Еще очень простой пример - пусть по каналу связи следует передать сведения о значениях индуктивности I, емкости С и резонансной частоты /колебательного контура. В этом случае можно но каналу передать только значения двух величин, например индуктивности и емкости, а резонансную частоту на приемном конце вычислить по известной формуле.
Устранение избыточности в исходной информации позволяет передавать или хранить меньшее число бит. В теории информации К. Шеннон доказал теорему (см. далее), согласно которой для источника без избыточности при R u (здесь С - емкость системы связи) можно найти такой способ кодирования-декодирования, при котором возможна передача сообщений по каналу связи с помехами со сколь угодно малой ошибкой. Наличие избыточности в сообщении часто оказывается полезным и даже необходимым, так как позволяет обнаруживать и исправлять ошибки, т.е. повысить достоверность воспроизведения сообщения. Если избыточность в сообщении не используется для повышения достоверности передачи, то ее следует исключить. Для этого используют специальное статистическое кодирование, и избыточность сигнала уменьшается по отношению к избыточности сообщения.
Универсальным показателем системы связи является информационная эффективность ц, характеризующая использование пропускной способности канала r = RJC.
Своевременность передачи сообщений определяется допустимой задержкой , обусловленной преобразованием сообщений и сигнала, а также конечным временем распространения сигнала по каналу связи (особенно время распространения заметно в спутниковых системах связи). Она зависит от двух показателей: характера и протяженности канала и длительности обработки сигнала в передающем и приемном устройствах. Скорость передачи информации и ее задержка в линиях связи являются независимыми характеристиками.
Канал связи, так же как и передаваемый сигнал, характеризуют тремя параметрами: временем Г к, в течение которого по каналу возможна передача информации, динамическим диапазоном D K и полосой пропускания канала F K .
Иод динамическим диапазоном канала понимают отношение допустимой мощности сигнала к мощности присутствующей в канале помехи, выраженное в децибелах.
Обобщенной характеристикой канала связи служит его емкость (объем)
Необходимое условие неискаженной передачи по каналу сигналов
Часто преобразование первичного сигнала в высокочастотный радиосигнал и преследует цель согласования передаваемого сигнала с каналом. В простейшем случае сигнал согласуют с каналом по всем трем параметрам:
При соблюдении этих условий объем передаваемого сигнала практически полностью «вписывается» в объем канала.
В ряде случаев неравенство (1.2) может выполняться и тогда, когда одно или два из неравенств (1.3) невыполнены. Это означает, что можно производить «обмен» длительности на ширину спектра или ширину спектра на динамический диапазон и г.д. Рассмотрим пример.
Пример 1.1
Пусть записанный на магнитофон телефонный сигнал с шириной спектра 3,4 кГц необходимо передать через канал связи, полоса пропускания которого 340 Гц. Это можно осуществить, воспроизводя сигнал со скоростью, в пять раз меньшей той, с которой он был записан. При этом все значения частот исходного сигнала уменьшатся в пять раз, но и во столько же раз увеличится время передачи. Принятый сигнал также записывают на магнитофон, а затем, воспроизведя его со скоростью, в пять раз большей, можно с высокой точностью восстановить исходный сигнал. Аналогично можно передать сигнал быстрее, если полоса пропускания канала шире спектра сигнала.
Однако наибольший интерес вызывает возможность обмена динамического диапазона канала связи на полосу пропускания. Оказывается, что при внедрении импульсно-кодовых видов модуляции (см. гл. 2) можно передать сообщение с динамическим диапазоном, например, 60 дБ по каналу, в котором сигнал превышает помеху всего лишь на 30 дБ. При этом используется полоса пропускания канала в несколько раз более широкая, чем спектр сообщения.
Для диапазонов частот Ku и Ka отношение несущая/шум С/N имеет значение до демодуляции в приемном устройстве. Отношение S/N имеет значение после демодуляции. Таким образом отношение S/N зависит как от отношения С/N, так и от характеристик модуляции и кодирования.
Переданный сигнал, может быть неверно воспринят приемным устройством из-за различных помех и искажений, возникающих при его передаче по зашумленному каналу связи. Для повышения помехоустойчивости применяются различные методы кодирования . Поэтому выход источника информации соединяется с кодером канала связи, где в сигнал вводится избыточность, чтобы уменьшить вероятность появления ошибочных битов. Такая процедура называется предварительной коррекцией ошибок (FEC) и является единственным методом обеспечения коррекции ошибок без запроса повторной передачи данных. Вероятность появления ошибочных битов связана с частотой появления ошибочных битов (BER) декодера приемного устройства. Показателем качества принимаемого сигнала в цифровых системах передачи, как известно, является отношение Е б /N 0 , при котором достигается определенная величина BER, и которое является эквивалентом отношения S/N для цифровых систем.
Соотношение между C/N и Е б /N 0 , выраженное в децибелах, определяется следующей формулой:
Е б /N 0 = C/N + 10 log(1/R) + 10 logDf, дБ (5.32)
Где Е б /N 0 дБ - отношение количества энергии в бите Е б (Дж) к плотности потока мощности шумов N 0 (Вт/Гц); R - скорость передачи информации, бит/с; Df – занимаемая каналом полоса частот, Гц; C/N - отношение несущая/шум в полосе частот Df, дБ.
Характерной чертой практических цифровых систем является следующее: для данного отношения скорости передачи бита информации к полосе пропускания канала существует отношение сигнал/шум, выше которого возможен прием сигнала без ошибок и ниже которого прием невозможен. В отличие от аналоговых сигналов, которые постепенно ухудшаются под воздействием шумов, цифровые системы относительно неподвержены воздействию шумов, вплоть до того момента, когда система коррекции ошибок уже не сможет действовать эффективно. В результате происходит резкое ухудшение или крушение системы. Это свойство цифровых систем устраняет необходимость градаций качества. Качество принимаемого сигнала не пострадает, если суммарный ухудшенный уровень отношения Е б /N 0 выше, чем некоторый требуемый уровень соответствующий приемлемой вероятности появления ошибочных битов () или определенной величине BER. Взаимоотношения между и Е б /N 0 зависит от конкретных особенностей выбранного метода цифровой модуляции, поэтому операторы спутниковой связи обычно оговаривают минимальный требуемый уровень отношения Е б /N 0 . Отличному качеству соответствует BER= . BER на входе демультиплексора зависит от двух факторов: качества входного сигнала и исправляющей способности помехозащитного кода FEC . Число FEC показывает избыточность помехозащитного кода.
Требуемое отношение сигнал/шум для качественного приема цифрового сигнала с величиной BER, равной определяется из таблицы.
Метод комплексного статистического оценивания основан на вычислении статистики временных и спектральных параметров и их изменений на основе сравнения искаженного в канале и исходного сигналов. Эта методика объединяет возможность оценки по субъективным критериям и аппаратную объективность измерений. Она базируется на закономерностях восприятия человеком внешних возбуждений.
Высокая корреляция изменений свойств сигнала и субъективной оценки качества передачи слушателем позволяет сформировать оценку по следующим критериям:
- заметность изменений сигнала;
- балльная оценка качества передачи;
- предпочтительность передаваемого сигнала.
При осуществлении оценки по критерию «заметности изменений сигнала», предельно допустимым искажениям соответствует 50%-ная заметность. Это предельная норма для каналов с полосой 6300 Гц. Для для каналов с полосой 10 кГц - Р мах = 30%, а для каналов с полосой 15 кГц - Р мах = 15%.
В качестве критерия «заметности» изменений сигнала, используется величина интегрального отклонения ∆S (численное значение суммы абсолютных отклонений функций - ИО) от двух распределений ОСМ для исходного и искаженного сигналов. На рис. 7.5 приведены (НЧПЗ) ОСМ на интервалах анализа 200 мс для двух видов искажений: компактного представления с использованием алгоритма MP-3 и ограничения полосы снизу.
ИО ∆S позволяет оценить степень расхождения двух распределений . При внесении искажений в сигнал ИО повторяет изменение среднего значения НЧПЗ, определяясь изменением СКО и моментами высших порядков. Для подтверждения корреляционной связи величины ∆S с заметностью искажений Р, вносимых трактом передачи ЗВС, на рис. 7.14 представлена интегральная кривая заметности искажений типа «ограничение полосы частот снизу» (пунктирная кривая) , полученная при восприятии реальных сигналов . Сплошными линиями на этом же рисунке построены оценки интегральных отклонений НЧПЗ ОСМ вещательных сигналов, подвергшихся тем же искажениям. Измерения проводились на часовых программах РВС «Маяк», «Орфей» и «Эхо Москвы». Очевидна высокая корреляция зависимостей. Аналогичный характер имеют графики и по всем другим характерным искажениям, что делает обоснованным широкое использование этого критерия в разных приложениях.
 |
 |
Характер и тип искажений может определяться с использованием статистик ряда других параметров ЗВС. Наиболее информативными из них оказались, кроме энергетического параметра ОСМ, параметры формы , отображающие изменения огибающей на участках нестационарности ЗВС, т. е. атаки и спады сигнала. На рис. 7.15 показано изменение ИО НЧПЗ крутизны атак для тех же, что и на рис. 7.14, сигналов при тех же искажениях.
Использование других участков нестационарности ЗВС - спадов сигнала - также перспективно, поскольку изменения участков спадов звукового сигнала воспринимаются как изменения времени реверберации, т. е. акустической обстановки, что негативно сказывается на субъективной оценке звучания.
На рис. 7.16 и 7.17 показано изменение ИО НЧПЗ ОСМ и крутизны атак соответственно для тех же, что и на рис. 7.14 и 7.15, сигналов, но при введении нелинейных искажений.
 |
 |
Весьма информативными для каналов с устранением избыточности являются кепстрапьные параметры. На рис. 7.20 представлена зависимость пик-фактора кепстра от скорости передачи с использованием алгоритма МР-3 для двух вещательных программ часовой длительности. Заметна хорошая корреляция пик-фактора кепстра как объективного параметра с субъективной заметностью искажений (пунктирная кривая).
На рис. 7.21 представлены графики соответствия балльной оценки изменений в сигнале при уменьшении скорости кодирования от 256 кбит/с до 64 кбит/с (кривая 1) и процентной заметности аналогичных изменений, полученных при ССИ (кривая 2).
Кривые идентичны, что свидетельствует об эквивалентности балльной и процентной шкал заметности.
- АЦП исходного и прошедшего канал передачи сигналов;
- нормализацию сигналов по уровню, превышаемому в течение 98% времени;
- синхронизацию сигналов;
Анализ сигналов в соответствии с МКСО, который предполагает вычисление статистики ряда параметров и их изменений на основе сравнения прошедшего обработку и исходного сигналов;
Формирование комплексной оценки изменения сигнала в процессе передачи, а также АЧХ канала на реальном вещательном сигнале. Вывод данных на экран, на печать и сохранение в базе данных.
В соответствии с МКСО, анализируется группа статистических характеристик, а именно: энергетические характеристики (относительная средняя мощность в двух разновидностях, отличающихся способом нормирования - ОСМс и ОСМк); характеристики формы (анализ на интервалах нарастания и спада фильтрованной гильбертовской огибающей сигнала); спектральные и кепстральные характеристики (по мгновенным амплитудным спектрам).
Результатом анализа каждой группы параметров являются нормированные статистические частоты появления значений (НЧПЗ) параметра. На основании НЧПЗ находится интегральное отклонение (ИО) НЧПЗ как усредненное значение абсолютных отклонений частот появления значений параметров сигналов до и после прохождения канала. Для случая спектральных характеристик дополнительно осуществляется графическое представление АЧХ канала, найденной по мгновенным амплитудным спектрам, а также формируются данные о среднеквадратичном отклонении (СКО) от идеальной АЧХ.
В соответствии с МКСО, по результатам анализа изменений статистических характеристик сигнала формируется обобщенная оценка заметности изменений сигнала в процентах и «балльная оценка» качества передачи по 5-балльной шкале. В качестве измерительного инструмента МКСО может использоваться аппаратно-программный комплекс, осуществляющий вычисление, построение и анализ статистических характеристик ряда параметров, а также изменений этих характеристик на основе сравнения искаженного в канале и исходного сигналов.
Трудоемкость формирования оценки в соответствии с МКСО существенно ниже, а точность и повторяемость гораздо выше, чем при проведении ССИ. Причем такой способ оценки качества передачи не противопоставляется традиционным изменениям в соответствии с ГОСТ 11515-91.
