Виды передаваемой информации, ее характеристики и способы представления.

В телемедицинских системах осуществляется передача информации самого различного вида- видео, аудио, данные с медицинских приборов и т.д. Очевидно, что передача столь разнородной информации по каналам связи требует ее предварительной обработки с целью повышения помехоустойчивости, улучшения использования возможностей канала, уменьшения избыточности передаваемых данных.

Как уже отмечалось ранее, основной задачей телемедицинской системы является передача требуемого объема информации с заданной точностью.

Рассмотрим основные понятия, используемы при передаче информации. Имеется множество определений понятия информации от наиболее общего философского, (информация есть отражение реального мира) до наиболее узкого практического (информация есть все сведения, являющиеся объектом хранения, передачи и преобразования).

Не углубляясь в определение понятия информации, отметим, что обмен информацией осуществляется посредством совокупности символов одинаково понимаемых отправителем (источник) и получателем. Такую совокупность символов называют сообщением, а сами символы- алфавитом источника сообщения. В свою очередь, передача сообщений осуществляется с помощью сигналов. Сигналом называется /9/ физический процесс, параметры которого определяются передаваемым сообщением, т.е. является его функцией. В современных системах передачи информации сигналы, в основном, имеют электрическую природу.

В зависимости от области определения и области возможных значений этой функции различают следующие виды сигналов:

- непрерывные по уровню и по времени;

- непрерывные по уровню и дискретные по времени;

- дискретные (квантованные) по уровню и непрерывные по времени;

- дискретные по уровню и по времени.

Сигналы первого типа (рис.7а), называемые непрерывными, задаются на конечном или бесконечном временном интервале и могут принимать любые значения в некотором диапазоне. Сигналы второго вида (рис.7б) задаются в определенные дискретные моменты времени (т.е. являются дискретизированными во времени) и могут принимать любые значения из некоторого диапазона. Сигналы данного типа получаются из непрерывных сигналов путем взятия отсчетов в определенные моменты времени. Подобное преобразование называется дискретизацией во времени. Шаг дискретизации (т.е. промежуток времени между двумя соседними отсчетами) может быть как постоянным, так и переменным. Как правило, его значение выбирают исходя из допустимой погрешности при восстановлении непрерывного сигнала по конечному числу его отсчетов. Сигналы третьего типа (рис.7в), называемые квантованными по уровню, задаются на некотором временном интервале и характеризуются тем, что принимают только вполне определенные дискретные значения. Они могут быть получены из непрерывных сигналов в результате применения процедуры квантования по уровню. В результате этой операции непрерывный сигнал заменяется ступенчатой функцией. Шаг квантования (в данном случае, расстояние между двумя соседними уровнями квантования) опять может быть как постоянным, так и переменным. Обычно его выбирают из условия обеспечения требуемой точности восстановления непрерывного сигнала из квантованного. Сигналы четвертого типа (рис.7г), называемые дискретными, задаются в определенные дискретные моменты времени и принимают определенные дискретные значения. Их получение возможно в результате осуществления операций дискретизации по времени и квантования по уровню над непрерывными сигналами.

Представленные в цифровой форме, т.е. в виде числа конечной разрядности, такие сигналы называют цифровыми.

Рисунок 7- Виды сигналов

В современных системах передачи информации в основном используются сигналы четвертого типа.

С точки зрения качества передачи сигнала важно при описании сигнала определить те его характеристики, которые обуславливают требования к каналу связи. В теории связи к таким характеристикам сигнала относят:

- длительность сигнала Ts;

- динамический диапазон сигнала Ds;

- ширина спектра сигнала .

Л F .

Длительность сигнала Ts определяет интервал времени существования

сигнала и, следовательно, время загруженности канала передачи системы связи.

Динамический диапазон Ds определяется отношением наибольшей мощности сигнала к наименьшей:

P

D = 10 • Ь-^. sP

min

Он измеряется логарифмической мерой и выражается в децибелах (дБ). Динамический диапазон речи диктора равен около 30 дБ, а оркестра - около 70 дБ.

Ширина спектра различных сигналов существенно различается. Например, ширина спектра типового телеграфного сигнала составляет 150 Гц (при скорости 100 Бод), а ширина спектра телевизионного сигнала- 6 МГц (частота 25 кадров/c, 625 строк). Некоторые сигналы имеют бесконечный спектр. На практике ширину спектра любого сигнала ограничивают полосой частот, в которой сосредоточена его основная энергия. Ограничение спектра сигнала позволяет снизить требования к ширине полосы пропускания канала. Главным критерием при ограничении ширины спектра являются допустимые искажения сигнала. В свою очередь, выбор величины допустимых искажений определяется исходя из целей решаемых задач. Так, при разговоре по телефону важно сохранить высокую разборчивость речи и ее естественность для того чтобы корреспонденты могли узнавать друг друга. Эксперименты показали, что этим условиям удовлетворяет частотный диапазон от 300 до 3400 Гц, несмотря на то, что исходный спектр речевого сигнала лежит в диапазоне от нескольких десятков герц до 16 кГц.

Произведение этих трех переменных дает обобщенную характеристику- объем сигнала /10/:

Чем больше объем сигнала, тем больше информации может переносить данный сигнал.

Обычно среда, используемая для передачи первичного информационного сигнала (аудио, видео, биотелеметрических сигнала), физически не может переносить исходный сигнал. Для того, чтобы передать сигнал осуществляют модуляцию несущего колебания (носителя) информационным сигналом. Модуляция заключается в изменении одного или нескольких параметров носителя с помощью

сигнала, несущего информацию. Обратная операция, выделение информационного сигнала A(t) из модулированного сигнала, называется демодуляцией.

В качестве несущего колебания наиболее часто используют:

- синусоидальное колебание;

- последовательность прямоугольных импульсов.

В зависимости от этого различают непрерывную и импульсную модуляции. При непрерывной модуляции носителем информации является гармоническое колебание высокой частоты:

где A0- амплитуда, ю0- несущая частота, ф0 - начальная фаза. Информационным сигналом A(t) можно воздействовать на любой из этих параметров несущей. Соответственно различают три вида модуляции: амплитудную (АМ), частотную (ЧМ) и фазовую (ФМ).

При АМ:

где mA - коэффициент модуляции. При ЧМ:

При ФМ:

Соответственно практическая ширина спектра, т.е. та часть спектра, где сосредоточена основная часть энергии сигнала (>90%), определится как:

Если информационный сигнал X(t) цифровой, т.е. представляет собой последовательность прямоугольных импульсов, соответствующих «0» и «1» цифрового кода, то АМ, ЧМ и ФМ переходят в амплитудную, частотную и фазовую манипуляцию, которая является разновидностью непрерывной модуляции (рис.8).

Рисунок 8- Манипуляция сигнала.

Практическая ширина спектра манипулированных сигналов определяется длительность информационного импульса:

Сигналы, применяемые для передачи информации по каналам связи, могут иметь и более сложную структуру. Например, в многоканальных системах передачи информации каждое сообщение может модулировать свою поднесущую, которая, в свою очередь, модулируют общую несущую. В этом случае говорят о сигналах с двух- или трехступенчатой модуляцией, например, АМ-ЧМ или АМ-ЧМ-ФМ. Более подробно этот вопрос рассмотрен, например, в /11/.

2.2.