автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.13, диссертация на тему:Методы и алгоритмы уплотнения гомогенных сигналов в многоканальных телекоммуникационных системах

^ О'.

На правах рукописи

Городецкий Иван Иванович

МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ УПЛОТНЕНИЯ ГОМОГЕННЫХ СИГНАЛОВ В МНОГОКАНАЛЬНЫХ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ

Специальность 05.13.13 -Телекоммуникационные системы и

компьютерные сети

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

УФА 2004

Работа выполнена на кафедре телекоммуникационных систем Уфимского государственного авиационного технического университета

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Султанов Альберт Ханович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Тяжев Анатолий Иванович

доктор технических наук, профессор Миронов Валерий Викторович

Ведущая организация: Филиал «Энергосвязь»

ОАО «Башкирэнерго», г. Уфа

Защита диссертации состоится « 5 » марта 2004 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета К 212.288.01 в Уфимском государственном авиационном техническом университете по адресу: 450000, г. Уфа, ул. К. Маркса, 12.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного авиационного технического университета.

Автореферат разослан «_»_2004 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета Р.А. Гараев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Увеличивающийся объем информации, генерируемый современным обществом, требует новых подходов по обработке и передачи сообщений в телекоммуникационных системах и сетях. Одним из способов увеличения пропускной способности телекоммуникационных систем и сетей является использование принципа многоканальной связи. Суть многоканальности заключается в передаче большого числа сообщений от различных источников информации по общей линии связи. Многоканальность передачи сообщений обеспечивается при помощи использования методов сигнального уплотнения: частотного, временного, кодового и др. Однако, вышеперечисленные традиционные методы сигнального уплотнения, в некотором смысле, уже исчерпывают свои возможности по увеличению пропускной способности телекоммуникационных сетей, например, из-за ограниченности физических характеристик средств передачи сообщений, параметров среды распространения сигналов, достаточной дороговизны линейного оборудования и т.д. При этом также возникает необходимость увеличения пропускной способности уже действующих, эксплуатирующихся телекоммуникационных систем, к которым, в частности, можно отнести системы теле и радиовещания. Следовательно, можно говорить об актуальности задачи увеличения пропускной способности многоканальной телекоммуникационной системы с минимальными затратами материальных средств и времени, и сохранением функциональности ее отдельных элементов и узлов. Эту задачу можно решить при помощи применения альтернативных методов канального уплотнения, к которым можно отнести уплотнение гомогенных сигналов на основе вторичного использования широкополосных каналов (которое также будем называть вторичным уплотнением).

Основная особенность уплотнения гомогенных сигналов (вторичного уплотнения) заключается в том, что уплотняемые сигналы многоканальной телекоммуникационной системы имеют взаимно пересекающиеся спектрально-временные характеристики. При этом ширина спектров (база) уплотняемых сигналов соизмерима и сопоставима между собой, сигналы коррелированны и их корреляционные функции постоянны во времени (такие сигналы в дальнейшем будем называть гомогенными). Следует отметить, что возможность эффективного уплотнения обуславливается тем, что многие широкополосные сигналы (особенно аудио-, видеосигналы) близки по своей природе, характеризуются значительной информационной избыточностью и допускают некоторую степень потери информации, при которой эта потеря

практически не ощущается человекол сигналах можно выделить некоторое об: д<

—Дц*

уплотняемых ро», при этом

логично думать, что нет необходимости в образовании новых каналов связи для передачи практически одной и той и то же информации.

Однако решение задачи уплотнения гомогенных сигналов связано со многими сложностями. Среди них можно выделить сложности, связанные с взаимным искажением уплотняемых сигналов из-за наложения друг на друга (пересечения) их спектрально-временных характеристик, трудности обеспечения линейной независимости и ортогональности уплотняемых сигналов с целью их выделения на приемной стороне, отсутствием эффективных методов и алгоритмов синтеза частотных и временных характеристик уплотняемых сигналов. Следует также отметить, что известные методы вторичного уплотнения не в полной мере учитывают особенности восприятия человеком поступающей информации, что уменьшает эффективность этих методов и делает актуальной задачу разработки методов и алгоритмов вторичного уплотнения гомогенных сигналов с перекрывающимися спектрально-временными характеристиками, которые позволяют увеличить пропускную способность и информационную емкость широкополосных каналов передачи.

Цель работы. Разработка методов и алгоритмов вторичного уплотнения гомогенных сигналов с перекрывающимися спектрально-временными характеристиками, которые позволяют увеличить пропускную способность и информационную емкость широкополосных каналов передачи в существующих и вновь разрабатываемых многоканальных телекоммуникационных системах.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие задачи:

1. Разработка линейной и нелинейной моделей вторичного уплотнения гомогенных сигналов с перекрывающимися спектрально-временными характеристиками, учитывающих динамические особенности восприятия человеком этих сигналов, а также меру потери информации в результате вторичного уплотнения.

2. Постановка на основе разработанной модели задачи синтеза спектральных и временных характеристик уплотняемых сигналов с учетом возможности их выделения на приемной стороне.

3. Разработка методов и алгоритмов синтеза характеристик вторичного сигнала для широкополосных систем передачи.

4. Разработка программного обеспечения вторичного уплотнения сигналов для систем передачи изображений.

Методы исследований. В работе использованы положения теории электрической связи, теории автоматического управления, теории функций

комплексных переменных, теории кодирования. Применены методы математического моделирования, в том числе компьютерного.

Научная новизна работы

1. Разработаны модели вторичного уплотнения сигналов; которые, в отличие от известных, позволяют получить более строгое формальное описание процесса уплотнения гомогенных сигналов с перекрывающимися спектрально-временными характеристиками, с учетом динамических особенностей восприятия человеком этих сигналов. Также модели позволяют учесть меру потери информации в результате вторичного уплотнения.

2. Сформулирована и решена "задача синтеза спектральных характеристик вторичного сигнала на основе последовательного решения обратной и прямой задач Винера-Котельникова в частотной и временной областях, что позволяет уменьшить искажения уплотняемых сигналов при одновременном выполнении условия их разделения на приемной стороне.

3. Разработаны инженерные методы синтеза спектральных характеристик уплотняемых сигналов на основе решения обратной задачи Винера-Котельникова, позволяющие проводить вторичное уплотнение гомогенных сигналов в существующих аналоговых телекоммуникационных системах.

4. Разработаны эвристические алгоритмы уплотнения для цифровых телекоммуникационных систем, уменьшающие степень искажения уплотняемых сигналов при одновременном увеличении помехоустойчивости вторичного канала.

Практическая ценность. Разработаны инженерные методики и на их основе спроектирован программный комплекс моделирования вторичного уплотнения гомогенных сигналов для систем передачи изображений.

Реализация результатов. Основные результаты диссертационной работы использованы в сети передачи телевизионного сигнала Республиканского радиотелевизионного передающего центра (РРТПЦ - филиал ОАО «Башинформсвязь») и в учебном процессе в Уфимском государственном авиационном техническом университете, г.Уфа.

На защиту выносятся:

1. Новые модели вторичного уплотнения сигналов.

2. Формулировка и решение задачи синтеза спектральных характеристик вторичного сигнала в частотной и временной областях.

3. Инженерные методики синтеза спектральных характеристик уплотняемых сигналов на основе решения обратной задачи Винера-Котельникова.

4. Эвристические алгоритмы уплотнения для цифровых телекоммуникационных систем, уменьшающих степень искажения уплотняемых сигналов при одновременном увеличении помехоустойчивости вторичного канала.

5. Результаты имитационного моделирования, показавшие возможность использования предложенных методов и алгоритмов вторичного уплотнения сигналов для повышения пропускной способности систем передачи изображений широкого класса.

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на второй, третьей и четвертой международных научно-технических конференциях «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций», г. Уфа, 2001-2004; 5-й международной конференции «Распознавание-2001», г. Курск, 2001; Международной молодежной научно-технической конференции «Интеллектуальные системы управления и обработки информации», г. Уфа, 2001; II Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы прогнозирования, предотвращения и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций», г. Уфа, 2001; пятой международной конференции «Computer Science and Information Technologies - CSIT 2003», г. Уфа, 2003, а также на семинарах кафедры «Телекоммуникационные системы» УГАТУ.

Публикации. Основные результаты работы отражены в 13 научных публикациях: статья в центральном издании - 1, материалы международный и российских конференций — 12.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Общий объем составляет 157 с, основной текст 149 с, в том числе 50 рисунков, 25 таблиц, список литературы из 52 наименований на 5 с, приложения 3 с.

Автор выражает глубокую благодарность научному консультанту к.т.н. Кузнецову И В. за оказанную при написании работы помощь.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована основная цель работы, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлен анализ существующих методов уплотнения сигналов с перекрывающимися спектрально-временными характеристиками в широкополосных телекоммуникационных системах на примере систем передачи изображений. Рассмотрены системы уплотнения (образования вторичного канала) в аналоговых системах передачи видеоизображений с использованием временного, частотного и поляризационного уплотнения.

Рассмотрены системы уплотнения (образования вторичного канала) в цифровых системах передачи видеоизображений с использованием линейных и нелинейных методов скрытия данных в пространственной области и в области преобразования. Показано, что общим недостатком рассмотренных методов уплотнения является отсутствие учета восприятия человеком динамики изменения изображений между кадрами, что уменьшает достижимую описанными системами пропускную способность.

Обеспечив функционирование системы уплотнения при перекрытии спектрально-временных характеристик, можно обеспечить большую эффективность использования существующих линий связи.

Во второй главе разработаны методы уплотнения гомогенных аналоговых сигналов на основе вторичного использования широкополосных каналов.

Разработана модель и поставлена задача синтеза характеристик вторичного канала связи аналоговой телекоммуникационной системы. Модель двухканальной телекоммуникационной системы (рис. 1) включает сумматор (СУМ), устройство выделения основного сигнала (УВОС) и выделения вторичного сигнала (УВВС).

где х($, у(1) - сигналы соответственно основного и вторичного каналов; т(1) = х(1) + у0) — композиционный сигнал; УВВС - устройство выделения вторичного сигнала с передаточной функцией Г(я) (либо весовой функцией /($); УВОС - устройство выделения вторичного сигнала с известной передаточной функцией Щ(я) (или соответствующей Щ(я) весовой функцией w(t)), которая может характеризовать допустимую меру потери информации при передачи, восприятие сигнала человеком, параметры устройств передачи и воспроизведения; еО, е() - ошибки восстановления соответственно основного и вторичного сигналов.

На основе разработанной модели сформулирована математическая постановка задачи синтеза вторичного канала связи: требуется по известной не

нулевой для всех значений аргумента спектральной плотности! Фa(s) (либо не нулевой для всех значений аргумента автокорреляционной функции т)) основного сигнала и известной передаточной ф у н к ц fV(s) [ибо весовой функции w(t)) УВОС, найти:

а)спектральную ®yy(s) и соответствующую ей корреляционную

функцию К^т) вторичного сигнала, и

б) передаточную функцию F(s) и соответствующую ей весовую функцию f(t) УВВС

при условии минимума следующих функционалов

где а? и о2

, г± — дисперсии ошибок восстановления основного и вторичного сигналов ТС;

Фл($) и ФоМ - спектральные характеристики сигналов и ^(О-Для нахождения спектральных характеристик сигнала вторичного канала сформулированы две теоремы — в частотной и временной областях:

Теорема 1 (в частотной области). Минимум функционала (1) достигается тогда и только тогда, когда изображение по Лапласу композиционного сигнала и изображение его произвольной стационарной случайной вариации Ч^) удовлетворяет тоавнению вила

(3)

' г-*"® I Т ) | Т

где £(-.5) - некоторая неизвестная комплексная функция, нули и полюсы которой лежат в правой части комплексной полуплоскости.

Теорема V (во временной области). Минимум функционала (1) достигается тогда и только тогда, когда композиционный сигнал и его произвольная вариация удовлетворяет интегральному уравнению вида

+00

(4)

где М{} - знак математического ожидания.

Сигнал вторичного канала предлагается записывать в виде

(5)

где - некоррелированная с составляющ^^; - коррелированная

с х(1) составляющая.

Некоррелированная составляющая находится при решении следующих уравнений:

(в частотной области) + = (6)

(во временной области)

Для решения приведенных уравнений необходимо знать передаточную функцию УВОС и спектральную характеристику сигнала основного канала

УВОС в телевизионных системах описывается передаточной функцией

К

гсг)

Спектральная характеристика сигнала аппроксимируется функцией

основного

канала

Ф» =

1

а,2(сх2-*г)'

(8)

где - константы.

При этом спектральная характеристика некоррелированной с основным сигналом составляющей вторичного сигнала описывается соотношением вида

ф" =

Т}

(9)

Зависимая от х(1) (коррелированная с х() оптимальная спектральная. характеристика Ф]у(з) вторичного сигнала, минимизирующая функционал (1) при = 0 находится из уравнения (10)

1-И7..Л

(10)

где Н(в) — передаточная функция формирующего фильтра, обеспечивающего корреляционную связь основного и вторичного сигналов; - изображение

по Лапласу коррелированной с х(Р) составляющей.

Искомая спектральная характеристика сигнала вторичного канала

Искомая корреляционная функция вторичного сигнала находится из (11) — применяя обратное преобразование Фурье-Лапласа в соответствии с теоремой Винера-Хинчина, получим

1 +w° i

l-FK(s)

Искомая взаимная спектральная основного и вторичного каналов

»'(s)

характеристика

«W

сигналов

Ф(з) = Ф'(j) =1 .

(13)

Выражения (11) - (13) определяют оптимальный в смысле (1) вторичный сигнал, при котором достигается минимум искажений основного сигнала. Передаточная функция УВВС определяется выражением

F(s) =

Y(s) Z(s)'

1

1

Ф» +

1 -W(s) W(s)lV(-s)

ф»

ф»+

î

(14)

W(s)W(-s) " J+[L W(s)lV(-

где и - операции выделения соответственно устойчивых и

неустойчивых составляющих выражения в квадратных скобках. Из (14) видно, что в общем случае F(s)ФО. Следовательно, разделение сигналов x(t) и y(t) на приемной стороне ТС возможно.

Определены удельные пропускные способности основного и вторичного каналов. Максимальная пропускная способность вторичного канала в лучшем случае может равняться пропускной способности вторичного канала.

На основе найденного решения разработаны инженерные методики формирования вторичного канала.

Основная их идея - синтез устройства формирования вторичного сигнала (УФВС, рис. 2), которое приближает тем или иным способом спектральные характеристики исходного сигнала вторичного канала к желаемым, приведенным в системе (15).

a{t) J Ж)

A{s) x(t)

УФВС

X(s)

4s) ->è

2(0,

Z(s)

Рис.2

где УФВС - устройство формирования вторичного сигнала; а(1) — исходный сигнал вторичного канала связи; у(1) - преобразованный сигнал вторичного канала связи; - сигнал основного канала связи; 1(1) — композиционный сигнал.

желаемая спектральная характеристика вторичного канала; желаемая взаимная спектральная характеристика основного и

где Ф*(*)

вторичного каналов.

Предложены два метода синтеза вторичного канала в аналоговой телекоммуникационной системе.

Первый предлагаемый метод синтеза вторичного сигнала - фильтровый. В качестве УФВС - фильтр, который приближает спектральные характеристики исходного вторичного сигнала к желаемым (15) путем изменения - спектра исходного вторичного сигнала a(t).

Спектральная характеристика сигнала на выходе фильтра УФВС должна соответствовать желаемой

(16)

где P(s) = V(s)/A(s) - передаточная функция УФВС;

(17)

щ*) Ф»

Достоинствами фильтрового метода синтеза вторичного сигнала являются простота, надежность, высокое быстродействие. Ограничением фильтрового метода синтеза вторичного сигнала является то, что некоррелированная составляющая вторичного сигнала несколько искажает основной сигнал;

Второй предлагаемый метод синтеза вторичного сигнала -модуляционный. В качестве устройства формирования вторичного сигнала используется модулятор. Для сигналов передачи изображений характерен спектр в виде «колоколов» на частотах кратных строчной частоте (рис. 3).

Из простых видов модуляции наиболее хорошо такой «колокол» аппроксимируется фазомодулированным сигналом. Спектральная характеристика вторичного сигнала после модуляционного преобразования (в случае фазовой модуляции)

ФГ(ш) = 2 ^^[(ш-ш.К/2]

(18)

где ио - амплитуда огибающей; ти - длительность передачи одного разряда

циклическая частота несущего колебания

цифровой последовательности; б), вторичного сигнала.

(ш) должна соответствовать желаемой Ф!|) (5] (18) в той части, которая

описывает «колокол» на рисунке.

Если Ф^гё) п о форме незначительно отличается Ф^Тю), параметры модуляции определяются решением системы

(19)

Более общий метод определения Ти - решение нелинейного уравнения вида

(20)

Достоинствами модуляционного метода синтеза вторичного сигнала по сравнению с фильтровым являются большая точность и большая гибкость. Ограничениями модуляционного метода синтеза вторичного сигнала являются сложность и повышенные требования к быстродействию формирующего устройства.

Третья глава посвящена разработке алгоритмов уплотнения кодовых сигналов и последовательностей цифровых телекоммуникационных систем. Для цифровых телекоммуникационных систем характерны некоторые особенности, например наличие алфавита сообщений и др., поэтому для цифровых систем могут быть предложены специфические алгоритмы синтеза вторичного канала. Исходными данными для синтеза вторичного канала

дискретной телекоммуникационной системы являются источники дискретных сообщений основного и вторичного каналов связи, полностью определяемые алфавитом А- {а,.....ак} заданного объема К (в общем случае можно считать,

что К—><»),распределением априорных вероятностей ■Р(л) заданных на

последовательностях <£ = (а1,...,ая), г) = (о,,...,аи) (а, еЛ) произвольной длины п - для основного и т - для вторичного источников дискретных сообщений, при этом п»т. Исходным также является условие, что источники дискретных сообщений допускают некоторую потерю информации. Новая последовательность С,, передаваемая в канале связи, представляет собою композицию последовательностей £ и п

(21)

где о( - знак композиции, которая заключается в замене символов последовательности на символы последовательности т| по некоторому правилу.

Необходимо определить правило замены символов последовательности основного канала на символы последовательности вторичного канала, обеспечивающее минимум функционала (22) или (23).

У-М^И-ОД^тш, (22)

где £[/] - 1-й. элемент последовательности £[/] - 1-й элемент

последовательности - операция вычисления кодового расстояния

Хэмминга.

Первым предлагаемым для цифровых ТС алгоритмом, обеспечивающим минимум функционала (22), является алгоритм на основе модифицированного нелинейного функционального преобразования вероятностных характеристик вторичного канала связи.

Шаг 1. Интервал [а, Ъ] значений исходного случайного процесса £(/) разбивается на N участков (подынтервалов) (с увеличением числа интервалов разбиения разница между синтезируемым сигналом вторичного канала и сигналом основного канала уменьшается.) [^^.У,], при этом х^ -yJ, / = 1,ЛГ.

Шаг 2. Находится номер участка, которому принадлежит ьтое значение исходного случайного процесса £(*')• 4(')е[х*>л] ~ к-мый подынтервал.

Шаг 3. — значение т|(|) случайного процесса вторичного источника сообщений преобразуется в равномерный при помощи формулы

Л = + (24)

где ^(л) — интегральная функция распределения последовательности т].

От классического преобразования Тихонова данный алгоритм отличается разбиением интервала значений преобразуемого сигнала на ряд подинтервалов и учетом при преобразовании факта попадания значения в тот или иной подинтервал. Это обеспечивает не только преобразование вероятностных характеристик к желаемым, но и приближение формы огибающей преобразованной последовательности к требуемой.

Алгоритм выделения т|(г) из последовательности £(')•

К каждой /-той выборке применяется формула

л-** и

где - функция, обратная функции

Ограничением предложенного алгоритма является необходимость передачи в полученном сигнале информации об интегральной функции распределения. Такого ограничения нет в следующих двух предлагаемых алгоритмах.

Второй предлагаемый для цифровых систем алгоритм в качестве критерия качества использует выражение (23), основанное на расстоянии Хэмминга.

Ключевой операцией алгоритма синтеза на основе бинарных логических преобразований является условное инвертирование группы бит:

Эта операция обеспечивает уменьшение кодового расстояния или сохранение его неизменным.

Алгоритм образования вторичного канала в цифровой системе на основе бинарных логических операций:

Шаг 1. Последовательности основного £и вторичного Г| каналов с алфавитом А = {0,1} разбиваются на группы ^ и Т], одинаковой длины 1 бит

Шаг 2. Из всего множества разбиений последовательностей £ и Т] выбираются такие разбиения и сочетания групп и , в которых имеет место равновероятное распределение нулей и единиц.

Шаг 3. Для каждого сочетания групп и Г|, применяется формула (26). При этом во вновь образованную группу добавляется признак

инвертирования (или отсутствия инвертирования).

В[1„ л,]<//2;-

(26)

(£3).

Шаг 4. Группы С, объединяются в последовательность С,. Далее вычисляется кодовое расстояние Хэмминга для каждого из разбиений последовательностей !;и Г).

Шаг 5. Окончательно выбирается такие разбиения последовательностей и Т|,, которые обеспечивают минимум функционала (23).

Третий прелагаемый для цифровых систем алгоритм синтеза вторичного канала основан на использовании избыточного кодирования. Под избыточным кодированием в данном случае понимается замена отдельных бит сигнала вторичного канала на группы бит. Для некоторых кодовых групп (длиною больше или равной двум), существует несколько (2 и более) кодов, находящихся на одинаковом кодовом расстоянии. Этот факт используется для «неявной» передачи отдельных бит вторичного канала, что приводит к уменьшению результирующего кодового расстояния. Далее приведен алгоритм формирования дискретного вторичного канала связи на основе избыточного кодирования для частного случая, когда длина элементарной кодовой группы равна двум:

Шаг 1. Последовательность £ разбивается на т групп одинаковой длины и, кратной двум битам, итш=4 бита. Последовательность г) разбивается на т групп длиною по

Шаг 2. Принцип внесения информации следующий - первый бит каждой ^битной каждой группы последовательности Т] определяет способ кодирования остальных бит группы. Если первый бит группы из Т| равен О, то при кодировании остальных к-\ бит производится замена 0—>00 (если значение £ на данном участке не И) и 1->01 (если значение ¿;на данном участке не 10); если первый бит группы из т| равен 1, то при кодировании остальных к-\ бит производится замена 0->11 (если значение ^на данном участке не 00) и 1->10 (если значение |ра данном участке не 01).

Шаг З. Производится тестовое извлечение данных - если в данной группе количество групп 00 и 01 больше чем групп И и 10, то первый бит текущей группы Т| равен 0. иначе он равен 1. Остальные биты группы извлекаются простой заменой

Шаг 4. Если тестовое извлечение дало не совпадающий с исходной последовательностью т| результат, то нужно увеличить размер группы п на 2, а размер к на 1 и повторить шаг 3. Если тестовое извлечение прошло успешно, кодирование заканчивается.

Извлечение данных производится в соответствии с шагом 3.

В четвёртой главе разработано программное обеспечение уплотнения сигналов передачи видеоизображений и проведена экспериментальная оценка

эффективности его применения.

Устройство уплотнения аналогового телевизионного сигнала, реализующее инженерные методики, описанные выше, удобно реализовать на основе цифрового сигнального процессора (Digital Signal Processor, DSP). С учетом необходимости реализации на DSP разработана структура программного обеспечения для реализации алгоритмов уплотнения аналогового телевизионного обеспечения. Приведены схемы программ, соответствующих фильтровой и модуляционной инженерным методикам синтеза вторичного канала. Проведен вычислительный эксперимент по организации передачи сигнала вторичного канала на основе модуляционного метода. Эксперимент показал возможность организации вторичного канала в системе передачи изображений. При этом основной сигнал (передачи изображения) практически не был искажен и было обеспечено выделение сигнала вторичного канала.

Разработаны алгоритмы программного обеспечения для уплотнения цифровых каналов передачи видеоизображений на основе бинарных логических преобразований и избыточного кодирования. Проведена экспериментальная проверка эффективности применения разработанных алгоритмов при их применении к псевдослучайным кодовым последовательностям и к информационным файлам. В результате экспериментов установлено, что все предложенные алгоритмы обеспечивают уменьшение кодового расстояния между последовательностями основного и вторичного каналов. Также установлено, что алгоритм избыточного кодирования несколько менее эффективен по степени сближения основного и вторичного сигналов, чем алгоритмы на основе бинарных логических преобразований. Однако избыточное кодирование обеспечивает большую помехоустойчивость вторичного канала, что определяет возможность его применения в подверженных сильным помехам каналах.

В заключении изложены основные результаты диссертационной работы.

В приложении представлены акты внедрения результатов диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Разработаны модели вторичного уплотнения сигналов, которые, в отличие от известных, позволяют получить более строгое формальное описание процесса уплотнения гомогенных сигналов с перекрывающимися спектрально-временными характеристиками, с учетом динамических особенностей восприятия человеком этих сигналов. Также модели позволяют учесть меру потери информации в результате вторичного уплотнения.

2. Сформулирована и решена задача синтеза спектральных характеристик вторичного сигнала на основе последовательного решения обратной и прямой задач Винера-Котельникова в частотной и временной областях, что позволяет уменьшить искажения уплотняемых сигналов при одновременном выполнении условия их разделения на приемной стороне.

3. Разработаны инженерные методы синтеза спектральных характеристик уплотняемых сигналов на основе решения обратной задачи Винера-Котельникова, позволяющие проводить вторичное уплотнение гомогенных сигналов в существующих аналоговых телекоммуникационных системах.

4. Разработаны эвристические алгоритмы для цифровых ТС, уменьшающие степень искажения уплотняемых сигналов при одновременном увеличении помехоустойчивости вторичного канала, на основе которых разработано программное обеспечение вторичного уплотнения сигналов.

5. Путем имитационного моделирования показана возможность использования предложенных методов и алгоритмов вторичного уплотнения сигналов для повышения пропускной способности систем передачи изображений широкого класса.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Султанов А.Х., Кабальное Ю.С., Кузнецов И.В., Городецкий И.И. Постановка обратной задачи оптимальной фильтрации Винера // Проблемы техники и технологии телекоммуникаций: Материалы второй международной научно-технической конференции. - Уфа, 2001. - С. 100-102.

2. Кабальное Ю.С., Кузнецов И.В., Городецкий И.И. Аналитическое решение обратной задачи оптимальной фильтрации Винера для регулярного сигнала первичного канала // Проблемы техники и технологии телекоммуникаций: Материалы второй международной научно-технической конференции. - Уфа, 2001. - С. 102-103.

3. Кузнецов И.В., Городецкий И.И. Экспериментальное решение обратной задачи оптимальной фильтрации Винера для случайного сигнала первичного канала // Проблемы техники и технологии телекоммуникаций: Материалы второй международной научно-технической конференции. - Уфа, 2001. - С.

104-105.

4. Султанов А.Х., Кузнецов И.В., Городецкий И.И. Применение обратной задачи оптимальной фильтрации Колмогорова-Винера для выбора параметров дискретного сигнала дополнительных данных вторичного канала связи // Распознавание-2001: Сборник материалов 5-й международной конференции, часть 1.-Курск, 2001.-С. 151-153.

5. Городецкий И.И. Моделирование систем цветного телевидения стандартов SECAM и PAL // Интеллектуальные системы управления и обработки информации: Материалы международной молодежной научно-технической конференции. - Уфа, 2001. - С. 249.

6. Султанов А.Х., Кузнецов И.В., Городецкий И.И. Вторичное использование телевизионного канала для передачи информации о чрезвычайных ситуациях // Проблемы прогнозирования, предотвращения и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций: Материалы II Всероссийской научно-практической конференции. - Уфа, 2001. - С. 139-140.

7. Султанов А.Х., Кузнецов И.В., Городецкий И.И. Постановка задачи синтеза вторичного канала связи дискретной телекоммуникационной системы // Проблемы техники и технологии телекоммуникаций: Материалы третьей международной научно-технической конференции. - Уфа, 2002. - С. 67-68.

8. Кузнецов И.В., Городецкий И.И. Алгоритм формирования дискретного вторичного канала связи на основе нелинейного преобразования // Проблемы техники и технологии телекоммуникаций: Материалы третьей международной научно-технической конференции. - Уфа, 2002. - С. 69-70.

9. Султанов А.Х., Кабальное Ю.С., Кузнецов И.В., Городецкий И.И. Определение характеристик вторичного канала связи в системах передачи изображений // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2003, №1-С. 12-16.

10. Kuznetsov I.V., Gorodetsky I.I., Kabalnov Y.S. The inverse-direct Wiener optimal ffltration method application for additive hidden channel characteristics synthesis in time-domain // Computer Science and Information Technologies: Proceedings ofthe 5th CSIT2003. -Уфа, УГАТУ, 2003, т.1, С. 1-5.

П.Кузнецов И.В., Городецкий И.И. Инженерные методики формирования и выделения, вторичного сигнала системы телевизионного вещания. // Проблемы техники и технологии телекоммуникаций: Материалы четвертой международной научно-технической конференции. - Уфа, 2003. - С.

12. Городецкий И.И. Усовершенствование алгоритма формирования дискретного втор иного канала связи на основе нелинейного преобразования // Проблемы техники и технологии телекоммуникаций: Материалы четвертой международной научно-технической конференции. - Уфа, 2003. - С. 61-62.

И.Султанов А.Х., Кузнецов И.В., Городецкий И.И. Алгоритм формирования дискретного вторичного канала связи на основе избыточного кодирования // Проблемы техники и технологии телекоммуникаций: Материалы четвертой международной научно-технической конференции. -Уфа, 2003. - С. 63-66.

57-60.

ГОРОДЕЦКИЙ Иван Иванович

МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ УПЛОТНЕНИЯ ГОМОГЕННЫХ СИГНАЛОВ В МНОГОКАНАЛЬНЫХ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ

Специальность 05.13.13 - Телекоммуникационные системы и компьютерные сети

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ЛР№ 020258 от 08.01.1998

в печать 27.01.2004. Формат 60x84 1/16 Печать плоская. Гарнитура Times New Roman. л. 1,0. Усл. кр.-отт.1,0. Уч.-изд. л. 0,9 Тираж 100 экз. Заказ № 117

Подписано Бумага офсетная.

Усл. печ.

Уфимский государственный авиационный технический университет Центр оперативной полиграфии 450000, Уфа - центр, ул. К.Маркса, 12

Р-256 1

Введение

Глава 1. Анализ существующих методов уплотнения сигналов с перекрывающимися спектрально-временными характеристиками в широкополосных телекоммуникационных системах (на примере систем передачи изображений)

1.1. Особенности уплотнения гомогенных сигналов

1.2. Системы уплотнения (образования вторичного канала) в аналоговых системах передачи видеоизображений

1.2.1. Временное уплотнение телевизионного сигнала

1.2.2. Частотное уплотнение телевизионного сигнала

1.2.3. Поляризационное уплотнение телевизионного сигнала

1.3. Системы уплотнения (образования вторичного канала) в цифровых системах передачи видеоизображений

1.3.1. Нелинейный метод скрытия данных в пространственной области

1.3.2. Линейный метод скрытия данных в пространственной области

1.3.3. Нелинейный метод скрытия данных в области преобразования

1.3.4. Линейный метод скрытия данных в области преобразования

1.4. Перспективы разработки методов уплотнения для систем передачи видеоизображений

Глава 2. Разработка методов уплотнения гомогенных аналоговых сигналов на основе вторичного использования широкополосных каналов

2.1. Разработка модели и постановка задачи синтеза характеристик вторичного канала связи аналоговой телекоммуникационной системы

2.2. Синтез характеристик вторичного канала связи двухканальной телекоммуникационной системы в частотной области

2.2.1. Определение спектральной функции вторичного сигнала

2.2.2. Определение передаточной функции устройства воспроизведения вторичного сигнала

2.2.3. Экспериментальное исследование уплотнения гомогенных сигналов двухканальной телекоммуникационной системы

2.3. Синтез характеристик вторичного канала связи двухканальной телекоммуникационной системы во временной области

2.3.1. Синтез корреляционной функции вторичного сигнала

2.3.2. Определение весовой функции устройства воспроизведения коррелированного сигнала вторичного канала

2.4. Оценка потенциальной (максимальной) пропускной способности основного и вторичного канала связи

2.5. Разработка инженерных методик формирования и выделения вторичного сигнала системы телевизионного вещания

2.5.1. Фильтровый метод синтеза вторичного сигнала

2.5.2. Модуляционный метод синтеза вторичного сигнала

Увеличивающийся объем информации, генерируемый современным обществом, требует новых подходов по обработке и передаче сообщений в телекоммуникационных системах и сетях. Одним из способов увеличения пропускной способности телекоммуникационных систем и сетей является использование принципа многоканальной связи. Суть многоканальности заключается в передаче большого числа сообщений от различных источников информации по общей линии связи. Многоканальность передачи сообщений обеспечивается при помощи использования методов сигнального уплотнения: частотного, временного, кодового и др. Однако вышеперечисленные традиционные методы сигнального уплотнения в некотором смысле уже исчерпывают свои возможности по увеличению пропускной способности телекоммуникационных сетей, например, из-за ограниченности физических характеристик средств передачи сообщений, параметров среды распространения сигналов, достаточной дороговизны линейного оборудования и т.д. При этом также возникает необходимость увеличения пропускной способности уже действующих, эксплуатирующихся телекоммуникационных систем, к которым, в частности, можно отнести системы теле- и радиовещания. Следовательно, можно говорить об актуальности задачи увеличения пропускной способности многоканальной телекоммуникационной системы с минимальными затратами материальных средств и времени, и сохранением функциональности ее отдельных элементов и узлов. Эту задачу можно решить при помощи применения альтернативных методов канального уплотнения, к которым можно отнести уплотнение гомогенных сигналов на основе вторичного использования широкополосных каналов (которое также будем называть вторичным уплотнением).

Основная особенность уплотнения гомогенных сигналов (вторичного уплотнения) заключается в том, что уплотняемые сигналы многоканальной телекоммуникационной системы имеют взаимно пересекающиеся спектрально-временные характеристики. При этом уплотняемые сигналы сопоставимы по ширине спектров (базе), коррелированны и являются стационарными (такие сигналы в дальнейшем будем называть гомогенными). Следует отметить, что возможность уплотнения гомогенных сигналов обуславливается тем, что многие широкополосные сигналы (особенно аудио-, видеосигналы) близки по своей природе, характеризуются значительной информационной избыточностью и допускают некоторую степень потери информации, при которой эта потеря практически не ощущается человеком. Другими словами, в уплотняемых сигналах можно выделить некоторое общее информационное «ядро», при этом логично думать, что нет необходимости в образовании новых каналов связи для передачи практически одной и той же информации.

Однако решение задачи уплотнения гомогенных сигналов связано со многими сложностями. Среди них можно выделить сложности, связанные с взаимным искажением уплотняемых сигналов из-за наложения друг на друга (пересечения) их спектрально-временных характеристик, трудности обеспечения линейной независимости и ортогональности уплотняемых сигналов с целью их выделения на приемной стороне, отсутствием эффективных методов и алгоритмов синтеза частотных и временных характеристик уплотняемых сигналов. Следует также отметить, что известные методы вторичного уплотнения не в полной мере учитывают особенности восприятия человеком поступающей информации, что уменьшает эффективность этих методов и делает актуальной задачу разработки методов и алгоритмов вторичного уплотнения гомогенных сигналов с перекрывающимися спектрально-временными характеристиками, которые позволяют увеличить пропускную способность и информационную емкость широкополосных каналов передачи.

Целью диссертационной работы является разработка методов и алгоритмов вторичного уплотнения гомогенных сигналов с перекрывающимися спектрально-временными характеристиками, которые позволяют увеличить пропускную способность и информационную емкость широкополосных каналов передачи в существующих и вновь разрабатываемых многоканальных телекоммуникационных системах.

В работе использованы положения теории электрической связи, теории автоматического управления, теории функций комплексных переменных, теории кодирования. Применены методы математического моделирования, в том числе компьютерного.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработаны модели вторичного уплотнения сигналов, которые, в отличие от известных, позволяют получить более строгое формальное описание процесса уплотнения гомогенных сигналов с перекрывающимися спектрально-временными характеристиками, с учетом динамических особенностей восприятия человеком этих сигналов. Также модели позволяют учесть меру потери информации в результате вторичного уплотнения.

2. Сформулирована и решена задача синтеза спектральных характеристик вторичного сигнала на основе последовательного решения обратной и прямой задач Винера-Котельникова в частотной и временной областях, что позволяет уменьшить искажения уплотняемых сигналов при одновременном выполнении условия их разделения на приемной стороне.

3. Разработаны инженерные методы синтеза спектральных характеристик уплотняемых сигналов на основе решения обратной задачи Винера-Котельникова, позволяющие проводить вторичное уплотнение гомогенных сигналов в существующих аналоговых телекоммуникационных системах.

4. Разработаны эвристические алгоритмы уплотнения для цифровых телекоммуникационных систем, уменьшающие степень искажения уплотняемых сигналов при одновременном увеличении помехоустойчивости вторичного канала.

Практическую ценность представляют разработанные инженерные методики и спроектированный на их основе программный комплекс моделирования вторичного уплотнения гомогенных сигналов для систем передачи изображений.

Основные результаты, выносимые на защиту:

1. Новые модели вторичного уплотнения сигналов.

2. Формулировка и решение задачи синтеза спектральных характеристик вторичного сигнала в частотной и временной областях.

3. Инженерные методики синтеза спектральных характеристик уплотняемых сигналов на основе решения обратной задачи Винера-Котельникова.

4. Эвристические алгоритмы уплотнения для цифровых телекоммуникационных систем, уменьшающие степень искажения уплотняемых сигналов при одновременном увеличении помехоустойчивости вторичного канала.

5. Результаты имитационного моделирования, показавшие возможность использования предложенных методов и алгоритмов вторичного уплотнения сигналов для повышения пропускной способности систем передачи изображений широкого класса.

Основные результаты работы обсуждались на второй, третьей и четвертой международных научно-технических конференциях «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций», г. Уфа, 2001-2004; 5-й международной конференции «Распознавание-2001», г. Курск, 2001; Международной молодежной научно-технической конференции «Интеллектуальные системы управления и обработки информации», г. Уфа, 2001; II Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы прогнозирования, предотвращения и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций», г. Уфа, 2001; пятой международной конференции «Computer Science and Information Technologies - CSIT2003», r. Уфа, 2003, а также на семинарах кафедры «Телекоммуникационные системы» УГАТУ. Основные результаты работы отражены в 13 научных публикациях: статья в центральном издании - 1, материалы международных и российских конференций - 12.

Автор выражает глубокую благодарность научному консультанту к.т.н. Кузнецову И.В. за оказанную при написании работы помощь.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Разработаны модели вторичного уплотнения сигналов, которые, в отличие от известных, позволяют получить более строгое формальное описание процесса уплотнения гомогенных сигналов с перекрывающимися спектрально-временными характеристиками, с учетом динамических особенностей восприятия человеком этих сигналов. Также модели позволяют учесть меру потери информации в результате вторичного уплотнения.

2. Сформулирована и решена задача синтеза спектральных характеристик вторичного сигнала на основе последовательного решения обратной и прямой задач Винера-Котельникова в частотной и временной областях, что позволяет уменьшить искажения уплотняемых сигналов при одновременном выполнении условия их разделения на приемной стороне.

3. Разработаны инженерные методы синтеза спектральных характеристик уплотняемых сигналов на основе решения обратной задачи Винера-Котельникова, позволяющие проводить вторичное уплотнение гомогенных сигналов в существующих аналоговых телекоммуникационных системах.

4. Разработаны эвристические алгоритмы для цифровых телекоммуникационных систем, уменьшающие степень искажения уплотняемых сигналов при одновременном увеличении помехоустойчивости вторичного канала, на основе которых разработано программное обеспечение вторичного уплотнения сигналов.

5. Путем имитационного моделирования показана возможность использования предложенных методов и алгоритмов вторичного уплотнения сигналов для повышения пропускной способности систем передачи изображений широкого класса.

150

Заключение

1.3юко А.Г., Кловский Д.Д., Коржик В.И., Назаров М.В. Теория электрической связи: Учебник для вузов. М. Радио и связь, 1998. 432 с.

2. ITU-R Recommendation ВТ.653-3: Teletext systems. 1998. 21 p.

3. Джакония В.Е., Гоголь А.А., Друзин Я.В. и др. Телевидение: Учебник для вузов. М.: Горячая линия-Телеком, 2002. - 640 с.

4. Гуглин И.Н. Телевизионные игровые автоматы и тренажеры. М. Радио и связь, 1982. - 272 с.

5. НКТА 1106: Technical standard for public teletext services in Hong Kong, Issue 02, 2002. 7 p.

6. ГОСТ P 50822-95. Система «ТВ-ИНФОРМ». Основные параметры. Госстандарт России. М., 1996. 11 с.

7. Зубарев Ю.Б., Кривошеев М.И., Прокофьев Ю.А., Сарьян В.К., Боловинцев Ю.М. «ТВ-Информ»: оператор связи, разработчик и производитель оборудования в одном лице // Сети № 3-4, 1996. С. 62-66.

8. ГОСТ 7845-92. Система вещательного телевидения. Основные параметры. Методы измерений. Комитет стандартизации и метрологии СССР. М, 1992.-35 с.

9. ETSI EN 300 163. Television systems; NICAM-728: transmission of two-channel digital sound with terrestrial television systems В, G, H, /, КI and L. 1998. -24 p.

10. Кривошеев М.И., Красносельский И.Н. Об использовании цифрового канала на дополнительной несущей в системе вещательного телевидения // Электросвязь № 5, 1994. С. 14-16.

11. П.Дмитриев А.Я. Повышение информативности телевизионного радиоканала // Техника кино и телевидения, 1998, № 3. С. 41 44.

12. Дмитриев А.Я. Об использовании в телевидении радиоволн разной поляризации // Материалы НТК ЛЭИС. Л.: ЛЭИС, 1968. Вып. 1,2. С. 129-133

13. Mac Donald D. Е., Dean К. G., Herrett R.J. Cross-polarization with Reference to Television Planning // PJRE Australia. 1963/ N7. P. 570-582.

14. Злотникова E. А., Кантор Л. Я., Локшин Б. А. Прием телевидения со спутников // Вестник связи, 1990. №6. С. 35-37.

15. Грибунин В.Г., Оков И.Н., Туринцев И.В. Цифровая стеганография. М.: СОЛОН-Пресс, 2002. 272 с.

16. Ingemar J. Сох, Matt L. Miller. Electronic watermarking: the first 50 years // Proceedings of the IEEE 2001 Int. Workshop on Multimedia Signal Processing, 2001.-11 p.

17. Kutter M., Jordan F., Bossen F. Digital signature of color images using amplitude modulation // Proceedings of the SPIE Storage and Retrieval for Image and Video Databases V. 1997. Vol. 3022. P. 518-526.

18. Koch E., Zhao J. Towards Robust and Hidden Image Copyright Labeling // IEEE Workshop on Nonlinear Signal and Image Processing. 1995. P. 123-132.

19. Benham D., Memon N., Yeo B.-L., Yeung M. Fast watermarking of DCT-based compressed images // Proceedings of the IEEE Workshop on Multimedia Signal Processing. 1997. P. 243-252.

20. Cox I.J., Kilian J., Leighton Т., Shamoon T.G. A secure, robust watermark for multimedia // Information hiding: first international workshop. Lecture Notes in Сотр. Science. 1996. Vol. 1174.-P. 183-206.

21. Cox I.J., Kilian J., Leighton Т., Shamoon T.G. Secure spread spectrum watermarking for multimedia // Proceedings of the IEEE International Conference on Image Processing. 1997. Vol. 6.-P. 1673-1687.

22. Chae J.J. Robust Techniques for Data Hiding in Images and Video. PhD thesis, CA, USA, 1999.-82 p.

23. Самойлов В.Ф., Хромой Б.П. Основы цветного телевидения. М. «Радио и связь», 1983. 160 с.

24. Кривошеев М.И. Основы телевизионных измерений. Изд. 2-е, перераб. и доп. М., «Связь», 1976. 536 с.

25. Дворкович А. В., Дворкович В. П., Зубарев Ю. Б. и др. Цифровая обработка телевизионных и компьютерных изображений / Под ред. Ю. Б. Зубарева, В. П. Дворковича. М.: Междунар. центр науч. и техн. информ., 1997 -212с.

26. Крыжановский В.Д., Костыков Ю.В. Телевидение цветное и черно-белое. М.: Связь, 1980. - 336 с.

27. Лев А.Ю. Теоретические основы многоканальной связи. Учебник для электротехн. ин-тов связи. М., «Связь», 1978. 192 с.

28. Султанов А.Х., Кабальнов Ю.С., Кузнецов И.В., Городецкий И.И. Определение характеристик вторичного канала связи в системах передачи изображений // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2003, №1 -С. 12-16.

29. Цейтлин Я.М. Проектирование оптимальных линейных систем. Л.: «Машиностроение». - 240 с.

30. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. М.: Радио и связь, 1982. - 624 с.

31. Свешников А.Г., Тихонов А.Н. Теория функций комплексной переменной. Учебник. М.: Физматлит, 1999. - 320 с.

32. Вентцель Е.С. Теория вероятностей: Учеб. для вузов М.: Высшая школа, 2002 - 575 с.

33. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. СПб.: Питер, 2003.608 с.

34. Тихонов В.И. Нелинейные преобразования случайных процессов. -М.: Радио и связь, 1986. 295 с.

35. Выгодский М.Я. Справочник по элементарной математике. М. «Наука». Главная редакция физико-математической литературы., 1968. -416 с.

36. DSP Selection Guide. 2002 Edition. Analog Devices, 2002. 62 p.

37. ADSP-BF531/2/3 Data Sheet, Revision PrA. Analog Devices, 2003.-46 p.

38. ADSP-BF535 Blackfin Embedded Processor Data Sheet (Rev. 0). Analog Devices, 2003.-44 p.

39. Красильников H.H. Теория передачи и восприятия изображений. М. «Радио и связь», 1986. 248 с.

40. Председатель комиссии, Начальник отдела организации

41. Инженер Уфимского цеха PPJIи-в- Матвеев