Оцінки слухового сприйняття

Телефонні та факсімальні апарати

План лекції:

1.1 Сигнали телефонування

1.2 Сигнали звукового мовлення

1.3 Факсимільні сигнали

1.4 Телевізійні сигнали

1.5 Сигнали передачі дискретної інформації

ПЕРВИННІ СИГНАЛИ ЕЛЕКТРОЗВ’ЯЗКУ

В даний час системи електрозв'язку призначені для передачі наступних первинних сигналів: телефонування, звукового мовлення, телеграфування і передачі даних, факсиміле, телевізійного мовлення. Розглянемо основні параметри і характеристики цих сигналів.

Заздалегідь відмітимо, що сигнали телефонування (ТФ) можуть складатися з комбінації переданих в різні відрізки часу мовних сигналів і сигналів управління і взаємодії (СУВ) систем комутації. Останні можна розглядати як різновид сигналів передачі даних, тому при описі сигналів ТФ обмежимося параметрами і характеристиками мовних сигналів. Сигнали телевізійного мовлення (ТБ) складаються з сигналів передачі рухомих зображень і звукового супроводу. Останні передаються по окремих каналах і нічим не відрізняються від сигналів звукового мовлення (ЗВ), які будуть розглянуті самостійно. Тому можна вважати, що сигнали ТБ є сигналами передачі рухливих зображень.

Оцінки слухового сприйняття

Дія пружних коливань на органн слуху людини сприймається як звук. Область звуковьіх коливань обмежена по частоті і амплітуді. Спектр частот, ощущаемнй людиною, знаходиться в межах 16 -20000 Гц, з його збільшенням верхня межа спектру знижується.

Максимальна інтенсивність І_ті„ звуку, при якій виникає слухове ещущение, назьівается порогом слншимости. Поріг слншимости залежить від частоти.

Із збільшенням інтенсивності звуку кожною з частот посилюється його азщущение і при деякому значень І_тахв смузі вуха з'являється відчуття болю. Зго значення назьівается порогом больового відчуття.

Область звукових коливань, увязнена між частотньши характеристиками порогу сльїшимости N0 і больового відчуття N6, назьівается заластью слухового сприйняття.

1.1 Сигнали телефонування

Сигнали телефонуванняє послідовності мовних імпульсів, відокремлених один від одного паузами. Мовні імпульси відповідають звукам мови і дуже різноманітні за формою та амплітудою. Тривалість окремих імпульсів також відрізняється один від одного, але зазвичай вони близькі до 100...150 мс. Паузи між імпульсами змінюються в значно більшому діапазоні: від декількох мілісекунд до декількох хвилин або навіть десятків хвилин (паузи при вислуховуванні відповіді співбесідника).

Частотний спектр мовного сигналу дуже широкий, проте експериментально було встановлено, що для передачі з достатньо чіткою розбірливостью та

Рисунок 1.1.1 - Вірогідність появи миттєвих значень мовного сигналу

високою якістю (із задовільною натуральністю і розбірливістю складів – 90% і фраз – 99%) можна обмежитися смугою частот 0, 3...3, 4 кГц.

Встановлено, що розподіл миттєвих значень мовних сигналів достатній добре підкоряється експоненціальному закону (мал. 2.1)

(1.1.1)

де F(u) – вірогідність появи миттєвих значень сигналу.

Назвемо u_тф ефективною (среднеквадратическим) напругою сигналу u(t).

(1.1.2)

де Р_тф – потужність сигналу, усереднена за час спостереження Т_н. Для телефонного сигналу можна прийняти

(1.1.3)

тоді для значення напруги обмеження U_огр, вірогідність Fперевищення якого , можна записати

, (1.1.4)

Звідки .

Р мин У мин У сер Р сер 0 Р макс

Мал. 1.1.2 Щільність вірогідності динамічних рівнів телефонного сигналу і його динамічний діапазон

Величина пікфактора сигналу при цьому рівна

. (1.1.5)

дБмО (1.1.6)

Відношення (1.1.6) називається динамічним рівнем (волюмом)ТФ сигналу. У цьому виразі Р_вим – поужність вимірювального сигналу в точці тракту, де проводиться дослідження. Згідно рекомендацій МСЭ-Т волюмы вимірюються спеціальним приладом (волюмметром), що забезпечує квадратичний закон підсумовування коливань різних частот, має логарифмічну шкалу (у децибелах) і постійну часу (час інтеграції) Т_н = 200 мс. Статистичними дослідженнями встановлено, що розподіл волюмів підкоряється Гауссовому закону з середнім значенням у_{тф ср} = -12, 7 дБм0 і середньоквадратичним відхиленням = 4, 3 дБ (мал. 1.1.2).

, (1.1.7)

де W(y) – щільність розподілу волюмів, у_{тф ср} – середнє значення волюма, а – його середньоквадратичне відхилення.

Рівень р_{тф ср} відповідний середній потужності в ТНОУ може бути знайдений в результаті переходу від середнього логарифма до логарифма середнього по формулі

дБмО (1.1.8)

Тоді

Р_{тф ср} = 1*10^{0, 1*(-10, 57)} = 88 мкВт0 – (1.1.9)

це средня потужність ТФ сигналу в ТНОУ без урахування пауз.

Вплив пауз враховується за допомогою коефіцієнта активності К_а джерела сигналу. Він рівний відношенню часу, протягом якого рівень сигналу на його виході перевищує встановлене порогове значення (зазвичай -40 дБм0), до загального часу розмови. Для ТФ сигналів К_а= 0, 25. Тоді середня потужність ТФ сигналу з урахуванням пауз

мкВт0(-15дБм0), (1.1.10)

де другий доданок правої частини, рівний 10 мкВт0, вводиться згідно рекомендаціям МСЭ-Т, як поправка на підвищену потужність сигналів, супроводжуючих ТФ розмова (службові переговори персоналу і СУВ, що передаються по тому ж каналу). З урахуванням виразу (1.1.8) нескладно визначити і максимальний рівень р_{тф макс}, відповідній максимальній потужності Р_{тф макс} і напрузі обмеження U_обм

дБмО. (1.1.11)

Для сигналів, що передаються по каналах ЦТС приймають зазвичай р_{тф макс} рівним +3 дБмО, а для сигналів, що передаються за допомогою аналогових систем передачі, – +3, 5 дБм0. У останньому випадку максимальна потужність Р_{тф макс} очевидно буде рівна 2220 мкВт0.

Мінімальним вважається волюм, менше яких волюми з'являються з вірогідністю < 10^-3. Скориставшись таблицями інтеграла вірогідності, визначимо мінімальну величину волюма, яка виявляється рівною

(1.1.12)

Очевидно, що рівень р_{тф мін}, відповідний мінімальному сигналу, буде на величину пікфактора нижче у_тфмін. Таким чином, динамічний діапазон сигналу D_{с тф}, з урахуванням формул (1.1.8) і (1.1.11), складе величину (мал. 1.4.1)

дБ. (1.1.13)

При визначенні величини флуктуаційної перешкоди, що діє на вході крайового апарату, її приводять до що ефективно впливає на органи слуху зваженій перешкоді.Суть «зважування» полягає в тому, що на вході вимірювального приладу встановлюється амплітудний коректор, частотна характеристика передачі якого повторює середньостатистичну характеристику чутливості системи «телефонний апарат – слуховий апарат людини». Очевидно, що зважене значення перешкоди буде менше незваженого із-за меншої чутливості вказаної системи на краях частотного діапазону, а значить, і більшого загасання коректора на цих же частотах. Зниження напруги рівномірно розподіленої по спектру перешкоди, що діє, визначається псофометрическим коефіцієнтом К_пс, рівним 0, 75 для смуги частот 0, 3...3, 4 кГц. Середня потужність цієї ж перешкоди буде понижена в 1/0, 75² = 1, 77 разу, а рівень – на -20lg0, 75 = 2, 48 дБ. У розмірності зважених (псофометрических) величин вводиться буква «п», наприклад дБм0п, пВт0п і т.д.

Експериментально встановлено, що якість прийому ТФ сигналу ще прийнятно при середній потужності перешкоди 178000 пВт0 або 100000 пВт0п. Відповідно, допустима перешкодозахисна телефонного сигналу складає

дБ. (1.1.14)

Динамічний діапазон ТФ сигналу, підрахований як відношення максимальної потужності до середньої потужності допустимої флуктуаційної перешкоди, виявляється рівним

дБ, (1.1.15)

що практично співпадає із значенням, знайденим по формулі (1.1.13).

При оцінці потенційного інформаційного об'єму необхідно враховувати коефіцієнт активності джерела сигналу. Тоді

кбит/с. (1.1.16)

Тут множник 3, 32 = 1/lg2 – модуль переходу від двійкового логарифма до десяткового, F_B – верхня ефективно передавана частота каналу ТЧ, кГц.

1.2 Сигнали звукового мовлення

Сигнали звукового мовлення(ЗМ) по своєму характеру близькі до мовних телефонних сигналів, тому їх відмінності від останніх носять, в основному, кількісний характер. Частотний спектр сигналів ЗМ обмежують без помітного зниження якості передачі смугою частот 0, 03... 15 кГц для каналів вищого класу і смугою частот 0, 05... 10 кГц для каналів першого класу. Сигнали ЗМ в порівнянні з телефонними мають значно менше пауз, а енергія окремих імпульсів, особливо музичних, істотно перевищує енергію мовних імпульсів сигналів ТФ. Тому середня потужність сигналів ЗМ набагато більше середньої потужності ТФ сигналів. Нормуються середньосекундна, середньохвилинна і середньочасова потужності Р_{зв ср}, рівні відповідно 4500, 2230 і 923 мкВт0. Максимальна потужність визначається при вірогідності перевищення = 0, 02 і складає 8000 мкВт0. Мінімальна потужність розраховується при вірогідності перевищення (1 – ) = 0, 98. Її значення різні для тих або інших видів сигналів і дають наступні значення динамічного діапазону D_3B сигналів звукового мовлення, дБ:

Мова диктора.............................. до 35

Художнє читання......................... до 50

Музичні і хорові ансамблі............. до 55

Симфонічний оркестр................... до 65

Зважена флуктуаційна перешкода на вході кінцевого апарату ЗМ не повинна перевищувати 16 000 пВтпф. Оскільки спектр перешкоди в каналах ЗМ ширший, псофометрический коефіцієнт для них виявляється менше. Так, для каналу першого класу він рівний 0, 5 тобто потужність незваженої перешкоди може

досягати 16000/0.5² =64000 пВт0, відповідно, завдозазахищеність сигналів ЗМ повинна бути не гірше

(1.2.1)

Таким чином, потенційна інформаційна місткість сигналу ЗМ першого класу може досягати

кбіт/с (1.2.2)

1.3 Факсимільні сигнали

Сигнали (сигнали передачі нерухомих зображень) факсиміле виходять в результаті перетворення світлового поти, відбиваного елементами зображення, в електричні сигнали. Падаючий світловий потік переміщається по зображенню в певній послідовності (наприклад, за принципом рядкової розгортки). У такій же послідовності в приймальному пристрої переміщається елемент, що впливає відповідно до сигналів, що приймаються, на носій запису і що офарблює відповідно його ділянки. Так, на передачі світлову пляму можна переміщати по передаваному малюнку, а відображений потік сприймати фотоелементом, на виході якого виходитиме електричний сигнал. На прийомі цей сигнал порушує свето-діод. Переміщаючи сфокусований світловий потік синфазно з потоком на передачі по фоточутливому паперу, отримуємо фотокопію передаваного зображення.

При передачі штрихових зображень (що складаються з чорних і білих елементів, наприклад газетної смуги) сигнал факсиміле складається з уніполярних імпульсів різної тривалості, але однакової амплітуди. Передбачається, що смуга частот такого сигналу знаходиться в межах 0…F_р, причому F_p – частота малюнка – зв’язана з тривалістю найкоротшого імпульсу співвідношенням F_р = 1/2 . У свою чергу, , визначається діаметром світлової плями d_c і швидкістю розгортки V_p (швидкість переміщення світлової плями по малюнку):

.

При передачі документів вибирають d_c = 0, 15 мм і V_p < 440 мм/с, тоді = 0, 34 мс, а F_p =1500 Гц. При передачі газетних смуг d_c < 0, 06 мм, а V_p < 30 м/с. Частота при цьому досягає 250 кГц.

Завадозахищеність ФС А_{пз фс} (відношення амплітуди сигналу до напруги флуктуаційної перешкоди, що діє) приймається рівною 35 дБ.

При передачі штрихових зображень потенційна інформаційна місткість сигналів ФС

біт/с. (1.3.1)

При передачі півтонових зображень в копіях повинні розрізнятися 16 градацій яскравості, при цьому динамічний діапазон сигналу

дБ. (1.3.2)

Оцінимо пікфактор Q_фсп, якщо число градацій яскравості l=16. Вважатимемо, що вся напруга сигналу u_і, відповідні i-м градаціям яскравості, має однакову вірогідність появи р = 1/l. Відповідні і-і градації напруги

, (1.3.3)

де U_M – амплитудне значення сигналу. В свою чергу значення середньоквадратичної напруги

сигналу рівне

. (1.3.4)

Відомо, що

. (1.3.5)

Тоді

. (1.3.6)

Оскільки можна вважати, що

, (1.3.7)

то

. (1.3.8)

При

дБ. (1.3.9)

Відмітимо, що збільшення числа градацій яскравості мало впливає на зростання пікфактора. Нескладно показати, що при l , пікфактор Q_фсп прагне до 10lg3 = 4, 8 дБ.

Необхідна перешкодозахисна півтонових сигналів, як і штрихових, А_зфс = 35 дБ. При цьому потенційна інформаційна місткість півтонових сигналів

біт/с, (1.3.10)

тобто в 4 рази більше, ніж штрихових.

Яке б зображення не оброблялося, сигнал на виході фотоелектричного перетворювача є аналоговим, тобто безперервним по рівню і часу відеосигналом. У аналогових апаратах зв'язку (апарати групи 1 і 2) факсиміле цей сигнал після посилення переноситься в область високих частот і безпосередньо передається в лінію зв'язку.

У цифрових системах факсиміле аналоговий сигнал піддається квантуванню, дискретизація за часом і кодуванню. Після цих перетворень цифровий сигнал по своїй структурі нічим не відрізняється від аналогічних сигналів систем передачі даних. Сучасні апарати факсиміле - як правило, цифрові.

Цифрові апарати (апарати групи 3) факсиміле мають зазвичай площинну розгортку і електронний аналізуючий пристрій на приладах із зарядовим зв'язком (ПЗС). Зазвичай використовується однорядкова лінійка ПЗС на 2048 елементів.

Запис відображення проводиться багатоелектродними головками на електростатичному або електротермічному папері.

Можна показати, що повідомлення факсиміле володіє великою надмірністю. Для скорочення цієї надмірності застосовується кодування джерела з використанням різних кодів. Одним з часто використовуваних кодів є модифікований код Хаффмена (МКХ), описаний в рекомендації Т.4 МСЕ-Т. МКХ є нерівномірним кодом, що забезпечує стиснення дискретних сигналів факсиміле шляхом кодування чорних і білих елементів зображення. Кожна серія елементів зображення, що складається із понад 64 елементів, розбивається на дві серії – основну довжиною N * 64 (де N – ціле число) і що завершує завдовжки 0...63. Довжини серій однакових елементів (0...63) кодуються кодовою комбінацією так званих крайових кодових слів (ОКС). Довжини серій, що містять більше 64 елементів, кодуються комбінацією початкового кодового слова (НКС), яка відповідає необхідній довжині серії, і комбінацією ОКС, яка визначає різницю між дійсною довжиною серії і довжиною серії, закодованою НКС. За кожним кодованим рядком повинна слідувати спеціальна кодова комбінація кінця рядка (КС) 000... 01 (12 біт), яка не зустрічається в кодах довжин серій.

Усунення надмірності за допомогою коду МКХ забезпечує реалізацію коефіцієнта стиснення по бітах більше 4, 7, що за інших рівних умов дозволяє відповідно збільшити швидкість передачі.

1.4 Телевізійні сигнали

Первинні сигнали телевізійного мовлення(ТБ) складаються з суми сигналів яскравості (зображення), аналогічних півтоновим сигналам ФС, сигналів кольоровості і так званою «синхросмеси» – комбинации імпульсів синхронізації рядків і напівкадрів і імпульсів гасіння зворотного ходу світивши. Частота малюнка F_p сигналів яскравості може бути підрахована виходячи з того, що число елементів зображення в кадрі рівне (4/3) /m, де m = 625 – число рядків в кадрі прийнятої системи ЦТ СЕКАМ, а 4/3 – відношення розмірів кадру по горизонталі і вертикалі. Враховуючи, що в секунду передається 25 кадрів (50 напівкадрів, що складаються по черзі з парних і непарних рядків зображення), маємо

F_p = (4/3)m2*25/2 = 6, 5 Мгц. (1.4.1)

Проте практично вся енергія сигналів яскравості зосереджена в діапазоні 0...1.5 Мгц.

Захищеність сигналів яскравості від флуктуаційної перешкоди повинна бути не гірше 48 дБ. Оскільки високі частоти сигналу відповідають дрібним деталям зображення, МСЕ-Т рекомендує при оцінці перешкоди користуватися фільтром, що зважує, з падаючою амплітудно-частотною характеристикою (АЧХ). Рівень псофометри-чесанням перешкоди нижче за рівень перешкоди з рівномірним спектральним розподілом на 9 дб (псофометрічеській коефіцієнт рівний К_пс= 2, 82), тобто фактична перешкодозахисна рівна А_{пз тв} = 57дБ.

Число градацій яскравості складає 100, звідки D_TB = 40 дБ. Пікфактор сигналу, як було показано при розгляді півтонового ФС сигналу, не перевищить 4, 8 дБ, а потенційний інформаційний об'єм

V_{тв макс} = 2*6, 5*106*3, 32lg100 = 86Мбит/с. (1.4.2)

Сигнали кольоровості в цій системі є дві піднесучі (4406, 25 і 4250, 00 кгц), що модулюються по частоті двома сигналами(що чергуються від рядка до рядка) (цветоразностними сигналами). Амплітуда суми що піднесуть складає 23% від розмаху сигналу яскравості. Частотний спектр сигналів кольоровості поєднується з верхньою частиною спектру сигналу яскравості. Складаючись з сигналами яскравості, сигнали кольоровості викликають періодичну зміну яскравості свічення екрану, що із-за інерційності зору, не впливає на сприйняття зображення.

Нульова напруга сигналу яскравості відповідає рівню чорного, а максимальне – рівню білого. Імпульси синхронізації в цьому випадку передають негативною напругою («чорніше чорного»), щоб вони не відтворювалися на приймальному екрані. Прийнято, що розмах повного ТБ сигналу на виході телецентру складає 1 В на навантаженні 75 Ом.

На мал. 1.4.1 приведена спрощена осцилограма одного рядка повного ТБ сигналу (у реальному випадку що огинає сигналу кольоровості і сигнал яскравості мають складну форму). На осцилограмі вказані співвідношення між окремими складовими напруги і тривалості рядка, імпульсу гасіння і рядкового синхроімпульса.

Напівкадри, що складаються приблизно з 310 рядків, відокремлюють один від одного 25 чистими рядками (передаються тільки рядкові синхроімпульси і імпульси гасіння). У цей проміжок через три рядки після закінчення напівкадру вводиться напівкадровий синхроімпульс тривалістю в три рядки. При цьому передача рядкових синхроімпульсів і імпульсів гасіння не припиняється.

Спектр сигналів синхросуміші лінійчатий з частотами mf_пк, nf_ст mf_пк, де n і m – цілі числа; f_пк – частота проходження напівкадрових імпульсів, рівна 50 Гц; f_CT – частота проходження рядкових, рівна 15625 Гц. Практично вся енергія цих сигналів зконцентрована в діапазоні 0, 05...300 кГц (n m< 18).

1.5 Сигнали передачі дискретної інформації

Сигнали телеграфування і передачі даних(ТП) найчастіше представляють послідовності уніполярних або біполярних імпульсів постійної амплітуди, при цьому позитивний імпульс зазвичай відповідає передаваному знаку «1», а пропуск імпульсу або негативний – знаку «0». Частота проходження «1» і «0» називається тактовою частотою F_T. Чисельно F_T відповідає швидкості передачі інформації в бодах (Бод), а в даному випадку (два дозволені значення «1» і «0») – і швидкості передачі в бітах в секунду (біт/с).Умовно розрізняють низькошвидкісну (до 200 Бод), средньошвидкісну (300... 1200 Бод) і високошвидкісну (понад 1200 Бод) передачу даних. Оскільки кожен передаваний імпульс займає повністю тактовий інтервал, його тривалість знаходиться в межах до 5 мс при низькошвидкісній, від 3, 3 до 0, 8 мс при середньо-швидкісній і менше 0, 8 мс при високошвидкісній передачі.Надалі буде показано, що спектральна щільність випадкового сигналу такого вигляду максимальна на нульовій частоті і має перший мінімум на частоті F_T. Якщо спектр сигналу обмежувати фільтром низьких частот, близьким до ідеального, то упевнений прийом сигналу можливий при частоті зрізу фільтру, рівній або більше 0, 5*F_T, тобто можна вважати, що ці сигнали займають смугу частот 0...0, 5*F_T. Проте в реальних умовах верхню частоту спектру сигналу ТП приймають рівними F_T або навіть l, 2*F_T. Це обумовлено тим, що при деяких видах передачі інформація закладена і в зміні тривалості імпульсу (допускаються обмежені краєві спотворення імпульсів, що приймаються), а також дією перешкод, що заважає.При передачі сигналів ТП допустима вірогідність помилки рівна близько 10^-5. Це дозволяє прийняти значення необхідної перешкодозахисної, визначуваної як відношення амплітуди імпульсу до значення флуктуаційної перешкоди, що діє, рівним А_{пз тп} = 12, 6 дБ.

Контрольні запитання:

1. Чим характеризується первинний сигнал звя‘зку?

2. Який спектр сигналу звукового мовлення?

3. Що ви знаєте про телевізійні сигнали?