Принцип построения телекоммуникационной сети



Принцип построения телекоммуникационной сети.

Телекоммуникационная сеть – информационное взаимодействие во многих направлениях.

Особенность ТС: в сети есть множество траекторий для связи абонентов, их наличие обеспечивают центры коммутации.

Центр коммутации – содержит коммутатор (маршрутизатор) и библиотеку (хранилище информации).

Библиотека – вторичный источник информации.

Фрагмент сети

`

Существуют три основных метода коммутации:

  1. Коммутирование цепей – замкнутая траектория между абонентами, на все время информационного взаимодействия. (Ресурсы используются  неэффективно). Для передачи сообщения от одного абонента до другого абонента замыкается предварительная цепь – между абонентами создаётся электромагнитный канал. Недостаток: на какой-то интервал времени часть телекоммуникационной системы выделяется.
  2. Коммутирования сигналов – цепь замыкается только во время передачи сигнала.
  3. Коммутация пакетов – между ЦК передаются сформирование пакеты, содержащие заголовок. (МАХ эффективность)

Подсистема Источник-Потребитель

В состав этой подсистемы входят:

В передающей части системы:В приёмной части системы:

Телекоммуникационная система без подсистемы Источник-Потребитель называетсямногоканальной телекоммуникационной радиолинией.

Значение подсистемы: потребитель получает информационный параметр с ошибкой. Естественно эта ошибка должна быть допустимой. Потребитель определяет требуемую точность передачи, используя статистические характеристики случайного процесса.

Подсистема определяет требования к пропускной способности системы.Пропускная способность определяется суммарной производительностью всех источников.Производительность каждогоисточника определяется скоростью изменения состояния источника и требуемой точностью представления сведений потребителю.

Где левая часть неравенства – общая производительность источников системы, С – пропускная способность системы.

про Шеннона(можно уменьшить вероятность ошибочного приёма символа, при наличии воздействия помех)

Шеннон решал следующие задачи:

  1. Найти такой метод построения кодера и декодера, позволяющий получить наибольшую скорость передачи информацииR.
  2. Найти метод кодирования и декодирования, позволяющий получить минимальную среднюю вероятность ошибочного приема символаPош.с..

Эти задачи Шеннон решал при следующих предпосылках:

  1. На сигнал в процессе передачи действует аддитивная помеха

S*i(t)=Si(t)+æ(t)

  1. Среда передачи является линейной, в этой среде передачи не возникает нелинейных искажений сигнала, и потери энергии мощности сигнала возникают только в следствие рассеяния энергии в пространстве в силу того, что не вся энергия поступает в приёмник – часть её рассеивается.
  2. Помеха представляет собой стационарный нормальный случайный процесс (гауссовый).

Шеннону не удалось найти такие методы кодирования и декодирования, но в процессе решения задач он смог доказать важные теоремы:

Теорема 1.Прилюбом построении модема существует верхняя граница максимальной скорости передачи информацииR, которую Шеннон назвалпропускной способностью С.

При рассмотренных предпосылках он получил соотношение для пропускной способности идеальной системы:

– полоса пропускания системы

– мощность сигнала в пределах полосы пропускания

– мощность шума в пределах полосы пропускания

Теорема 2.Принципиально существуют методы кодирования и декодирования, позволяющие сколь угодно близко приблизить реальнуюR к пропускной способности.

ДляRC, необходимо как можно лучше согласовать статистические свойства цифрового сигнала (а значит источника информации и статистические свойства потребителя) со статистическими свойствами канала передачи информации.

Статистические свойства источника (цифрового сигнала) определяются природой источника, поскольку это физическая система. На них воздействовать не можем.

Статистические свойства канала передачи информации определяются свойствами используемого радиосигнала и свойствами взаимодействия помехи с сигналом. Можем воздействовать на это через форму сигнала – изменяя алгоритм работы кодирующего устройства.

Статистические свойства потребителя определяются тем, что нужно потребителю для целенаправленных действий и какова его разрешающая способность. Не можем воздействовать на это. Можно только приспособится к этому, используя алгоритм кодирования и декодирования.

Теорема 3. Существуют такие методы кодирования и декодирования, позволяющие сделать среднюю вероятность ошибочного приема символовPош.пр.с сколь угодно малой.

Для этого в модуляторе и демодуляторе необходимо увеличивать размер блока символов, обрабатываемых совместно. Но это справедливо тогда, когда производительность источника не превышает пропускной способности .

Подсистема кодек источника.

…………….

Кодер источника выполняет 4 основные функции:

1. Осуществляет временную дискретизацию первичного сигнала;

2. Квантование по уровню сигнала(переход от бесконечного алфавита к конечному);

3. Уменьшение логической избыточности

4. Уменьшение статистической избыточности

Функция кодера источника – представление непрерывного первичного сигнала в цифровой форме, т.е. в виде последовательности символов какого-то цифрового алфавита, чаще всего двоичного.

Для представления непрерывного сигнала в цифровой форме необходимо осуществить дискретизацию по времени и квантование по уровню. В простейшем случае эти процедуры осуществляется исходя из принципов теоремы Котельникова, с постоянным шагом/интервалом между дискретами/уровнями квантования. Такое представление легко реализуемо, но обладает множеством недостатков:

– В силу неограниченности спектра реальных первичных сигналов и ограниченности их временного существования применение теоремы Котельникова является некорректным, т.е. при этом возникает суммарная ошибка, оценить которую практически невозможно;

– При использовании равномерной временной дискретизации с постоянным интервалом, вследствие нестационарности первичных сигналов, постоянный интервал временной дискретизации приходится выбирать, исходя из максимальной ширины спектра, следовательно, в системе будет возникать большая избыточность, будут передаваться лишние значения первичного сигнала. Символы на выходе такого кодера, представляющие первичный сигнал, будут статистически зависимы и не равновероятны. Поэтому в процессе кодирования источника стараются параллельно с процедурами временной дискретизации и квантования по уровню уменьшить логическую и статистическую избыточность, которые содержатся в первичном сигнале, т.е. стараются сделать так, чтобы последовательность символов на выходе кодера источника (КИ) представляла именно ту характеристику первичного сигнала, которую потребитель способен использовать для целенаправленных действий, и чтобы при этом эти символы были статистически не зависимы и равновероятны.

  1. Представление об уменьшении логической избыточности в процессе кодирования источника.

Для сохранения разборчивости речи в телефонии необходима полоса 300–3000Гц.

Но на самом деле достаточно полосы 25 Гц, поскольку нам нужно достичь разборчивости речи, для чего не надо передавать реализацию речевого сигнала. Для сохранения разборчивости речи достаточно на выходе декодера источника сформировать речевой сигнал, энергетический спектр которого будет с определенной точностью совпадать с энергетическим спектром речевого сигнала на входе кодера источника. Если это учесть, то можно существенно уменьшить требуемую полосу пропускания.

Идея уменьшения логической избыточности при передаче сигнала родилась при исследовании формирования речевого сигнала речевым аппаратом человека.

В гортани человека имеется два задающих генератора:

  1. Генератор основного тона

генерирует квазипериодический сигнал:

этот сигнал используется при генерации гласных и звонких согласных.

  1. Генератор шумоподобного сигнала:

Используется для создания глухих согласных.

Формирование звуков происходит путём фильтрации сигнала с помощью объёмных резонаторов (эквивалент резонансного контура на определённых частотах) рта и гортани.

Эквивалентная частотная характеристика объёмного резонатора/фильтра будет иметь вид в зависимости от того, какой звук генерируется.

При генерациигласных извонких согласных:

При генерацииглухих согласных:

Форма спектра, которая получается на выходе после фильтрации, почти точно воспроизводит форму частотной характеристики объёмного резонатора.

Нет смысла, при необходимости сохранения разборчивости речи, передавать сам речевой сигнал, потому что при прямой передачи он требует полосу 3кГц, а для разборчивости достаточно 25Гц.

Для того, чтобы воспроизвести речевой сигнал, достаточно знать форму спектра и синтезировать речевой сигнал. В приёмной части системы, если мы знаем форму спектра и частоту основного тона, можем генерировать основной тон, если передавалась гласная и звонкая согласная, если глухая согласная – сгенерировать шумоподобный сигнал. Потом построить фильтры в приёмной части системы и в зависимости от того, какая форма спектра, передавать форму спектра того звука, который в данный момент сгенерировался и по форме спектра регенерировать/синтезировать соответствующий речевой сигнал. В этом состоитсущность логического уменьшения избыточности при передаче речевых сообщений.

Если необходимо сохранитьтолько разборчивость речи, то в кодере источника следует измерить частоту основного тона и энергетический спектр речевого сигнала, и передать их вместо того, чтобы передавать реализацию речевого сигнала. А в приёмной части (декодере), используя знания формы спектра соответствующим образом построить фильтры и, используя моделирование речевого аппарата человека, синтезировать речевой сигнал. Такой принцип передачи речевого сигнала получил названиевокодер (voicecoder).

  1. Функциональная схема кодера и декодера речевого источника

Каждый звук речевого сигнала имеет свой энергетический спектр. В спектроанализаторе должен быть отдельноканал основного тона,где определяется частота основного тона передаваемого в данный момент звука. Остальные каналы определяют значения энергетического спектра: предполагаемая полоса частот разбивается на совокупность подполосок. В каждой подполоске определяется мощность спектральной составляющей, которая приблизительно соответствует значению энергетического спектра передаваемого сигнала. Для прямой (непрерьвной) передачи речевого сигнала с сохранением разборчивости по содержанию достаточно 3 кГц. В простейшем случае полоса в 3 кГц разделяется на 10 подполосок по 300 Гц.

На вход поступает речевой сигнал, который получается на выходе электрофизического преобразователя – микрофона. Далее, прежде чем осуществить измерение спектральных характеристик уменьшают динамический диапазон речевого сигнала – ставяткомпрессор и измеряют частоту основного тона с помощьюполосового фильтра (ПФ). 800 - 1700Гц – частоты в пределах которых находится основой тон речевого сигнала различных людей.Частотный дискриминатор (ЧД) – устройство, которое измеряет частоту основного тона. На выходе ЧД получаем сигнал основного тона, который пропорционален частоте основного тона.

После компрессора ставят измеритель энергетического спектра (спектроанализатор) – "гребёнка фильтров" (множество фильтров, полосы пропускания которых перекрываются определённую полосу частот, в пределах которой необходимо измерить энергетический спектр). Чем более точно необходимо измерить спектр, тем больше фильтров необходимо и тем уже должна быть полоса пропускания каждого фильтра.

Для того чтобы синтезировать речевой сигнал с точностью до сохранения содержания в полосе 3кГц достаточно десяти фильтров с шагом 300Гц.

Для того чтобы определить уровень сигнала пропорциональной мощности сигнала в полосе пропускания фильтра ставитсяамплитудный детектор (АД) (детектор огибающей).

Получаем одиннадцать сигналов: один формирует напряжение пропорциональное частоте основного тона (Uo  ≡fот) и десять формируют точки энергетического спектра.

На выходе получаем десять значений энергетического спектра и одно значение пропорциональное основному тону. Далее эти значения передаютсяметодом временного уплотнения (по очереди).

Коммутатор К1 формирует пакет. На выходе К1 получаем одно значение пропорциональное частоте основного тона и десять значений пропорциональных значениям энергетического спектра, которые сформированы в пакет аналоговых значений. Далее эти значения в пакете преобразуют в цифровую форму (ставят АЦП). Далее может присутствовать устройство уменьшения статистической избыточности (УУСИ). На выходе имеем цифровое представление речевого сигналаηр(t). Это значение передаётся в приёмную часть системы.

На рисунке не УООТ а УНОТ.

Коммутатор выполняет 2 функции: временную дискретизацию значений энергетического спектра и временное уплотнение значений энергетического спектра.

Коммутаторы в кодере и декодере работают синхронно и синфазно.

Первый канал:

Uот поступает наустройство обнаружения основного тона (УООТ) – пороговое устройство, которое классифицирует принятый сигнал, к какой категории он относится: звонкие согласные/гласные, глухие согласные. Если уровень напряжения Uот превышает некоторый порог, то это значит, что в спектре речевого сигнала содержится основной тон (либо гласная, либо звонкая согласная). В зависимости от того превышен или не превышен порог – идёт управлениепереключателем. Переключатель подключает к синтезатору речевого сигнала либо сигнал с выхода генератора основного тона (ГОТ), либо сигнал с выхода генератора шумоподобного сигнала (ГШПС). На ГОТ поступает Uот, которое управляет частотой ГОТ (подгоняет частоту ГОТ под частоту основного тона).Синтезатор речевого сигнала содержит столько же каналов, сколько имелось в спектроанализаторе. Каждый из каналов содержит активный фильтр.

Гребёнка ПФ синтезатора моделирует резонансный контур полости рта и гортани, т.е. интегрально общая частотная характеристика гребёнки фильтров должна соответствовать спектру передаваемого речевого сигнала. Для этого в каждом канале имеютсяуправляемые усилители (УУ) – усилители с переменным коэффициентом передачи. Величина коэффициента передачи управляется уровнем спектра соответствующей полосы, т.е. сигналом, который передаётся по соответствующему каналу. С коммутатора К2 поступают сигналы управления на фильтры.

В результате суммарная частотная характеристика активного фильтра в каждый момент времени соответствует энергетическому спектру передаваемого сигнала.

Компрессор: динамический диапазон речевого сигнала  достаточно велик. Если будем работать в пределах этого ДД, при фиксированной точности/шаге квантования, то понадобится много уровней квантования (чем больше уровней квантования, тем больше требуется разрядов в кодовом слове для передачи речевого сигнала). Чтобы уменьшить количество разрядов в кодовом слове, возникающее из-за большого диапазона речевого сигнала, выполняется предварительное нелинейное (устранимое) преобразование речевого сигнала, с помощью которого уменьшают динамический диапазон.

В приёмной части осуществляется обратное – восстанавливается ДД с помощью экспандера. Сигнал с выходов всех УУ поступает на сумматор ( ∑). С выхода сумматора поступает наэкспандер, который осуществляет обратное преобразование относительно компрессии. На выходе получаем оценку речевого сигнала.

Как работает кодер и декодер речевого источника?

В каждый момент времени на вход кодера речевого сигнала поступает речевой сигнал соответствующий какому-то определённому звуку. Каждому звуку соответствует его энергетический спектр, который анализируется с помощью спектроанализатора: в первом канале определяется частота основного тона, в десяти следующих – значения энергетического спектра в полосе частот 3000 Гц.

Этот информационный пакет с временным уплотнением (по очереди по времени опрашивается коммутатор) формируется в общий пакет из 11 значений, которые далее преобразуются в цифровую форму и далее могут ещё уменьшаться в объёме, используя уменьшение статистической избыточности.

В приёмной части системы осуществляется обратное преобразование (ПНП, интерполяция, ЦАП), далее выделяются 11 значений в разных каналах: первый канал – канал основного тона.

Если передавался звук гласный или звонкий согласный, то уровень напряжения в канале основного тона будет выше порога и переключатель (рис.7) переключится в верхнее положение. И на синтезатор частот, который моделирует работу гортани человека, поступит сигнал основного тона. Гребёнка фильтров моделирует резонатор полости рта и гортань. Для того чтобы такое моделирование было корректным, необходимо чтобы суммарная частотная характеристика этой гребёнки фильтров соответствовала спектру речевого сигнала, который передавался в данный момент времени. Этого соответствия добиваются за счёт изменения коэффициентов передачи в каждый момент времени усилителей каналов гребёнки фильтров. Коэффициенты передачи изменяются в соответствии с уровнями сигналов на выходе спектроанализатора. Таким образом, за счёт такого построения получается, что энергетический спектр суммарного сигнала на выходе соответствует энергетическому спектру передаваемого сигнала. Это то, что обеспечивает разборчивость речи (какая буква передавалась).

Если отсутствует основной тон, т.е. если на уровень напряжения пропорционального частоте основного тона меньше порога, т.е. нет составляющей основного тона в спектре передаваемого речевого сигнала, тогда переключатель переключается в нижнее положение и на синтезатор речи поступает шумоподобный сигнал, а всё остальное также получается. Фильтруется

шумоподобный сигнал с помощью гребёнки фильтров, суммарная интегрированная частотная характеристика которых соответствует частотной характеристике объёмного резонатора полости рта и гортани.

В итоге получили уменьшение полосы частот примерно в 10 раз. 10 фильтров по 25 Гц и ещё 25 Гц – 275 Гц. Т.е. суммарная полоса, которая нам требуется для передачи 10 сигналов – 275Гц. Если бы передавали "в лоб" понадобилось бы 3000 Гц.

Сейчас существуют более совершенные вокодеры (уменьшение полосы в 40-50раз по отношению к 3000 Гц.)

Передача изображений

На экране монитора картинка состоит из пикселей. Благодаря тому, что разрешающая способность зрения не бесконечна, это позволяет сэкономить – передавать ограниченное количество точек и при этом создаётся впечатление непрерывности изображения.

Для передачи ч/б подвижного изображения нужна полоса 7 МГц, цветное – 8.5-10 МГц.

Для телеконференций, уменьшая логическую избыточность, – 65 кГц.

  1. Уменьшение статистической избыточности в процессе кодирования источника

Причины статистической избыточности:

  1. из-за инерционности источника значения первичного сигнала статистически зависимы друг от друга,
  2. в силу природы источника значения первичного сигнала не равновероятны.

На выходе кодера источника (КИ) желательно получить последовательность символов цифрового алфавита, которые представляют первичный сигнал с необходимой точностью и вместе с тем являются статистически независимыми и равновероятными.

Поэтому в процессе кодирования источника для устранения/уменьшения статистической избыточности желательно осуществить два процесса:

  1. Процесс разрушения/уменьшения статистических зависимостей между символами
  2. Процесс "выравнивания вероятностей символов"

Обычно процедуру уменьшения статистичеких зависимостей между символами объединяют с временной дискретизацией первичного сигнала. Наиболее распространёнными методами являются методы экстраполяции (предсказания) и интерполяции.

Метод экстраполяции:

Если есть первичный сигнал, какие-то значения этого сигнала уже переданы  и сохранены в памяти декодера источника (ДКИ), то в силу статистических зависимостей между значениями первичного сигнала каждое значение содержит долю сведений обо всех остальных. Используя эту долю сведений, по переданным значениям можно предсказать последующие. Такое предсказание будет отличаться от истинного значения первичного сигнала, но если это различие не велико и удовлетворяет потребителя, то следующие значения первичного сигнала не имеет смысла передавать пока эта ситуация сохраняется.

Рис.1.

Различие между предсказанным и истинным – ошибка экстраполяцииxэζi. Если она не превышает допустимое значение – апертуру экстраполяцииΔэζi, то передавать следующие значения не имеет смысла.

В противном случае необходимо передать следующее значение первичного сигнала.

Эта логика может быть использована для временной дискретизации первичного сигнала: каждое последующее дискретное значение выбирается только в тот момент, когда ошибка экстраполяции достигает уровня апертуры. Пока она меньше уровня апертуры, значение не передаётся. Интервал дискретизации будет зависеть от скорости изменения первичного сигнала.

Метод полиномиальной экстраполяции:

Используется представление непрерывной функции в виде полиномиального ряда в окрестностях некоторой точки.

Последнее переданное значение t4 (см. Рис.1 выше). После этого идёт некоторое текущее времяt4.

θ – интервал времени между последней точкой и дальнейшим кодом.

Предсказание (приближённое значение функции в окрестностях точкиt4)ζi(t4) может быть представлено:

В устройство экстраполяции, используемое для уменьшения статистических зависимостей, значения производных не передаются. Их определяют приближённо на основе уже переданных значений первичного сигнала, используя т.н.конечные разности:

В реальной жизни чаще всего используются экстраполяторы нулевого порядка, реже первого порядка.

Экстраполятор (предсказатель) нулевого порядка:

Экстраполятор позволяет кодировать и декодировать процесс в реальном масштабе времени. При передаче этих значений по радиолинии может произойти нарушение реального масштаба времени из-за других процессов в системе. Интервал дискретизации оценивает ход процесса автоматики, оценивает не стандартное изменение сигнала. 1. Предсказатель 0-го порядка является алгоритмами адаптивной временной дискретизации(отслеживает каждую реализацию) 2. Алгоритмы экстраполяции являются алгоритмами реального масштаба времени

Алгоритм предсказания нулевого порядка формально можно представить следующим образом:

t – момент времени последнего переданного отсчёта

θ – интервал предсказания

 – предсказание будет представлять собой прямую линию параллельную оси абсцисс.

– ошибка предсказания

Пока выполняется , следующее значение не передаётся.

Значение передаётся, когда ошибка предсказания достигает значение апертурыΔэi .

В момент времениt1, когда ошибка достигла апертуры, происходит передача следующего значения.

– предсказание будет представлять собой прямую линию параллельную оси абсцисс.

В момент времениt2, ошибка снова становится равной апертуре – происходит передача следующего значения.

В приёмнике вместо исходной кривой будет восстановлено:

Ступенчатая кривая. Если сделать апертуру меньше, отличие от исходной кривой будет меньше.

Интервалы между переданными дискретами – случайные/переменные. Временная дискретизация осуществляется с переменным интервалом. Величина интервала между дискретными значениями зависит от скорости изменения процесса.

Любой предсказатель осуществляет адаптивную временную дискретизацию –приспосабливающуюся к скорости изменения процесса/первичного сигнала.

Предсказатель первого порядка:

Алгоритм предсказания первого порядка выглядит следующим образом:

,

Δt-1– интервал между предшествующими значениями

На первом интервале предсказатель первого порядка работает также как и предсказатель нулевого порядка, поскольку кроме одного отсчёта у нас ничего нет, следовательно, по одному значению мы можем осуществить только предсказание нулевого порядка.

Далее устанавливаем значение апертуры –Δэi

Когда появляется следующее значение, в соответствии с алгоритмом, предсказывающая прямая проводится через две точки, и смотрим ошибку на следующем интервалепо отношению к предсказывающей прямой. Когда ошибка станет равной апертуре (t2), происходит передача следующего значения.

Следующая предсказывающая прямая проходит через точкиt1,t2.  В точкеt3ошибка достигает апертуры и передаётся следующее значение.

Восстановление первичного сигнала в декодере источника будет выглядеть: