автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Методы и алгоритмы измерения и контроля параметров состояния телевизионных и радиовещательных каналов

ВВЕДЕНИЕ.

1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ КОНТРОЛЯ ТЕКУЩЕГО СОСТОЯНИЯ ТЕЛЕ- И РАДИОВЕЩАТЕЛЬНЫХ КАНАЛОВ.

1.1. Сущность задачи контроля ТВ и РВ каналов. Принципы организации контроля.

1.2. Состав и характеристики испытательных сигналов.

1.3. Математическая постановка задачи измерения и контроля параметров состояния ТВ и РВ каналов.,.

1.4. Декомпозиция задачи. Структура комплексного алгоритма решения задачи.34

ВЫВОДЫ ПО ПЕРВОМУ РАЗДЕЛУ.

2. МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ ИЗМЕРЕНИЯ И КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ СОСТОЯНИЯ ТВ И РВ КАНАЛОВ.

2.1. Обнаружение испытательных сигналов.

2.1.1. Обнаружение телевизионных сигналов.

2.1.2. Алгоритм обнаружения телевизионных испытательных сигналов.

2.1.3. Обнаружение звуковых испытательных сигналов.

2.1.4. Алгоритм обнаружения звуковых испытательных сигналов.

2.2. Восстановление и оценка параметров формы испытательных сигналов.

2.2.1. Конкретизация постановки задачи восстановления и оценки параметров формы испытательных сигналов.

2.2.2. Оценка параметров при линейных искажениях формы испытательных сигналов.

2.2.3. Восстановление и оценка параметров формы испытательных сигналов при ее нелинейных искажениях.%

2.3. Классификация текущего состояния ТВ и РВ каналов.

2.3.1. Алгоритм классификации текущего состояния канала.9,

2.3.2. Средства информирования о результатах измерения и контроля.

ВЫВОДЫ ПО ВТОРОМУ РАЗДЕЛУ.

3. АТТЕСТАЦИЯ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ И КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ '

СОСТОЯНИЯ ТВ И РВ КАНАЛОВ.

3.1. Теоретическое описание статистических свойств оценок параметров испытательных сигналов.1.

3.2. Модель и результаты исследования метрологических характеристик методов и алгоритмов моделированием на ПЭВМ.

ВЫВОДЫ ПО ТРЕТЬЕМУ РАЗДЕЛУ.

Эффективным средством повышения качества телевизионных ГТВ) и радиовещательных (РБ) трактов является внедрение автоматизированных систем контроля (СК).Анализ состояния уровня развития таких автоматизированных СК и направлений их совершенствования [ 1 - 11 ] показывает, что они базируются на разработке специализированных (как правило, аналоговых) контрольно-измерительных приборов и частичного использования вычислительной техники в основном для выполнения вспомогательных функций.Появление новых ТВ и РВ систем и повышение требований к качеству существующих приводит в случае реализации отмеченной тенденции развития СК к увеличению удельного веса контрольно-измерительной аппаратуры в аппаратно-студийных комплексах и на линиях связи.Кроме того.данная тенденция в конечном счете может не привести к успеху из-за недостатков, присущих аналоговой обработке сигналов ( например, инерционности аналоговых измерителей и т.п. И,?]).

В ряде работ [ 1 , 5,] показано, что радикальное решение рассматриваемой противоречивой проблемы состоит в отказе от разработки специализированных контрольно-измерительных приборов и переходе к алгоритмическим методам контроля и измерения.реализуемым программным путем на ЭВМ ( как правило на ПЭВМ ). В этих аппаратно-программных комплексах (АПК) аппаратная часть упрощается до уровня аналого-цифрового преобразователя на входе ПЭВМ.

Для реализации указанного решения необходима разработка методов и алгоритмов цифровой обработки информации, позволяющих осуществлять измерение и контроль параметров состояния ТВ и РВ каналов по испытательным сигналам (ИС) в реальном масштабе времени в характерных для рассматриваемых систем условиях априорной неопределенности относительно типа и моментов возникновения искажений в каналах. Адекватными исходным данным рассматриваемых задач формальными моделями являются модели оценки параметров и классификации сложных статистических гипотез. Однако, специфика и особенности теле- и радиометрии не позволяют использовать известные методы статистики непосредственно и требуют постановки и решения ряда новых задач.

Изложенные обстоятельства обуславливают актуальность темы исследований диссертационной работы.

Целью диссертационной работы является разработка моделей, методов и программно реализуемых алгоритмов автоматического измерения и контроля параметров состояния теле- и радиовещательных ь каналов в аппаратно-программных комплексах на основе моделей и методов классификации и оценки параметров сложных статистических гипотез.

Для достижения сформулированной цели в диссертации ставится и решается научная задача измерения и контроля параметров состояния ТВ и РВ каналов, сущность которой заключается в представлении возможных состояний канала сложными статистическими гипотезами относительно формы и параметров представительного набора ИС, оценивании и классификации сложных статистических гипотез с использованием единого критерия отношения максимальных значений функции правдоподобия.

Результатом решения научной задачи являются следующие основные положения, выносимые на защиту:.

1.Математическая модель задачи измерения и контроля параметров состояния теле- и радиовещательных каналов.

Модели описания формы испытательных сигналов на выходе контролируемого канала и представления его возможных состояний.

3.Методы и алгоритмы автоматического описания гипотез о текущем состоянии канала, классификации и оценивания их параметров в реальном времени.

4.Комплексный алгоритм и реализующий его комплекс программ измерения и контроля параметров состояния теле- и радиовещательных каналов. . ,

5. Опенки характеристик качества комплексного и частных алгоритмов измерения и контроля параметров состояния теле- и радиовещательных каналов.

Научная новизна результатов исследований определяется следующими положениями.

Бо-первых.новой постановкой задачи измерения и контроля параметров ТВ и РВ каналов, которая в отличие от принятого в настоящее время допускового контроля набора нормируемых параметров ИС ставится с использованием интегрального статистического критерия принятия решения о состоянии канала с одновременным учетом текущих значений всех параметров используемого набора ИС. Соответствующие возможным состояниям канала альтернативные гипотезы, входящие в интегральный критерий, формулируются в пространстве параметров всего набора ИС. Интегральный критерий строится на основе достаточной статистики отношения максимальных значений функций правдоподобия гипотез и выбора порога для нее по допустимой вероятности ложного установления текущего состояния канала. При этом постановки частных задач ( обнаружения фронта и среза ИС. оценки параметров формы ИС ) определяются путем декомпозиции интегрального критерия. Последнее обеспечивает согласованность совокупности критериев решения частных задач с интегральным критерием.

Во-вторых, новыми идеями автоматического построения моделей описания формы ИС ( и, следовательно, гипотез ) на выходе канала. Такие модели строятся в классе сплайнов с различными в общем случае базовыми функциями для различных локальных интервалов наблюдения ИС. При этом в отличие от известных подходов узлы сплайнов и смена базисных функций определяются рекуррентно по критерию, основанному на величине динамической ошибки экстраполяции амплитуды сигнала. Новой здесь является также идея определения порядка гладкости сплайн-функции (дефекта), который выбирается в соответствии с физической сущностью оцениваемых параметров конкретного ИС.

В-третьих, новой схемой процесса измерения и контроля параметров ТВ и РВ сигналов ( новой логической схемой работы контрольно-измерительного комплекса ), которая обеспечивается программной реализуемостью разработанных методов и алгоритмов и их характеристиками качества.

Новизна результатов исследований определяет их теоретическую значимость, в целом они представляют доказательство того, что создание и внедрение цифровых методов измерения и контроля является высокоэффективным направлением в развитии метрологических СК ТВ и РВ каналов передачи информации по сравнению с традиционным. Данные методы и алгоритму являются развитием основ теории и методов проектирования математического обеспечения автоматизированных систем контроля ТВ и РВ каналов.

Практическая ценность полученных результатов заключается в том. что разработанные методы и алгоритмы программно реализованы на ПЭВМ, характеристики качества алгоритмов полностью удовлетворяют метрологическим требованиям, выдвигаемым современными системами теле- и радиовещания к контрольно-измерительным комплексам, обеспечивается возможность практической реализации идеи создания аппаратно-программных измерительных комплексов, в которых минимизируется объем аппаратной части, совершенствование и расширение возможностей комплекса обеспечивается модификацией (расширением) комплекса программ. При этом для метрологической поверки комплексов такого типа не требуется специализированного оборудования. Практически важным является также возможность использования аппаратно-программных комплексов, основу которых составляют разработанные и программно реализованные методы и алгоритмы на предприятиях-изготовителях теле- и радиооборудования для настройки последнего, а также в исследовательских лабораториях в составе систем автоматизированного проектирования ТВ и РВ аппаратуры.

Основные результаты исследований реализованы при создании автоматизированной системы проектирования контрольно-измерительных комплексов для систем теле- и радиовещания, программы разработанных методов и алгоритмов использованы в принятом к производству и внедряемом во все региональные государственные телерадиокомпании России аппаратно-программном комплексе, а также вошли в конструкторскую документацию по АПК и в "Руководство оператору аппаратно-программного комплекса контроля и измерения ТВ и РВ сигналов".

Результаты исследований изложены в трех разделах.

В первом разделе проводится анализ исходных данных и постановка задачи. Обосновывается декомпозиция задачи и интегрального критерия на частные задачи и критерииих решения. Приводится комплексный алгоритм решения задачи, соответствующий проведенной декомпозиции.

Во втором разделе конкретизируются постановки и разрабатываются методы и алгоритмы решения частных задач: обнаружения ИС; восстановления и оценки параметров формы ИС на выходе канала; измерения дополнительного набора параметров состояния канала; классификации текущего состояния канала. 1

Показывается, что совокупность разработанных методов и алгоритмов обеспечивает решение поставленной научной задачи.

В третьем разделе проводится аттестация разработанных методов и алгоритмов. Приводятся теоретические оценки характеристик I качества комплексного и частных алгоритмов, а также результаты исследования характеристик моделированием на ПЭВМ.

Основные результаты каждого раздела и работы в целом обобщаются в выводах по разделам и в заключении.

Защищаемые положения, разработанные методы и алгоритмы, рекомендации опубликованы в работах [13-22].

Диссертационные исследования непосредственно связаны с планами НИР Тверского государственного университета:"Овчина - РВО", "Обоз - РВО", НИР по научно-технической программе 0.10, утверж'-денной постановлением ГКНТ СССР от 30.10.85. •

ВЫВОДЫ ПО ТРЕТЬЕМУ РАЗДЕЛУ

В разделе приведены аналитические соотношения для точностных показателей методов и алгоритмов измерения и контроля параметров состояния ТВ и РВ каналов, а также описаны методика и ре зультаты исследований точностных, достоверностных и временно свойств методов, алгоритмов и разработанного на их основе программного комплекса статистическим моделированием на ПЭВМ.

1. Используемые в разработанных методах и алгоритмах модели описания формы ИС в точке их контроля являются по существу либо моделями авторегрессии, либо (линейными) моделями регрессии общего вида. Интерпретация известных теоретических результатов относительно использования метода максимального правдоподобия для оценивания параметров моделей указанного типа иллюстрирует свойства асимптотической нормальности, несмещенности и состоятельности оценок параметров ИС, получаемых разработанными методами.

Полученные выражения приближенного аналитического представления оценок параметров ИС и элементов матрицу корреляции ошибок оценивания показывают, что разработанные методы и алгоритмы обеспечивают получение несмещенных оценок, а при характерном для ТВ и РВ систем энергетическом отношении сигнал/помеха - практически эффективных, т.е. практически обеспечивается потенциально достижимая точность оценивания.

2. Проведенные методом математического моделирования на ПЭВМ исследования характеризуют точность измерения контролируемых параметров состояния ТВ и РВ каналов, достоверность правильного установления текущего состояния канала и время, необходимое для измерения и контроля, в зависимости от условий функционйрования каналов и их состояния: от интенсивности внешних помех, воздействующих на канал, и флуктуационных шумов, степени зтипа искажений формы ИС в канале. Основу исследований составляют модели имитации канала, условий его функционирования., способа лс-лучения первичных измерений по ИС в точке контроля и программный комплекс алгоритмического измерения и контроля параметров. Моделирование охватывает практически весь диапазон возможных реальных условий работы контрольно-измерительных средств ( за исключением импульсных помех ). Основные выводы здесь состоят в следующем; результаты моделирования подтверждают теоретическую харак-теризацию свойств разработанных методов и алгоритмов; при одинаковых условиях функционирования разработанные методы и алгоритмы*обеспечивают повышение точности измерений по сравнению с известными средствами не менее, чем на 76%; требуемая точность измерений для задач . телерадиометрии обеспечивается при отношении сигнал/помеха > 27.5 Дб, что значительно превосходит возможность известных аппаратных средств; вероятность правильного установления текущего состояния контролируемого канала практически равна 1, вероятность перепу-тывания состояний не превосходит 10~5; время измерения и контроля используемого в современных системах контроля набора параметров не превосходит для одного канала 1.6 сек ( для ПЭВМ типа IBM PC/XT,AT 286).

3. ПК, в основу которого положены разработанные методы и алгоритмы,обеспечивает своевременное алгоритмическое измерение и контроль параметров состояния ТВ и РВ каналов и удовлетворяет современным (и известным перспективным) метрологическим требованиям.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ i

В диссертационной работе на основе анализа исходных данных, свойств и требований задач телерадиометрии обоснована математи-' ческая модель задачи алгоритмического ( с использованием методов цифровой обработки информации ) измерения и контроля параметров состояния телевизионных и радиовещательных каналов в процессе ведения передач. Проведена декомпозиция и разработаны методы и алгоритмы решения поставленной задачи. Разработано и внедрено в реальный аппаратно-программный контрольно-измерительный комплекс программное обеспечение процесса измерения и контроля параметров состояния каналов, основу которого составили предложенные методы и алгоритмы.

Теоретическая значимость работы определяется тем, что полученные результаты развивают теоретические основы разработки математического обеспечения систем автоматического контроля ТВ и РВ каналов, а также вносят вклад в теорию методов цифровой обработки сигналов и случайных процессов иной физической природы в части построения и оценки параметров регрессионных моделей описания их динамики.

Практическая ценность полученных , результатов определяется характеристиками качества методов, алгоритмов и программ, их практической реализацией и внедрением, а также тем, что они представляют собой доказательство перспективности направления по внедрению методов алгоритмического измерения и контроля в ТВ и РВ системы.

Результаты исследований могут быть непосредственно использованы в аппаратно-студийных комплексах телецентров1 и радиодомов, в радиопередающих центрах, на предприятиях, изготавливающих ТВ и РВ аппаратуру и аппаратуру связи, в метрологических центрах, в научно-исследовательских лабораториях соответствующего профиля.

В качестве основных направлений развития результатов применительно к телерадиометрии укажем направления, связанные с внедрением алгоритмически:-; методов в задачи периодического (профилактического) контроля ТВ и РВ оборудования и телевидение высокой четкости, с синтезом испытательных сигналов повышенной информативности, с измерением и контролем спектральных характеристик испытательных сигналов и информативных (в смысле оценки качества канала ) параметров сигналов реальной программы передач. t

1. Кривошеее М.И. Основы телевизионных измерений. - М.:Радио и связь, 1989.

2. Система контроля телевизионного аппаратно-студийного комплекса / Л.С.Виленчик, И.С.Иванов /У Тез. докл. на XIII Всесоюзной научной сессии, посвященной дню Радио. М.:Радио и связь,1988, ч.2.

3. Кнеллер Н.А., Иванов И.С., Виленчик Л.С., Третьяк С.А. Принципы построения общесоюзной автоматизированной системы контроля Гостелерадио СССР.// Техника кино ителевидения. -1988, N2.

4. Виленчик Л,С., Медведев Ю.А. Проблемы контроля и измерений в современном телевидении.// Техника кино и телевидения.-1990., N12, Ь. 14-21.

5. Правила технической эксплуатации средств вещательного телевидения. М.: Минсвязи СССР, 1988.

6. Иоффе М.Г, Автоматический контроль трактов звукового вещания. М.: Связь, 1980.

7. Никонов А,В., Папернов Л.З. Измерители уровня звуковых сигналов. М.: Радио и связь, 1981.

8. ГОСТ 22504-77. Тракты звукового вещания. Методы измерений основных параметров качества трактов вторичного распределения программ. /. ' • .

9. ГОСТ 23107-78. Тракты звукового вещания. Методы измерений основных параметров качества трактов формирования программ.

10. ГОСТ 21185-75. Измерители уровня квазипиковые. Типы и основные параметры. Методы испытаний.

11. Виленчик Л.С., Катулев А.Н., Михно Г.А. Комплексный алгоритм контроля ТВ канала.//Тезисы докладов НТК. . Развитие и совершенствование телевизионной техники. Львов, НШТТ "Электрон", 1993, с. 117-119.

12. Виленчик Л.С., Катулев А.Н., Михно Г.А. Регуляризирующий алгоритм оценки параметров типовых испытательных сигналов при контроле ТВ канала,/7РНТ0РЭС им. А.С. Попова. XLIX научная сессия, посвященная дню Радио. Тезисы докладов. ч.2 -- М., с. 144-145.

13. Виленчик Л.С., Катулев А.Н., Михно Г.А. Восстановление и оценка параметров формы ТВ сигналов с использованием специальных сплайн-функций.//Там же, с.13-14.

14. Katulev A.N., MlkhnoG.A., MikhnoV.N., Vilenchik L.S., Program Complex of TV arid Broadcasting Channels Control.// International Conference "Information technology in design", Moscow, Russia, 1994. Proceedings, part 2, pp. 149-151.

15. Виленчик Л.С. Катулев А.Н., Михно Г.А., Михно В.Н. Алгоритмические измерения в телевидении и радиовещании. М., Радио и связь, 1994.

16. Аппаратно-программный комплекс контроля и измерения ТВ и РВ сигналов.Книга 1.Описание алгоритмов.- М.:МКВ "Электрон", 1993.

17. Аппаратно-программный комплекс контроля и измерения ТВ и РВ сигналов.Книга 2.Программный комплекс (описание программ и описание применения). М.:МКЕ "Электрон", 1993.

18. Аппаратно-программный комплекс контроля и измерения ТВ и РВ сигналов. Книга 4. Руководство оператору.-М.:МКБ "Электрон", 1993.

19. Wolf P. Die situation der FS-Messtechnik mit Blick auf die zunehmende Verwendung analoger Komponentensignale im studi-obereich.//Rundfunktech. Mitteilungen. Jahrg. 30 (1986) H.5, s.230-238.

20. ГОСТ 18472-83. Тракт передачи изображения вещательного телевидения. Звенья тракта и измерительные сигналы.

21. ГОСТ 11515-75. Каналы и тракты звукового вещания. Классы. Основные параметры качества.

22. Кендапл М.Дж., Стьюарт А. Статистические выводы и связи. -М.: Наука, 1973.

23. Боровков А.А. Математическая статистика. Оценка параметров. Проверка гипотез. М.: Наука, 1984.

24. Виленчик Л.С., Катулев А.Н.', Михно В.Н. Разрешение и оценка параметров помех при контроле ТВ канала.//'РНТОРЗС им. А.С.Попова. XLIX научная сессия, посвященная дню Радио. Тезисы докладов. ч.2 М., с.144-145.

25. Виленчик Л.С., Катулев А.Н., Михно В.Н. Метод классификации помех при контроле ТВ канала./'/Радиотехника, 1994 (в печати) .

26. Ширяев А.Н. Статистический последовательный анализ. М.: Наука, 1976.

27. Вольшев Л.Н., Смирнов Н.В. Таблицы математической статистики. М.: Наука, 1983.

28. Кульбак С. Теория информации и статистика. М.: Наука, 1967.

29. Виленчик Л.С., Катулев А.Н., Перевозчиков А.Г. Метод контроля испытательных сигналов с малой крутизной фронтов в те левидении. Радиотехника, N9, 1991, с.35-38.

30. Жиглявский А.А., Красковский А.Е. Обнаружение разладки случайных процессов в задачах радиотехники. ЛГУ, 1988.

31. Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов. М.: Мир, 1978. ,

32. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике.- М.: Наука, 197*8.

33. Огарков М.А. Методы статистического оценивания параметров случайных процессов. М.: Энергоатомиздат, 1990.

34. Кузьмин С.З. Основы теории цифровой обработки радиолокационной информации. М.: Сов. радио, 1974.

35. Куликов Е.И., Трифонов А.П. Оценка параметров сигналов на фоне помех. М.: Сов. радио, "1974.

36. Айвазян С.А., Енюков И.С., Мешалкин Л.Д. Прикладная статистика. Исследование зависимостей,- М.: Финансы и статистика, 1985.

37. Ермаков С.М., Бродский В.З., Жиглявский А. А. и др. Математическая теория планирования эксперимента.- М.: Наука,.1983.,4,о. Гйхман И.И., Скороход А.В. Теория.случайных процессов,т.1-- М.: Наука, 1971.

38. Кендалл М.Дж.Стьюарт А. Многомерный статистический анализ и временные ряды. М.: Наука, 1976.