автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Разработка математических моделей и методов статистического исследования систем видеозаписи и улучшения их качественных показателей

ВИННИЦКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИИ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

ХАРИТОНОВ Марк Иосифович

УДК 681.317:3.06

РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ И МЕТОДОВ СТАТИСТИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМ ВИДЕОЗАПИСИ И УЛУЧШЕНИЯ ИХ КАЧЕСТВЕННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ

Специальность 05.13.16 —■ Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях (информатика, вычислительная техника, автоматизация)

АВТОРЕФ ЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

^ * Винница—1991

V-/ '>) / { У • ' . •

Работа выполнена во Всесоюзном научно-исследовательском институте телевидения и радиовещания.

Официальные оппоненты: Засл. деят. науки и техники БССР,

доктор технических наук, профессор Б. М. Богданович; доктор технических наук, профессор Ю. А. Василевский; доктор технических наук, профессор А. А. Волков

Ведущая организация указана в решении специализированного совета.

Защита состоится « 2- » ^и-сср^пех 1991 г. в УО час, на заседании специализированного совета Д068.34.01 Винницкого политехнического института по адресу: 286021, г. Винница, Хмельницкое шоссе, 93.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан ^ Ъек.сс6ря 199Рг.

Ученый секретарь

специализированного совета --"

кандидат технических наук, доцещ^^^^— Л. Н. КОШЕК

\

•'•1 I ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. РАБОТЫ

... н

-? !

....."Актуальность проблемы. С развитием вычислительной техники и

старением ее возможностей происходит совершенствование теории работки информации, анализа и синтеза систем, развиваются мето-решения оптимизационных задач. Это явилось мощным стимулом льнейшего совершенствования различных технических систем, пред-значенных для записи, хранения, переработки и извлечения разно-разных видов информации. Фундаментальные и прикладные исследова-:я по проблемам качества и надежности информационных систем, про-юзировании путей их дальнейшего развития все больше опираются I новые подходы и методы, базирующиеся на широком использовании юдств вычислительной техники и математического моделирования, ■о позволяет повысить объем и производительность научных исследо-1ний, сделать их более объективными, снизить стоимость и сроки 1зработок.

Особенно актуально развитие перспективных подходов к исследо-(нщо нового класса информационных систем - аппаратуры магнитной 1деозапвси, отличающейся от других систем регистрации видеоинфор-щии высокими технико-экономическими показателями и оперативностью, вдеомагнитофоны, видеокамеры, устройства видеозаписи на магнитные зеки - вот лишь немногие примеры данных систем, которые играют зйчас ключевую роль в научно-техническом прогрессе и социальном азвитии современного общества. Процесс быстрого возрастания уров-1 разработок и широкого использования систем видеозаписи в различие отраслях народного хозяйства, научных исследованиях, телевизи-нном вещании, электронном кинематографе( в быту требует разработ-и новых принципов, алгоритмов, устройств, улучшающих технические арактеристини аппаратуры. Несмотря на то, что исследования в даном направлении интенсивно развиваются как у нас в стране, так и

за рубеяом, в целом они значительно отстают от потребностей праг тики. Среди наиболее важных причин, обусловивших это отставание, молно отметить:

- сложность и малоизученность физических процессов при записи ма длин волн;

- нетрадиционные для информационных систем источники шумов и пои

- сложность и многоплановость анализа систем видеозаписи, требуя исследования различных вопросов, относящихся не только к теории информации, магнитной записи, телевидению, статистической радиот нике, системному моделированию, но и на стыке этих наук.

Поэтому к настоящему времени исследованы только отдельные а пекты проблемы повышения качества видеозаписи с использованием д терминированных или упрощенных статистических моделей тракта маг нитной записи-воспроизведения /1ЛЗ^. Ряд исследований выполнен ц менительно к конкретной аппаратуре и носит частный характер. В т же время воспользоваться результатами, полученными для других ин формационных систем не представляется возможным из-за специфичен особенностей магнитной видеозаписи: более высокой плотности запш другого механизма возникнования и проявления искажений и помех, иных критериев оценки эффективности систем.

Постоянно возрастающие требования к качеству видеозаписи в < нкциональной взаимозаменяемости аппаратуры, а также переход от го перечно-строчной записи к перспективным способам наклонно-строчн' записи (аналоговой и цифровой), при которых высокое качество изображения при приемлемом расходе носителя записи требует значител: ного увеличения информационной плотности записи, обострили протю речия между запросами практики и возможностями существующей теор] Совершенствование научных исследований и процессов проектирована аппаратуры видеозаписи сдерживается из-за отсутствия математичес] моделей адекватных реальному тракту МЗВ, неоднозначности критери*

оптимизации систем видеозаписи, отсутствия методов их расчета, обеспечивающих удовлетворительную точность- Это привело к тому, что основные показатели эффективности систем видеозаписи - верность воспроизведения и информационная плотность далеки от предельно достижимых, определяемых параметрами современных носителей записи и впдеоголовок. Причина такого недоиспользования потенциальных возможностей тракта ШВ заключается в том, что господствующие в видеозаписи эмпирические и интуитивные решения, часто исключали оптимальное построение систем и требовали дорогостоящих экспериментов. Таким образом, объективными предпосылками данной работы являются перспективность развития новых математических методов исследования систем видеозаписи, потребность критического анализа и обобщений многочисленных публикаций, относящихся к тематике видеозаписи и наконец, многолетний научно-технический опыт диссертанта по исследованию и проектированию аппаратуры видеозаписи.

Специфика систем видеозаписи, возникших и развивающихся на стыке ряда наук диктует необходимость организации исследований, которые носили бы междисциплинарный характер и использовали арсенал методов теории оптимизации, физики магнитной записи, телевидения, математической статистики и других областей знаний. Такой (системный) подход предлагается автором диссертационной работы в качестве концептуальной основы теоретических исследований и методологических разработок в области видеозаписи. Он ориентирован на широкое применение математического моделирования и средств современной вычислительной техники, что позволяет повысить полноту формульных моделей путем учета множества взаимозависимых факторов, развить новые и расширить возможности известных методов исследования систем видеозаписи. Разработанные на базе предложенного подхода способы и устройства повышения верности воспроизведения аналоговой и цифровой видеоинформации обеспечивают улучшение технических характеристик аппаратуры видеозаписи различного назначения и прежде всего

профессиональной, к показателям качества которой предъявляются наиболее высокие требования.

Актуальность подобных исследований подтверждается тем, -что создание профессиональных аналоговых и цифровых видеомагнитофонов (Ш) е соответствии с общесоюзной научно-технической Программой 0.26.05, утвержденной постановлениями СГЛ СССР и IKHT СССР, отнесено к важнейшим народно-хозяйственным задачам, диссертация является результатом исследований, выполненных.в плане работ по реализации государственной программы.

Предыстория исследований. Исходной основой диссертации являются: труда видных советских и зарубежных ученых В.А.Котельникова, В.С.Пугачева, Н.П.Бусленко, Л.С.Цуткина, И.В.Кузьмина, В.И.Тихонова К.Шеннона, Н.Винера, Л.Френкса, разработавших основы статистического исследования информационных систем; исследования в области магнитной записи советских и зарубежных ученых В.А.Бургова, К.Е.Горо-на, Ю.Л.Василевского, В.Г.Королькова, М.В.Гитлица, В.Вестмайзе, Р.Уоллеса и др., заложивших теоретический и инженерный фундамент ЧЫ записи; диссертационные материалы, относящиеся к тематике видеозаписи В.И.Щербины, В.Е.Молодцова, С.Г.Цучиева, Е.К.Тарыгина, O.A. Гергеля (г.Москва), Л.П.Баланина (г.Ленинград) и др.; а также публикации таких известных советских и зарубежных специалистов в области магнитной видеозаписи, как В.И.Пархоменко, А.В.Гончарова, А.Б.Штейна, В.И.Лазарева, Л.Г.Лишина, К.Екоямы, М.Феликса, Р.Долби и др.

Пелыо диссертационной работы является разработка математических моделей и методов статистического исследования систем видеозаписи, обеспечивающих повышение эффективности научных исследований л инженерных разработок в области магнитной видеозаписи. Предложенные методы позволяют путем повышения верности воспроизведения видеоинформации в канале записи-воспроизведения /3-Ц/ решить проблему

улучшения качественных показателей аппаратуры видеозаписи и ее функциональной взаимозаменяемости.

Задачи исследования. В соответствии с поставленной целью и состоянием решаемой проблемы основными задачами диссертации являются:

- разработка математических моделей процессов преобразования сигналов в тракте МЗВ;

- разработка стохастической модели канала 3-В, учитывающей основные источники шумов и помех тракта МЗВ;

- разработка методов оценки верности воспроизведения видеоинформации при аналоговой и цифровой видеозаписи;

- создание на базе разработанных моделей и методов эффективных способов и устройств повышения качества видеозаписи, инвариантных к форматам записи;

- создание на базе разработанных моделей и методов технических средств улучшения функциональной взаимозаменяемости аппаратуры видеозаписи.

Объектом исследований являются процессы стохастического преобразования информационных сигналов систем магнитной видеозаписи.

Методы исследования основаны на применении математического аппарата теории информации, теории вероятностей, теории статистических решений, методов функционального анализа и динамического программирования. Развитые автором метода статистического исследования систем видеозаписи основаны на известных методах статистического анализа линейных и нелинейных систем, в частности, корреляционной теории, теории марковских процессов, а также методах статистического синтеза: оптимальной винеровской фильтрации, максимально правдоподобного оценивания и других. Широко использованы математическое моделирование, вычислительная математика, методы оптимизации. Проводилось макетирование и испытание разработанных устройств.

Натчная новизна. Разработаны математические модели процессов преобразования сигналов в тракте МЗВ при аналоговой и цифровой ви-

деозаписи. Впервые предложен метод статистической идентификации тракта ЮВ с помощью функциональных винеровских моделей и показана возможность его использования для аналитического решения задач, связанных с оценкой искажений воспроизводимых сигналов.

Разработаны математические модели источников шумов и помех тракта ШВ, в том числе структурного и контактного шума магнитной ленты, помех от соседних строчек записи и найдены статистические характеристики шумов и помех на выходе канала 3-В.

Разработана методология исследования точности и помехозащищенности систем аналоговой видеозаписи. Предложены научно обоснованные метода повышения точности и помехозащищенности, пригодные для широкого класса видеозаписывающих устройств.

Разработаны методы оценки достоверности воспроизведения цифровых сигналов, учитывающие совместное действие межсимвольных искажений, щумов и специфических помех тракта МЗВ. Развиты новые статистические подходы к проблеме повышения достоверности цифровой видеозаписи, основанные на приеме "в целом" рандомизированных кодов класса БВН.

Впервые цредло;.;^;; и исследованы адаптивные метода коррекции частотных и дифференциальных искажений воспроизводимых сигналов, которые благодаря учету параметрических свойств тракта МЗВ позволяют существенно повысить качество воспроизводимого изображения и устранить характерные при перезаписи искажения в виде "цветовых окантовой", "факелов" и другие. Автор защищает:

- методы формализованного описания процессов преобразования сигналов в тракте магнитной записи-воспроизведения;

- методы статистического анализа процессов преобразования сигналов в канале 3-В;

- метода повышения верности передачи видеоинформации в канале 3-В;

- принципы построения устройств обработки записываемых и воспроиз-

водимых сигналов, подтвержденные авторскими свидетельствами СССР, а такке их опытной эксплуатацией и внедрением в серийно выпускаемой аппаратуре видеозаписи.

Связь с государственными программами и НИР. Результаты, изложенные в диссертации, получены в процессе исследований и разработок, осуществляемых в соответствии с общесоюзной научно-технической Программой 0.26.05 "Создать и освоить производство комплексов новых технических средств телевидения и радиовещания", утвержденной постановлениями СМ СССР и 1КНТ СССР, постановлением СМ СССР И 889 "О развитии в 1984-1990 гг. материально-технической базы телевизионного вещания". Результаты диссертационной работы связана также с рядом хоздоговорных и госбюджетных НИР в области видеозаписи, проводимых во ВНИИ телевидения и радиовещания в период с 1972 + 1989 гг.

Практическая ценность диссертационной работы. На основе методов, предложенных и обоснованных в диссертационной работе, определены перспективы дальнейшего совершенствования аппаратуры видеозаписи, а также решен широкий круг практических задач, позволяющих увеличить производительность труда исследователей и разработчиков аппаратуры: разработано программное обеспечение для имитационного моделирования на ЭШ канала 3-В, разработаны алгоритмы расчета и оптимизации параметров основных систем канала 3-В, определены требования к характеристикам отдельных звеньев канала 3-В. Расчеты, выполненные с привлечением разработанных методов, были использованы при проектировании современных профессиональных видеомагнитофонов (15,1). Теоретические исследования позволили получить ряд оригинальных технических решений, новизна которых подтверждается авторскими свидетельствами СССР. Разработанные и внедренные в серийно выпускаемых ВЛ системы адаптивной коррекции воспроизводимых сигналов, ЧМ модемы, усилители воспроизведения и другие устройства позволяют повысить качественные показатели ЗА, расширить их функциональные возможности, снизить эксплуатационные расхода.

Реализация результатов работы. Результаты проведенных исследований использованы при разработке отечественных профессиональных видеомагнитофонов "Кадр-ЗПМ", "Кадр-5", "Кадр-ЮЗСЦ", которые в настоящее время широко применяются в телевизионном вещании, а также создаваемого во ВНИИТР и ВНИИТ цифрового профессионального видеомагнитофона. Алгоритмы цифрового моделирования канала 3-В и оптимизации его параметров реализованы в виде пакета прикладных программ и используются в практических разработках ШЖТР. Методика настройки видеомагнитофонов с применением измерительных лент исполь зуегся техническими службами центрального телевидения и практически всех телецентров страны /более 100/. Результаты диссертационной работы внедрены на предприятиях Министерства общего машиностроения, Министерства промышленности средств связи, Министерства электронной цромышленности, а также использованы в учебном процессе кафедры "Техники телевидения" Всесоюзного института повышения квалификации работников телевидения и радиовещания.

Реальный экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы составляет 900 тыс.рублей в год.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международных симпозиумах "Проблемы магнитной записи" (г.Дрезден, 1979 г.) и "Интеркамера-89" (г.Прага, 1989 г.), на Всесоюзных научно-технических конференциях ШТОРЭС им.А.С.Попова (г.Москва, 1975-1977 гг., 1938 г., 1990 г.), на научно-техническом семинаре "Следящие устройства в радиоприемниках" секции радиотехники "ВНТОРЭС юл.А.С.Попова (г.Москва, 1976 г.), на Всесоюзной научно-технической конференции "Дальнейшее развитие и совершенствование телевидения в СССР" (г.Ленинград, 1974 г.), на Всесоюзной межотраслевой конференции "Основные вопросы техники магнитной записи" (г.Вильнюс, 1984 г.), на Всесоюзных научно-технических конференциях "Совершенствование технической базы, органи-

зации и планирования телевидения и радиовещания" (г.Москва, 1904г., 1907 г., 1990 г.), на научно-технических конференциях ХЛШТР (1972-1982 гг.) и других конференциях и семинарах.

Публикации. По материалам исследований, связанных с темой диссертации автором опубликовано более 70 печатных трудов, основные из которых гозваны в конце автореферата. Б их числе монографии, статьи в центральных изданиях, доклады на научно-технических конференциях, 10 авторских свидетельств СССР на изобретения и др.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения /267 страниц машинописного текста и 70 страниц с рисунками/, списка литературы /152 наименования, 13 страниц/ и приложений /30 страниц/.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе диссертационной работы на основе аналитического обзора значительного количества отечественных и зарубежных публикаций рассмотрено современное состояние и проблемы развития магнитной видеозаписи. Показано, что несмотря на существование множества ви-деозаписывающих устройств, отличающихся форматом записи, техническими характеристиками и назначением их можно рассматривать с общих позиций,введя универсальную структурную схему, состоящую из канала записи-воспроизведения /3-1/ сигнала изображения и устройств обработки записываемого и воспроизводимого видеосигналов. Если принцип построения устройств обработки видеосигналов в значительной степени зависит от стандарта телевизионного /ТВ/ сигнала, типа ТВ сигнала /аналоговый или цифровой/ и других факторов, то канал 3-В, состоящий из входного преобразователя информационного сигнала (41,1 модулятора в аналоговых и канального кодера в цифровых Ш), усилителя записи, звена "видеоголовка-магнитная лента", усилителя воспроизведена и выходного преобразователя информационного сигнала (ЧМ демо-

дулятора в аналоговых и канального декодера в цифровых Н,1) примерно одинаков в различной аппаратура видеозаписи. Это позволяет предложить достаточно общий подход к исследованию различных классов систем видеозаписи.

Отмечается, что основным недостатком современных методов исследования систем видеозаписи является упрощенное описание, входящего в канал 3-В тракта магнитной записи-воспроизведения /МЗЦ/, игнорирование многих источников шумов и помех, свойственных аппаратуре видеозаписи, отсутствие методов оценки их показателей качества.

При выборе критериев оценки эффективности систем видеозаписи необходимо учитывать, что качество систем, воспроизводящих изображения, определяется характеристиками самой системы, которые объективно можно измерить с помощью приборов. В то же время качество воспроизводимых изображений зависит не только от характеристик системы, но и параметров передаваемого изображения и свойств зрения. Поэтому полный критерий качества воспроизводимого изображения должен быть объективно-субъективным, т.е. "параметры системы-качество изображения". Общей характеристикой качества аппаратуры видеозаписи как и других информационных систем, является верность воспроизведения информации, на которую влияют шумы, помехи и различного рода искажения, претерпеваемые сигналом в процессе записи-воспроизведения. Поскольку визуальное восприятие шумов и искажений различно, то применительно к ТВ системам погрешность воспроизведения целесообразно разделить на две составляющие: точность, на которую влияют различного рода искажения (линейные, нелинейные, комбинационные) и помехозащищенность, т.е. способность системы обеспечить требуемую точность при действии возможных помех. Предложена совокупность частных показателей точности и на основе субъективно-статистических экспертиз произведено их нормирование.

Показано, что для реализации высокой верности воспроизведения

видеоинформации необходимы систематизированные исследования, опирающиеся на арсенал методов теории информации, физики магнитной записи, телевидения, математического моделирования и других областей знаний. Сформулирован комплекс взаимосвязанных задач, подлежащих исследованию и решению.

Вторая глава посвящена разработке математических моделей тракта МЗВ при аналоговой и цифровой видеозаписи. Ранее выполненные исследования советских и зарубежных ученых позволили выяснить ряд важных особенностей преобразования сигналов в тракте 1.13В: эффект его линеаризации в отношении передачи боковых компонент спектра ЧГЛ сигнала, явление инверсии и др. Достигнутый благодаря этим работам уровень знаний оказался достаточным для разработки аппаратуры видеозаписи первых поколений. Однако по мере повышения требований к качеству видеозаписи стало очевидно, что существующие представления о тракте ;ДЗВ являются довольно приближенными и не учитывают ряд явлений, которые начинают доминировать при высокоплотной записи.

Наибольшие трудности вызывает описание тракта ЧГЛ записи, что связано с исключительной сложностью физических процессов при записи-воспроизведении /З-Д/ Ч;Л сигнала изображения. В этих условиях целесообразно развитие феноменологических моделей, оперирующих с внешними характеристиками системы, структуру и параметры которой цредстоит определить, анализируя сигналы "стимул-реакция". В основе

предложенного в работе подхода к статистической идентификации

*

тракта ШВ, развитая Н.Винером и В.С.Пугачевым идея канонического представления оператора нелинейной динамической системы, позволяющая отразить свойства объекта исследования в ЕИде множества информативных коэффициентов. Реакцию такой системы на белый шум можно представить сходящимся в среднеквадратическом смысле рядом Фурье-Зрмита 00 в® ки

О. 14

где Х1 (±) = ■ | Ц) ) - некоторый полный ор-

тонормированный базис; ортогональный полином Эрмита

И-го порядка.

функциональному портрету, описываемому (I), соответствует универсальная структурная схема, пригодная для любой конкретной системы, индивидуальные особенности которой заложены в значении коэффициентов Стп . Однако на практике идентификация систем в соответствии с (I) затруднительна из-за наличия "перекрестных", междуканальных связей, приводящих оолылой размеренности анализа. Упрощение модели возможно путем перехода от полной форгш разложения к диагональной ^ ы

Так как функции, описывающие реальные изображения принадлежат пространству , для которого критерий близости функций - отнимуь среднеквадратической ошибки, точность приближения реакции модели

А

у к реакции системы у можно оценить выражением

где М{£2} - математическое ожидание .

. Предложена процедура квазидиагонализации винеровского разложения,

л

обеспечивающая быструю сходимость у к ^ за счет использована сложного базиса , , .

(3)

где - коэффициенты, выбираемые из условия ортогональности {Утк/*)] У' минимума погрешности М^2/55^114. • Включение в процесс исследования ЭШ позволяет разработать эффективные вычислительные алгоритмы расчета коэффициентов > основанные на процедур«

численной минимизации А1{£г] методами нелинейного программирование На базе данного подхода синтезирована двухканальная, редуцированная винеровская модель тракта ИЗВ при ЧГЛ видеозаписи и в ре-

зультато натурных экспериментов показана ее адекватность реальному тракту. Математическая модель достаточно хорошо описывает нелинейные явления в тракте ШВ, эффект "спрямления" амплитудных характеристик при записи бигармонического сигнала, линеаризацию тракта для боковых компонент спектра ТШ сигнала, а также параметрические свойства тракта.

При разработке математических моделей тракта цифровой ГОВ часто существенно абстрагируются от реальных условий, что снижает точность расчетов, но позволяет получить простое формульное описание тракта. С другой стороны стремление повысить точность путем учета множества взаимозависимых факторов, влияющих на процесс 3-В, приводит к довольно сложным моделям /например, динамической модели Квасаки/, затрудняющим их практическое применение. Предложенная модель реализует компромисс между точностью и практической доступностью расчетов. На основе развития метода гармонического синтеза получено аналитическое выражение для отклика -е (5с) тракта ШВ на единичный перепад тока записи, учитывающее смещение точки перехода намагниченности через нуль по толщине рабочего слоя магнитной ленты /МЛ/, (одну из причин ассиметрии отклика)

"о Г ' ^(ft^VÍÍ3)-

. (4)

где М, - остаточная намагниченность носителя записи; Z,-<xr*-fo",

р _ Z <Х г)0Ср 2а0х . , f-dc-ío-OíoOir

(<Ц--го*о)Л litote ' * /i

X = vt - пространственная координата вдоль направления записи (V- скорость записи, t - время); OLr - расстояние "магнитная го-ловка-ЫЛ"; с/ - глубина намагничивания МЛ; -60,-io - параметры, характеризующие длину переходной зоны между противоположно намагни-

чеиными областями МЛ и изменение длины по толщине рабочего слоя МЛ; сХв- коэффициент, определяющий скорость изменения сдвига точки перехода нашгниченности через нуль по толщине рабочего слоя МЛ.

Поскольку аксиоматика модели включает ряд идеализаций произведена оценка погрешности модели путем натурных экспериментов, а также сравнением с динамической моделью Ивасаки, представленной диаграммой Мо

где поле записи Hj- представляет собой векторную сумму поля головки Нг и размагничивающего поля сигналограммы Нр .

Одним из основных факторов, ограничивающих предельную информационную плотность записи, являются межсимвольные искажения /МОИ/, которые вызывают уменьшение уровня воспроизводимых импульсов и смещения их максимумов. При высокоплотной записи на зону намагничивания могут влиять соседние перепады тока записи, что приводит к смещениям воспроизводимых импульсов, зависящих от вида кодовой комбинации (можно трактовать как нелинейные МОИ). Вменение характера 1ЛСИ имеет принципиальное значение для проектирования систем цифровой видеозаписи. Исследование данного вопроса проведено на основе анализа импульсных и плотностных характеристик тракта МЗВ, определяемых с использованием соотношения «*>

[E(tj)]~Ln£ [у H)%(i-Avl (5)

tefor] *€[■J,

где €(t)~ отклик тракта МЗВ на единичный перепад тока записи; Т - период следования перепадов. Установлено, что при продольной плотности, применяемой в цифровой видеозаписи (примерно 2 кбит/мм), корректен принцип суперпозиции, т.е. зона намагничивания практически не зависит от соседних перепадов тока записи и нелинейными МСИ можно пренебречь.

Н^Н^нГ

Особое внимание уделено исследованию статистических характеристик воспроизводимых сигналов при записи-воспроизведении рандомизированных кодов "без возвращения" к нулю /БЕН/. Показано, что воспроизводимый сигнал можно рассматривать гак элемент множества сигналов^® выходе парциального кодера с передаточной функцией кгде - целые числа; 1) - оператор задержки на один такт. При 3-В кодов класса БШ поведение систем целесообразно описывать в виде диаграммы состояний, включающей направленные графы пероходов из одного состояния в другое „О"

..Г'

_лг___

Я ^ '

где С=0 и С=1 - два возможных состояния системы; X - сигнал на выходе кодера. Каждай раз, когда приходит новый символ <Хп £ 0,1, возможно изменение состояния системы в зависимости от входного сигнала и предыдущего состояния. Показано, что при 3-В рандомизированного кода БШ, последовательность отсчетов воспроизводимого сигнала обладает свойствами дискретного марковского процесса с многомерной плотностью вероятности п

Р(х*,п.....х^рмПрСщхн), (6)

£--2

где Р(х£ I Х£.<) = Р(а<1, | «Ц, ) - плотность вероятности

перехода на один шаг; = ; *НН''$а<ЦТ~ тРанспон1,Р°-

ванный вектор-столбец возможных состояний воспроизводимого сигнала. Введение марковской модели предоставляет возможность с общих позиций исследовать вероятностные свойства различных кодов класса БШ.

Тветья глава посвящена развитию методов статистического исследования типового канала 3-В систем аналоговой видеозаписи. Показано, что стохастическую модель канала 3-В можно представить в виде ряда генераторов флуктуационных помех с определенными вероятностными

параметрами, включаемых в различные звенья тракта магнитной видеозаписи. Предложена достаточно конструктивная модель структурного шума магнитной ленты /МЛ/, с использованием которой найдены статистические характеристики процессов на выходе воспроизводящей видеоголовки и канала 3-В для МЛ с однородной и кластерной структурой рабочего слоя. Проводимый анализ основан на разбиении рабочего слоя МД на ряд элементарных слоев толщиной с/у , определении спектра

«V

(гг(4.) остаточного шумового потока тонкого слоя, а затем спектра процесса на выходе воспроизводящей видеоголовки

[шЪ, 9)l*c* flp)dAJ (?)

Оtf. _ 0Q

I. - . ~ , - - i Si-Hlb-jA/z где Hr(jk,y)=lJcl ехр{-1 kiyjg A/z-- передаточная функция поля

воспроизводящей видеоголовки; % ~ волновое число; А - дай-

Л

на волны записи; у - пространственная координата в направлении перпендикулярном записи; А - ширина рабочего зазора видеоголовки.

Повышение информационной плотности записи в современной аппаратуре видеозаписи достигается уменьшением , а также сокращением ширины строчек записи и межстрочных промежутков, вплоть до их устранения при азимутальной записи (форматы видеозаписи VHS, ß-etamorx и др.). При этом на качество воспроизводимого изображения значительное влияние оказывают помехи от соседних строчек записи. Это новый тип помех и разработка их математических моделей представляет интерес для обширного класса видеозаписывающих устройств. Предложено учитывать две составляющие помехи: одна возникает из-за непосредственного контакта видеоголовки с частью "чужих" строчек записи (контактная помеха), другая - вследствие "бокового" эффекта, из-за попадания в видеоголовку поля рассеяния части строчки записи, не находящейся в непосредственном контакте с сердечником видеоголовки (помеха проникания). Подучены соотношения для оценки обоих составляющих помехи и исследован механизм их воздействия на информационный сигнал. В частности, при намагничивании сигнало-

граммы по закону М ^ 5i.l1 А X , где МТо - амплитуда намаг-

ниченности, отношение сигнал/помеха проникания на выходе впдеого-ловки определяется выражением

\ип)„" }[Г1 + гг } (8)

где

иг$ I п -оЛу в)]+к иг ;

Гг = €хр(-Хьх)[-Г-Ы"5"^¿г 0)" к'игЦ 9;

ЪГ - ширина строчки записи; О - угол между магнитным штрихом соседней строчки записи и отклонением рабочего зазора видеоголовки от перпендикуляра к направлению записи.

С использованием математических моделей сигналов и помех развиты метода статистического анализа типовых трактов обработки сигналов и получены количественные оценки помехозащищенности, учитывающие основные источники шумов и помех, свойственные аппаратуре видеозаписи. При статистическом анализе многокаскадных трактов обычно применяют методы гауссовской аппроксимации и квазистатическое приближение, что в ряде случаев приводит к значительным погрешностям. При участии автора развит метод статистического анализа нелинейных трактов, основанный на применении функциональных винеровских рядов с ортогональными членами. Квазидиагнолизация вннеровского разложения в соответствии с (2), сопровождающаяся редукцией данных о процессах 1-1 системе, а также изоформизм процессов в отдельных каналах вннеровского фильтра, в котором отсутствуют "перекрестные", междуканальные связи, делает доступным решение ряда задач статистического анализа нелинейных трактов, применяемых в аппаратуре видеозаписи и других информационных системах, в том числе задач с негауссовской статистикой.

Разработаны методы оценки мультипликативных помех, обусловленных фдуктуацияш расстояния "видеоголовка-Ш!" в режимах записи

и воспроизведения. Подучено общее выражение для корреляционной функции B(i*,ti) процесса на выходе канала 3-В при записи-воспроиз ведении 4I.I сигнала U (t) -Ц, с [о>01+АU>Js/t)c/t], где S(t) - модулирующий сигнал, Л <*> - девиация частоты, которое упрощается в двух предельных случаях: когда корреляция "неконтакта" при записи и воспроизведении равна 0 или I. Если корреляция отсутствует и статистические параметры "неконтакта" при записи и воспроизведении одинаковы, то

B(Utz)*MUä,A «2j* № +Art*M{StS2}][M{L<k<ücizy (9)

•М{ла,Ааг}]*М{ла,й<хг}М{йо(,лЬс2}*2М{Асс,А<хг}-

где ДЛ ;=даг(t) - случайное изменение "неконтакта"; ;

AOt =Aa.(tz); S<=S(tt)', Ла--» м =

Ha основе спектрально-корреляционного анализа найдены выражения для отношения сигнал/шум /ОСЩ/ на выходе канала 3-13 в зависимости от ЭДС видеоголовки, уровня шумов и помех тракта LCB, параметров ЫЛ /шероховатости поверхности, объемной концентрации частиц и др./. Полученные результаты позволяют оценить помехозащищенность различных систем видеозаписи, а также потенциальную помехозащищенность 4M способа записи.

Для повышения помехозащищенности предложены и исследованы различные способы, которые классифицированы на две группы: в рамках традиционной структуры канала 3-В за счет оптимизации операторов преобразования сигналов и на базе новых принципов обработки записываемых и воспроизводимых сигналов. Опираясь на исследования, выполненные во второй главе, решена практически важная задача оптимального выбора параметров входной цепи канала воспроизведения при использовании двух распространенных в видеозаписи типов усилителей воспроизведения: с низкоошшм и высокоомным входом. Среди способов второй группы следует выделить предложенную с участием

автора помехоустойчивую обработку, основанную на симметричном ограничении воспроизводимого нескорректированного ЧМ сигнала, позволяющую повысить ОСШ на несколько дБ и исключить из канала 3-В сложный в реализации иумоподавляющий фильтр с линейно-падающей АЧХ и линейной ФЧХ.

Четвертая глава посвящена исследованию точности воспроизведения - важнейшей интегральной характеристике качества аналоговой видеозаписи. Поскольку в аналоговой аппаратуре обычно применяется ЧМ запись, повышение точности различных впдеозаписывашпх устройств возможно на базе единой методологии, включающей выбор показателей точности, характеризующих линейные, нелинейные и комбинационные искажения, разработку методов оценки этих показателей с учетом системных ограничений и аппаратурных погрешностей, а также способов повышения точности, инвариантных к форматам записи.

Исследование точности проводилось на основе временного метода, в соответствии с которым на вход типового канала 3-В подавались определенные тестовые сигналы (П-импулъс, синусквадратичный импульс и др.) и оценивались искажения их формы на выходе канала. При этом учитывались выявленные в работе параметрические свойства тракта МЗВ. Для ряда практически оправданных аппроксимаций передаточных характеристик отдельных звеньев канала 3-В разработаны методы аналитической оценки показателей точности. Показано, что сигнал на выходе канала 3-В можно представить в виде нелинейного функционала, заданного на множестве модулирующего сигнала -$(Ь) , его цроизводннх и коэффициентов аппроксимации АЧХ {и ФЧХ ЧМ

канала

С использованием (10) установлена связь частотных, дифференциальных и др. искажений воспроизводимых сигналов с некоторыми видами аппаратурных погрешностей.

Показано, что достаточно строгая и адекватная оценка точности воспроизведения возможна путем имитационного моделирования канала 3-В на ЭШ. При моделировании использовался принцип структурного подобия оригинала и модели, а также учитывался ряд естественных требований: адекватность, универсальность, возможность декомпозиции и укрупнения уровней описания. Для реализации данных требований проведен анализ методических погрешностей моделирования (погрешностей дискретизации видеосигнала, Ч1Л сйгнала и численного интегрирования при его формировании) и разработан ряд новых вычислительных алгоритмов, учитывающих специфику преобразования сигналов в канале З-В.

Моделирование линейных звеньев проводилось на основе аппарата дискретного преобразования Фуръв /Щ1Ф/. Коэффициенты ДПФ определялись с помощью алгоритма высокоскоростной свертки. С использованием метода частотной выборки обосновано, что для моделирования входящих в канал З-В фильтров НЧ, целесообразна аппроксимация их передаточных характеристик но Ормсби. }'ля демодуляции ЧМ сигнала предложен алгоритм функционально повторяющий работу широко применяемого в видеозаписи частотно-импульсного демодулятора, в котором происходит преобразование ЧМ в частотно-импульсную модуляцию с удвоением несушей частоты /ЧШ-2/ и выделение информационного сигнала их полученных импульсов с помощью фильтра НЧ. Импульсы с ЧП.;Л-2 формировались в соответствии с выражением V

Xiblx(t)=V„ АМоО-^Мсг-^О, (II) где ии и Ту - амплитуда и длительность импульсов с ЧИМ соответ- . ственно;

ы = \хиШ)\+\хь[ачы]) >

oeix(t) и 3Cix[(^)At}- отсчеты 41.1 сигнала, удовлетворяющие условию Si$h[xix (i&t)] = -Щп[хЬус (14)At];

At - интервал дискретизации; -k(t) - переходная характеристика фильтра ПЧ демодулятора, ¿ля фильтра Ормсби

Сл^гКп - граничная частота и коэффициент прямоугольности фильт-(2) - интегральный синус.

Таким образом, процесс ЧМ демодуляции сведен к суммированию гнкций, реализуемых с помощью стандартных программ, входящих в ма-¡матическое обеспечение современных ЭВ'Л.

Разработанное программно-алгоритмическое обеспечение и прове-¡шше машинные эксперименты с различными тестовыми сигналами, попали достаточную эффективность предложенной методики моделирова-!я как в отношении точности расчетов, гак и вычислительных затрат, результате имитационного моделирования установлены допуски на |редаточные характеристики основных звеньев канала 3-13, при которых жазатели точности соответствуют требованиям, предъявляемым к про-юсиональной видеозаписи.

Применение в видеозаписи 41.1 с несущей СОв близкой к макси-1Льной модулирующей частоте Л приводит к появлению коибинацион-[X искажений, проявляющихся на воспроизводимом изображении в виде суара". Эти искажения обусловлены попаданием 114 составляющих 41.1 [И 41П.1 спектра непосредственно на выходе демодулятора вместе с (формационным сигналом. Уровень комбинационных искажении, вознпкаю-[X из-за особенностей 41,1 /теоретически неизбежных/ и аппаратурных агрешностей /погрешностей преобразования сигналов в канале 3-В/, 1ляется одним из важнейших показателей качества видеозаписи, юблема уменьшения данных искажений постоянно была в сфере научных [тересов автора. Еще в 1972-1974 гг. диссертантом детально пссле-ваны причины комбинационных искажений, механизм их воздействия па [формационный сигнал и разработаны методы количественной оценки ¡и записи-воспроизведении сигналов цветного телевидения. Гтп не-

следования дополняют и развивают работу М.Феликса и Х.Уолша и некс тогпо другие известные к тоцу времени. В последующие годы автором подучен ряд оригинальных результатов: введена, не рассматривавшие ранее комбинационная помеха, возникающая из-за неравномерности АЧЗ п нелинейности амплитудной характеристики Ч1Л канала; на основе сочетания методов деформации п формирующего фильтра, а также двойные рядов '¿урье разработаны способы расчета спектров ЧП".1-2 сигналов при действии комбинационных помех, перподно-пшульснсй п других ее дотз модуляции и исследована эффективность их использования в видес записи.

С использованием двухканальноГ; винеровской модели тракта МЗВ, позволяющей описать оператор "вход-выход" системы гТункциональныш рядами исследован механизм нелинейного преобразования ЧГ.1 сигнала е тракте ЖВ. Получено выражение для оценки коэффициента комбинационных искажений при демодуляции ЧПМ-2 сигнала, учитывающее комбинационную помеху, возникающую е тракте ШВ

где % (2Я) - функция Бесселя п -то порядка; £ - индекс ЧМ; коэффициент _Р= ^(Ц^) зависит от тока записи п частоты сдо п = -ьп!

Разработана методика выбора рациональных параметров записывае мых ЧИ сигналов, обеспечивающая минимальные комбинационные искажения при высокой информационной плотности записи. Методика позеоляе построить базовую структуру модема и обосновать требования к характеристикам отдельных звеньев, исходя из норм на комбинационные искажения.

При записи-воспроизведении сигналов цветного телевидения час! возникают искажения, которые на экране видеоконтрольного устройстз проявляются в виде цветовых окантовок, цветовой "бахромы" и др., локализованных вблизи резких яркостных переходов. Исследование ме-

знизма данных искажений показало, что они аккумулируют в себе ли-зйные, нелинейные и комбинационные искажения и могут быть оценены 1 базе разработанного в данной главе математического аппарата, зтановлона связь изменений цветности, оцениваемых порогом цвсто-13ЛИЧ0ПИЯ 'Лак-Адама, с дифференциально-фазовыми искажениями, редложены рекомендации по уменьшению искажении на цветовых перехо-IX, которые нашли применение при проектировании профессиональных

Для повышения точности воспроизведения исследованы различные :инципы построения систем коррекции АЧХ тракта 1.13В. ведение ¡учно обоснованных норм на передаточную характеристику Ч.\1 канала их дифференциацией в рабочем диапазоне частот (неравномерность К в области девиации несущей частоты (0,3-4-0,5) дБ, в области верх-зй боковой полосы Ч;.1 сигнала до 2 дБ) позволили автору предложить ллбинированный корректор, состоящий из номинимально и минимально-^зовых звеньев, при котором нообходпмая точность коррекции обеспе-шается при меньшем числе звеньев, чем в обычном гармоническом эрректоре. Поскольку возможны различные варианты построения ком-шированных корректоров, разработан общий подход к их расчету и 1тимизации с помощью ЭШ, базирующийся на алгоритме циклического »координатного спуска Гаусса-Зайделя.

Показано, что радикальным средством повышения точности вос-зоизведения является применение адаптивных корректоров, настройка >торых зависит от параметров записываемого сигнала и реальных ус->вий его прохождения через тракт ШВ. Представление гармонического ¡рроктора в виде совокупности последовательно или параллельно эединенкых звеньев с АЧ!'^ у

1кК0р(^)1 = П^^'ЦЛ^ (1])

1=1 ¿м

\е ^ЫI > >/tí'¿} - параметры корректора, позгсллег воспслъзс1атьсл

для его оптимизации адаптивной весовой обработкой. При использова критерия минимума среднеквадратической ошибки

ГА{£г} = м{[?0«)-^т1*1 (14)

где So (i), X (i) -(¡Xift),..., t)j{ - желаемый отклик адаптивг устройства и вектор входного сигнала соответственно; JUr=flJ*i, ~,J - транспонированный вектор-столбец весовых коэффициентов, синтез тимального устройства производится из условия минимума функционал (14). В условиях отсутствия достаточной статистику решение данно! задачи возможно с помощью вероятностных итерационных алгоритмов, которых зтэадиент VjuA1{iz] заменяется градиентом от реализации^, ^ При этом вектор оптимальных весовых коэффициентов определяется ие дифференциального уравнения

jf=-0(t)VJi[so(t)'^X(t)]> (15)

где коэффициент^*) определяет "размер" шага подстройки.

На базе такого подхода автором предложены и исследованы адаг тивные методы коррекции воспроизводимых сигналов, использующие сч турные свойства сигналов цветного телевидения (сигналом настрой« корректора являются немодулированные колебания цветовой поднесут? расположенные на задних площадках строчных гасящих импульсов) и I работай новый класс устройств - адаптивные корректоры, оригинальность которых подтверждена авторскими свидетельствами СССР. Прим? ние адаптивных корректоров в профессиональных Ш позволило значи! но повысить показатели точности воспроизведения, а также устрани! искажения изображения в виде цветовых окантовок, "факелов" и др.

Пятая глава посвящена исследованию достоверности цифровой в! записи, позволяющей потенциально получить высокое качество изобрг ния при многократной перезаписи видеофонограмм. Однако реализации достоинств данного способа записи связана с значительным увеличе] плотности записи и высокими требованиями к достоверности(вероятж

ri

ибки менее 10 '). Это чрезвычайно сложная и многогранная иаучно-хническая проблема. Ее успешное решение в значительной степени висит от разработки новых подходов н методов, позволяющих повысить стоверность воспроизведения видеоинформации при действии шумов, кст.шольных искажений (1ЛСИ) и специфических помех трактов МЗВ (от зедних строчек записи, от остатков стирания и других). Показано, э основным направлением развития таких методов является преодоле-з априорной неопределенности решаемых задач за счет разработки тематических моделей сигналов и помех адекватных реальному тракту, также методов оценки достоверности, позволяющих ослабить значи-чьные математические трудности в описании процессов преобразова-I сигналов в канале 3-В.

Выбор для формата цифровой видеозаписи д1 безизбыточного ка-ibHoro кода "без возвращения к нулю" /LUI/ со скремблированием, шрокое его использование в других системах, в частности, экспо-генталышх цифровых Л.1 для записи сигналов телевидения высокой ■кости, делает весьма актуальным исследование достоверности вос-изведения данного кода.

В работе исследовано два подхода к синтезу оптимального устрой-а обработки рандомизированных кодов класса БШ: на основе решения внения максимума апостериорной вероятности (;.1ЛВ) с помощью алго-1,юв динамического программирования /Алгоритма Витерби/ и на осно-теории оптимальной фильтрации марковских процессов. С пепольоо-пем предложенной в работе марковской модели воспроизводимого нала показано, что алгоритм оптидалыюй обработки кода ЕЛ не е гауссовского шума сводится к определимо на каждой шаге четырех зтериорных вероятностей: первого состояния -

второго состояния - (1С)

для третьего состояния -

для четвертого состояния -

гдо

,(0

состояния -

Ч-к ~ + > ) 4 Л ~ отсчоты сигнала и щума соответст венно; - дисперсия шума; Р0 и Р, - вероятности появления "С" и "I" (при адаптивном скремблировании кода БШ Р0

Оценка вероятностных характеристик достоверности оптимально приема "в целом" показала, что они существенно зависят от способ и глубины коррекции воспроизводимого сигнала (параметра Т=-

То

гдеТ0>"1о1 - длительность импульса на входе и выходе корректора соответственно). При использовании истода ШВ с коррекцией, сооз ветствующей парциальному кодированию 1У класса и параметре у=24 вероятность ошибки уменьшается на 14-2 порядка по сравнению с поэлементным детектированием. Однако по мере увеличения у 113-Е возрастания корреляции выборок шума эффективность приема "в целс падает.

Разработаны методы оценки достоверности воспроизведения ра* дошзпроганных кодов БШ при двух распространенных способах пoэJ ментного детектирования /амплитудном и интегрирующем, учитывают! совмсстное действие 1.1011, шумов и специфических помех тракта ШВ /от соседних строчек записи, от остатков стирания и др./. Получ( аналитические выражения для оценки вероятности ошибки Р0ш : - для амплитудного детектирования

Р.и,А-цф - - 9л Ал, (П,Г)+ Г/9с,„)] - (17) -0,2*[1--<Р(%АЛя (П.Г) <-1/?с.п)] ;

• для интегрирующего детектирования

Реши =°'Ф-еР(9иАи(П)Г)-г/9еп)])

£ ( id)

'до <РОО =СШУ1 J *хр(- bVz ) oit - интеграл вероятностей; -■ отношение сигнал/шум (ОСШ) при амплитудном (Л) и интегрирующем Ш) детектировании; <^с,гт - отношение сигнал/помеха тракта ¡,13В;

AAz(n,T),Au(n,r)~ функции, учитывающие влияние "грудных"

1ля идентификации кодовых комбинаций; Л г=? - относительная плоти Т [ость записи; = ■ - нормированный порог срабатывания формиро-

Ош

¡ателя импульсов; 1 - коэффициент, зависящий от фазового сдвига юнду воспроизводимы!.! сигналом и помехой.

Определены области и условия наиболее предпочтительного примерная того или иного способа поэлементного детектирования. Показа-ю, что в зависимости от глубины коррекции и коэффициента скругле-:ия фильтра Наиквпста, детектирование интегрированием позволяет :олучить выигрыш в ОСШ (2*8) дБ по сравнению с амплитудным. Однако ри детектировании интегрированием в отличие от амплитудного уро-ень помех от соседних строчек записи и от остатков стирания по;-:;ет озрастагь на (20+25) дБ. Исследована возможность использования видеозаписи стирания сигналов за счет записи новых сигналов поверх" старых. Выявлена существенная волновая зависимость стпрае-гости, приводящая к недостаточному стиранию сигналов, записашшх с илой плотностью записи. Для уменьшения помех от соседних строчек аписи и от остатков стирания обоснована необходимость ограничения :олосы частот канала 1:13В в области НЧ. Возникающие при этом ошибки денткфпкации при воспроизведении комбинаций из длинных последсва-■ельностей "О" или "I" могут быть устранены путем модификации метода детектирования интегрированием. Предложены и исследованы модифицированные метода интегрирующего детектирования с решающе"; связь;' PC) "назад", PC "вперед" и с экстраполяцией решения, нечувстви-•ельные к "плаванию" базовой линии воспроизводимого сигнала из-за

ограничения ЛЧХ в области НЧ. Полученные результаты создают предго енлкг для реализации необходимой достоверности воспроизведения пр: менее г.есткпх требованиях к ЛЧХ тракта Î.Î3B, уровню щумов и помех тракта.

Шестая глава посвящена разработке методов и технических сред« улучшения функциональной взатлозаменяемости аппаратуры видеозаписи п записанных видеосгонограмм. Решение данной проблеш особенно ак-туалыю для ТВ вещания, в котором применяется многократная перезапись отдельных фрагментов б процессе электронного монтажа програм а также обмен гидеофонограммами между телецентрами. Кроме этого С! цпфлка ТВ вещания СССР, основанная на создании централизованных программ, требует дополнительной перезаписи для изготовления дубл' программ. В работе сформулирован принцип функциональной взапмозам няемости в видеозаписи и решен комплекс вопросов, связанных с оце: кой погрешностей функциональной взаимозаменяемости, оптимизацией процедуры настройки каналов записи и воспроизведения, дагностикой функциональных неисправностей.

Проведенные исследования подтвердили целесообразность и коне руктивность настройки аппаратуры видеозаписи с помощью измеритель нкх лент /ИД/ с записью определенных тестовых сигналов. При уча тип автора разработана методика записи тестовых сигналов, обеспечивающая их идентичность по электрическим параметрам, а также про цедура настройки видеомагнитофонов с помощью ШТ. Сначала при воспроизведении ИЛ производится настройка канала воспроизведения, ми нимизирующая искажения испытательных сигналов воспроизводимых с F Затем, проведением нескольких пробных записей, используя регулиро ки только канала записи, добиваются требуемых параметров при воспроизведении сигнала с собственной видеофонограммы /Ш/. Полаг что откликом канала записи и одновременно воздействием канала вое произведения является остаточный магнитный поток Bi, процедуру

ютройки можно записать в символическом виде ВФ„„ =В <Р3 =>ий0С1,э(Кв =1/»г) => <хп1/э)}

ос-е/е ^¿ых(0<1е/е, >с*лг/е)-)

ю U¿ос - воспроизводимый сигнал на выходе корректора АЧХ

на выходе В.1 соответственно; .оГп)- показатели качества ^производимого изображения; К3/ Кв - коэффициенты передачи кана-)в записи и воспроизведения; индекс ¿/э означает, что на £ -м ^.М эспропзводится сигнал с эталонно;! В* (измерительной лепты).

Показано, что соответствие параметров ^ = (1 = 1,п)

з всегда означает идентичность записанной В1> и эталонно:!. Все почетности, влияющие на отклонение АЧХ канала 3-В от эталонной (раз-1чпе АЧХ электронных блоков, разброс параметров видеоголовок и агнитных лент, их неправильное пространственное расположение отно-зтельно друг друга и др.), предложено разделить на две группы: . Погрешности не компенсируемые. . Погрешности полностью или частично компенсируемые.

Установлено, что регулировки в канале 3-В позволяют скомпеиспивать только те погрешности /гр.Б/, которые проявляются при вос-роизведенип сигнала как со "своей", гак л с "чужих" влдеофоногра.мп. зли же погрешности проявляются при воспроизведении "чужих", и не появляется при воспроизведении собственной (гр-.А), то пх сксп-энсировать нельзя. К гр.А относится ряд погрешностей, среди которых аедует выделить азимутальные перекосы в установке рабочих зазоров лдеоголовок и дефекты рабочего зазора (непараллельность граней, пучанные изменения ширины РЗ и искривления его средней лшши). азработаны методы численного расчета основных погрешностей, влияйте на функциональную взаимозаменяемость, введено г.х нормирование и уодложены способы оперативной диагностики. Внодренге разработанных зтодов п технических средств в ТВ вещание обеспечило идентичность

аписанных епдоофонограш (разброс по АЧХ снизился с (3+1) ди; до

(0,54-1) дБ, по дифференциальному усилению с (15+20)^ до (5-гЗ)^), что значительно повысило качество изображения при обмене ТВ прогр, нами и их перезаписи.

Седьмая глава диссертационной работы посвящена практической реализации результатов теоретических исследований.

Рассмотрено решение задач, связанных с разработкой, проектир1 ванисм и оптимизацией канала 3-В аналоговых, профессиональных Л.1 Приведено описание разработанных непосредственно автором или под его руководством сотрудниками ЕШШТР устройств обработки сигпалов (Чл модемов, адаптпвпых корректоров, усилителей воспроизведения п других устройств), гнедронных в отечественных профессиональных видеомагнитофонах (11.0 "Кадр-5", "Кадр-311,1", "Кадр-ЮЗСЦ". Приведен результаты измерений параметров канала 3-В, свидетельствующие о ' том, что применение разработанных устройств позволило значительно улучшить технические характеристики Л.1 (ОСИ возросло на (2+3) дБ, К-фактор снизился с (1,5+2)Я до 1%, дифференциальное усиление с (8+10)^ до 5^), расширить их функциональные возможности, а также устранить характерные при перезаписи искажения изображения г виде "факелов", "цветовых окантовок" и др.

Показана принципиальная возможность создания на основе разра ботанных методов устройств идентификации воспроизводимых символов при высокоплотной цифровой видеозаписи (продольная плотность 2 кбит/мм).

Реальшй экономический эффект от внедрения результатов диссе тационноп работы в промышленности и научных исследованиях составл 900 тысот рублен в год.

В приложениях приводени примеры решепия задач, иллюстрирующи возможности разработанных методов, дано краткое описание программ алгоритмического обеспечения для имитационного моделирования на Е канала 3-В, представлены акты внедрения диссертационной работы в промышленности.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТ!! РАБОТЫ

В диссертационной работе предложены и развиты методы статисти-:сого исследования систем магнитной видеозаписи, учитывающие осо-зости преобразования сигналов в тракте магнитной записи-воспропз-зния /¡ВЦ/ и специфику помех данного тракта. Применив строго лализованные подхода к описанию свойств тракта Í.I3B, к анализу и гезу устройств обработки сигналов, получены количественные оцеп-токазателеп эффективности видеозаписи и разработаны способы их дпения. Характерной особенностью предложенных методов является экое использование математического моделирогания и ориентация на яизацию средствами современной вычислительной техники, что позео-г повысить полноту формулышх моделей, расширить круг решаемых зетными методами задач, разработать новые принципы, алгоритмы, ?ойства, повышающие эффективность научных исследований и практика разработок в области видеозаписи. Па основе предложенного года существенно улучшены качественные показатели профессиональ-видеомагнптофонов /Щ/ и их функциональная взаимозаменяемость.

К основным результатам диссертации необходимо отнести следующей. Разработаны математические модели процессов преобразования сигна-в тракте I.E3B, позволяющие описать известные эширические завп-эсти, оценить искажения воспроизводимых сигналов и выявить их чины. Впервые предложена феноменологическая модель тракта ШВ 41.1 видеозаписи, основанная на статистической идентификации эта функциональными винеровскими рядами. Показана возможность этического использования такой модели для аналитического решения ач, связанных с оценкой искажений воспроизводимых сигналов. Разработана стохастическая модель канала записи-восщ.опзведоппя W, учитывающая основные источники шумов i: помех тракта уктурныи и контактный шум магнитной ленты, помехи от соседних очек записи и другие. Jijm описания структурного шума ленты пред-

ложепа пат статическая модель в виде совокупности однодоменных маг питных частиц с случайным направлением вектора спонтанной намагни ченности, с использованием которой найдены статистические характе ристики шума на выходе канала 3-В для ленты с однородной и класте ной структурой рабочего слоя ленты.

3. На базе предложенных математических моделей сигналов и помех разработаны методы статистического исследования систем аналоговой видеозаписи. Установлена связь показателей помехозащищенности с с видеоголовки, уровнем шумов и помех тракта ШВ, характеристиками канала Б-В.

4. Разработана методология исследования точности воспроизведения сигналов при аналоговой видеозаписи, включающая обоснование и выс показателей точности, анализ влияния на эти показатели системных ограничений и аппаратурных погрешностей, рекомендации повышения точности, инвариантные к форматам записи.

5. Разработаны методы оценки достоверности цифровой видеозаписи, учитывающие совместное действие межсимвольных искажений, шумов и специфических помех тракта ПЗВ (от соседних строчек записи, от о< татков стирания и других). Получены вероятностные оценки достове] ности при различных способах идентификации воспроизводимых симво.

6. Развиты новые статистические подходы к проблеме повышения дос верности цифровой видеозаписи, основанные на сочетании критериев максимально правдоподобного оценивания с оптимальной фильтрацией отсчетов воспроизводимого сигнала, представленного в виде дискре ного марковского процесса. Синтезирован рекррентный алгоритм при в "целом" кода БШ и его модификаций, позволяющий упростить устр ство оптимальной обработки по критерию максимума апостериорной в роятности /1ЛАВ/. Дана оценка реального выигрыша в достоверности оптимального по критерию 1.1ЛВ приема "в целом" по сравнению с поз ментным в зависимости от способа и глубины коррекции воспроизвод: мого сигнала.

. IIa основе разработанной методологии, математических моделей, юграммных и технических средств решен ряд важных задач, связанных проведением научных исследовании и проектированием систем видео-шеи: разработаны методы оценки эффективности и оптимизации пара-!тров аппараты видеозаписи, введено научно обоснованное нормнро-.ние характеристик отдельных звеньев канала 3-3, разработаны общие ашципы расчета его основных систем, предложены новые устройства работки сигналов, позволяющие существенно улучшить качество изоб-жения при воспроизведении сигналов с видеофонограш-орнгиналов и деофонограг,од-копий (при воспроизведении сигнала с З-íí копии норав-мерность АЧХ снизилась с (2^-3)дБ до I дБ, дифференциальное уенле-е с(15420)$ до (543)5?, К-фактор с (2*3)£ до

Результаты теоретических и экспериментальных исследований, алго-Ti.M имитационного моделирования на ЭК1 канала 3-Б и соответствуи-э программное обеспечение использованы при проектировании совре-нных профессиональных видеомагнитофонов. Устройства обработки гаалов (адаптивные корректоры, TLU модемы, корректоры ЛЧХ, детек-:ы цифровых сигналов и другие устройства) внедрены в видеомагии-уонах "Кадр-5", "Кадр-ЗГШГ, "Кадр-ЮЗСЦ", а также использованы в i3 "Исследование путей построения элементов и систем цифрового ви-млагнитофона". Способы и технические средства улучшения функцио-1ыюй взаимозаменяемости видеомагнитофонов и впдеофонограмм прп-шются практически на всех телецентрах страны (более ICO).

Основные технические решения, вытекающие из результатов теоре-юекпх исследований, защищены 10-ю авторскими свидетельствами СССР.

Подтвержденный актами реальный экономический эффект от впедре-[ результатов диссертационной работы в промышленности составляет ) тыс. рублей в год.

IIa базе проведенных исследован;;!! сделаны вклада Ддлпвкстгапг.г. !Р в международные организации ¡.ПЗСР и 0IIPT, а также введено до-шение в ГОСТ 19464-74 "Метода испытания видеомагнитофонов".

Но теме диссертации опубликовано более 70 печатных работ.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Гончаров A.B., Харитонов [.I.Ii. Канал изображения видеомап тофона.-i.l.: Радио и связь, 1983.-144 с.

2. Гончаров Л.Б., Харитонов 1/1.11. Канал изображения видеомаи тофона.- i.l.: Радио и связь, 1987 /2-е издание, дополненное и пер< работайте/. к1.: Радио и связь, I987.-267 с.

3. Харитонов Ы.И. Помехозащищенность систем магнитной запис! при мультипликативных помехах //Радиотехника.-1985.-jsI2.-С.15-20.

4. Харитонов 1,1 .И. Помехозащищенность частотного демодулятор« линией задержки //Радиотехника .-I978.-J& 8.-С.88-90.

5. Харитонов Ы.П. Импульсные характеристики тракта цифровой видеозаписи //Тез. докл. Всесоюзной научно-технической конференщ посвященной Дню радио. М.: Радио и связь, 1988.-С.78-79.

6. Харитонов 1/1.И. Влияние характеристик ЧГЛ канала на показач эффективности аппаратуры видеозаписи //Тез. докл. на международно симпозиуме "Проблемы магнитной записи", Г.Дрезден, 1979.

7. Харитонов М.И. К корреляционному анализу одного вида нели нейностей методом производных //Радиотехника.-1972.-Ш.-С.99-101.

8. Харитонов H.H., Тарыгин Е.К. Ыатематическое моделирование канала изображения видеомагнитофона //В кн."Цифровые методы оптимальной обработки сигналов".-Новосибирск, 1990.

9. Харитонов М.И. К оценке шума магнитной ленты //Тез. докл. Всесоюзной межотраслевой конференции "Основные вопросы магнитной записи".- Вильнюс, 1984.

10. Харитонов 1.1.И. Методы оценки достоверности воспроизведем при цифровой видеозаписи //Тез. докл. на международном симпозиуме по проблемам магнитной и оптической записи "Интеркамера-89".-г.Пр га, 1989.

11. Харитонов ¡.1.И. Об искажениях вертикальных цветовых переев в изображении, воспроизводимом видеомагнитофоном //Техника о и телевидения.-1983.- ¡Ь 3.-С.38-42.

12. Харитонов М.И. О взаимозаменяемости видеомагнитофонов и еофонограмм //Труды ШИИТР.-"Проблемы разработки и внедрения в вещание видеомагнитофонов с наклонно-строчной записью".-;.!.: 1990.36-141.

13. Харитонов М.И. О демодуляции периодно и частотно-модулиро-ных сигналов //В кн."Цифровые метода оптимальной обработки сигна-".- Новосибирск,-1982.-0.73-ви.

14. Харитонов М.И. Сравнение помехозащищенности цифровых и договых систем видеозаписи //Научно-технический реферативный рник ШЖГР.-Ы., 1981 .-вып.2/49/.-С.11-12.

15. Харитонов 1,1.11., Тарыгин Е.К. Оптимизация входной цепи ка-

а воспроизведения устройств магнитной Ч!Л записи //Радиотехника.-3.-1& 7.-С.59-61.

16. Харитонов 1Л.И. Комбинационные помехи и искажения в устропах видеозаписи //Тез. докл. Украинской республиканской научно-яической конференции "Улучшение технического качества телевизион-з вещания".- г.Одесса, 1977.

17. Харитонов 1.1.И. Анализ демодуляторов на гармониках несущей готы //Научно-технический реферативный сборник БНИИТР,- г.!.,

3.-вып Л/15/.-С.7-3.

18. Харитонов М.И. Определение требований к точности коррекции канала видеомагнитофона //Труды даШТР.-1977.-Еып.9/2о/.-С.З-1и.

19. Харитонов 1,1.М., Гончаров А.В. Особенности канала изображе-видеомагнитофонов формата С. //Техника кино и телевидения.-37.-й 2.-С.25-30.

20. Харитонов М.И., Гончаров А.13. Дифференциальные искажения адеомагнитофонах //Техника кино и телевидения.-1937.2.-С.;Л5-;>0.

21. Харитонов ;.1.И. Оценка помехоустойчивости демодуляторов гармониках несущей частоты //Научно-технический реферативный сбо ник 13IIМТ. 1974.-вып.1/9/.-С.9.

22. Харитонов Ы.И. Определение требований к передаточной ха терпстике ЧГ.1 канала видеомагнитофона //Тез. докл. Республиканско научно-технической конференции "Повышение качества передачи и пр сигналов цветного телевидения".-Тбилиси, 1983.

23. Гончаров А.В., Харитонов М.И. Использование измерительн лент для настройки видеомагнитофона //Техника кино и телевидения -1935.-1: 2.-С.29-34.

24. Харитонов М.И., Тарыгин Е.К. Влияние входной цепи канал воспроизведения видеомагнитофона на отношение сигнал/шум //Техни кино и телевидения.-1980.-й 4.-С.37-41.

25. Харитонов ГЛ.И., Борукаев Т.Е. Метод описания канала зап воспроизведения функциональными рядами //Тез. докл. 1-й Всесоюзн научно-технической конференции "Совершенствование технической ба телевидения и радиовещания".-¡.1.;-1984.-С.49.

26. Харитонов гл.и., Тарыгин Е.К. Детектирование воспроизвод мого сигнала при цифровой видеозаписи //Тез. докл. 2-й Всесоюзно научно-технической конференции "Совершенствование технической ба телевидения и радиовещания".-М.,1987.-С.55.

27. Харитонов М.И., Семенчук Ю.В. Корректор воспроизводимо! сигнала для стенда цифровой видеозаписи //Тез. докл. 2-й Всесоюг научно-технической конференции "Совершенствование технической ба телевидения и радиовещания".-М., 1987.28. Харитонов Ы.И., Тарыгин Е.К. Детектирование кода БЕН в

устройствах магнитной записи //Радиотехника.-1987.-Н1.-С.90-92.

29. Харитонов ¡.1.И., Ваймбойм Л.В., Мухин Н.М. Система чаете ной модуляции видеомагнитофона //Техника кино и телевидения.-19£ -.Ш.-С.42-45.

30. Харитонов Ы.И., Тарыгин Е.К. Фазокорректированнын фильтр

! для 4M демодулятора видемагнитофона //Техника кино и телевидения. 977.-й 12.-С.46-51.

31. Харитонов U.U., Молодцов В.Е. Искажения сигнала в устрокст-х магнитной записи //Тез. докл. Всесоюзной научно-технической кон-ренции по дальнейшему развитию и совершенствованию телевидения в СР.-Ленинград.-1974.-С.49-50.

32. Харитонов М.И., Ваймбойм A.B. Использование умножителей стоты с фазовым подавлением смежных гармоник в аппаратуре магнит-й записи //Труды ВНИИТР.-1974.-Г£/25/.-С.22-33.

33. Харитонов Ы.И., Тарыгин Е.К. Корректор Аг1Х видеомагнитоою-//Техника кино и телевидения.-1977.-Je I.-С.37—41.

34. Харитонов М.И., Гончаров A.B. Влияние неидеальности харак-ристик системы магнитной 4M записи на комбинационные помехи и ис-жения //Радиотехника.-1978.-С. Л-26.

35. Харитонов М.И., Тарыгин Е.К. Исследование вопросов автома-ческой коррекции частотной характеристики канала магнитной записи Гез. докл. Всесоюзного научно-технического семинара "Следящие тройства в радиоприемниках".- Секция радиотехники ВНТОРЗС им.А.С. нова .-¡Л., 1976.

36. Гончаров A.B., Харитонов й.И. Влияние параметров ЧЫ канала цеомагнитофона на комбинационные искажения видеосигнала //Труды ЖГР.-1976.-й 3/27/.-С.22-31.

37. Харитонов U.U., Тарыгин Е.К. Система частотной модуляци-:лодуляции для видеомагнитофона //Тез. докл. Всесоюзной научной зсии, посвященной Дню радио. М., 1977.-0.90-91.

38. Шепелев Ю.В., Харитонов M.Ii. Технология создания Tü программ едствами видеозаписи //Техника кино и телевидения.-IJo9.-'.'G.-.31-33.

39. Харитонов Ы.И., Тарыгин Е.К. Детектирование воспроизводимых яровых сигналов //Тез. докл. 2-й Всесоюзной научно-технический коп-

4U

имзренцип "Совершенствование технической базы телевидения и радио! щания".—IЛ., 19о7.-С.55-56.

4Ü. Харитонов I.I.Ii., ГДухин H.H., Семенчук Ю.В. Систеш канала го кодирования для высокоплотной магнитной записи //Тез. докл. ш но-технической конференции ШИИТР.-М., 1983.

41. Харитонов М.И., Тарыгин Е.К. Детектирование Еоспроизвод! цифровых сигналов интегрированием с решающей связью //Тез. докл. 3-й Всесоюзной научно-технической конференции "Совершенствование технической базы телевидения и радиовещания".-ГЛ.,I990.-C.67.

42. Харитонов М.И., Шепелев Ю.В. Техническое качество телеш редач //Техника кино и телевидения.-1989.-Л6 7.-С.46-54.

43. Харитонов 1Л.И., Штейн A.B., Семенчук Ю.В. Запись цифров1 данных без защитных промежутков //Тез. докл. Всесоюзной научной сессии, посвященной Дню радио.-ГЛ., 1990.

44. Харитонов М.И., Тарыгин Е.К. Коррекция и детектирование воспроизводимого сигнала при цифровой видеозаписи //Тез. докл. н; но-технической конференции "Повышение эффективности и помехоустоз чквости телевизионных систем".-Севастополь, 1987.

45. Шепелев Ю.В., Харитонов U.U. Организация работы средств деозаписи //Техника кино и телевидения.-1989.-JéIO.-C.48-55.

4G. Харитонов ГЛ.П., Тарыгин Е.К. Влияние передаточной харак ристики канала записи-воспроизведения на искажения воспроизводим сигнала //Тез. докл. научно-технической конференции ВНККТР.-М.,Г

47. Борукаев Т.Б., Харитонов i/I.И. О воздействии шума на сис "Оильтр-ограничитель-фильтр-нелинейное устройство" //В кн. "Ради технические устройства".-Новосибирск.-1972.-С.81-86.

48. Ch»i.it onow /77.1. Eln¡tu{> о/-es a.mp-Éi'tu.clQn-fte.ijiM-e-n ■zyartys o/es Fífí-kanais von Vidi*о г«сочо/<ги auf oiie Quaii ole.r. BiidufL-edt'i-paée ////acA-iicjiiet-ec/xnL.-k-E&ct'iauli. .-/3

-л/23. -HA2, s.320-323.