Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ существующих методов уплотнения сигналов с перекрывающимися спектрально-временными характеристиками в широкополосных телекоммуникационных системах (на примере систем передачи изображений) 12
1.1. Особенности уплотнения гомогенных сигналов 12
1.2. Системы уплотнения (образования вторичного канала) в аналоговых системах передачи видеоизображений 17
1.2.1. Временное уплотнение телевизионного сигнала 17
1.2.2. Частотное уплотнение телевизионного сигнала 23
1.2.3. Поляризационное уплотнение телевизионного сигнала 27
1.3. Системы уплотнения (образования вторичного канала) в цифровых системах передачи видеоизображений 35
1.3.1. Нелинейный метод скрытия данных в пространственной области 35
1.3.2. Линейный метод скрытия данных в пространственной области 36
1.3.3. Нелинейный метод скрытия данных в области преобразования 37
1.3.4. Линейный метод скрытия данных в области преобразования 38
1.4. Перспективы разработки методов уплотнения для систем передачи видеоизображений 40
Глава 2. Разработка методов уплотнения гомогенных аналоговых сигналов на основе вторичного использования широкополосных каналов 41
2.1. Разработка модели и постановка задачи синтеза характеристик вторичного канала связи аналоговой телекоммуникационной системы 41
2.2. Синтез характеристик вторичного канала связи двухканальной телекоммуникационной системы в частотной области 49
2.2.1. Определение спектральной функции вторичного сигнала 49
2.2.2. Определение передаточной функции устройства воспроизведения вторичного сигнала 60
2.2.3. Экспериментальное исследование уплотнения гомогенных сигналов двухканальной телекоммуникационной системы 62
2.3. Синтез характеристик вторичного канала связи двухканальной телекоммуникационной системы во временной области 65
2.3.1. Синтез корреляционной функции вторичного сигнала 66
2.3.2. Определение весовой функции устройства воспроизведения коррелированного сигнала вторичного канала 72
2.4. Оценка потенциальной (максимальной) пропускной способности основного и вторичного канала связи 75
2.5. Разработка инженерных методик формирования и выделения вторичного сигнала системы телевизионного вещания 82
2.5.1. Фильтровый метод синтеза вторичного сигнала 83
2.5.2. Модуляционный метод синтеза вторичного сигнала 86
2.6. Основные результаты и выводы по второй главе 90
Глава 3. Разра ботка алгоритмов уплотнения кодовых сигналов и последовательностей цифровых телекоммуникационных систем 93
3.1. Особенности передачи информации а цифровых телекоммуникационных системах и постановка задачи синтеза вторичного канала связи для этих систем 93
3.2. Синтез вторичного канала связи на основе нелинейного функционального преобразования его вероятностных характеристик 96
3.3. Разработка алгоритма синтеза вторичного канала связи на основе бинарных логических преобразований 101
3.4. Разработка алгоритма синтеза вторичного канала связи на основе избыточного кодирования 109
3.5. Основные результаты и выводы по третьей главе 117
Глава 4. Разработка программного обеспечения уплотнения сигналов передачи видеоизображений и экспериментальная оценка эффективности 119
4.1. Разработка структуры аппаратного и программного обеспечения уплотнения аналогового телевизионного сигнала 119
4.1.1. Выбор структуры и состава аппаратного обеспечения уплотнения аналогового телевизионного сигнала 119
4.1.2. Структура программного обеспечения для реализации алгоритмов уплотнения аналогового телевизионного обеспечения. 122
4.1.3. Вычислительный эксперимент по организации передачи сигнала вторичного канала на основе модуляционного метода 126
4.2. Разработка алгоритмов программного обеспечения для уплотнения цифровых каналов передачи видеоизображений и проверка их эффективности 128
4.2.1. Разработка алгоритмов программного обеспечения для уплотнения цифровых каналов передачи видеоизображений на основе бинарных логических преобразований 128
4.2.2. Вычислительные эксперименты по уплотнению цифровых каналов передачи видеоизображений с применением алгоритмов бинарных логических преобразований 130
4.2.3. Разработка алгоритмов программного обеспечения для уплотнения цифровых каналов передачи видеоизображений на основе избыточного кодирования 142
4.2.4. Вычислительные эксперименты по уплотнению цифровых каналов передачи видеоизображений с применением алгоритмов избыточного кодирования 144
4.2.5. Оценка возможности применения БЛП для организации вторичного канала в системах передачи данных с применением корректирующих кодов 146
4.3. Основные результаты и выводы по четвертой главе 147
Заключение 149
Список литературы 150
Приложение 155
- Временное уплотнение телевизионного сигнала
- Разработка модели и постановка задачи синтеза характеристик вторичного канала связи аналоговой телекоммуникационной системы
- Особенности передачи информации а цифровых телекоммуникационных системах и постановка задачи синтеза вторичного канала связи для этих систем
- Выбор структуры и состава аппаратного обеспечения уплотнения аналогового телевизионного сигнала
Введение к работе
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», г. 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.
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. На основе разработанной модели сформулирована математическая постановка задачи синтеза вторичного канала связи. Для нахождения спектральных характеристик сигнала вторичного канала сформулированы две теоремы - в частотной и временной областях, определяющие необходимые и достаточные условия, которым должен удовлетворять композиционный сигнал, составленный из основного и вторичного сигналов. Найдено выражение для нахождения передаточной функции устройства выделения вторичного сигнала. Определены удельные пропускные способности основного и вторичного каналов. Разработаны фильтровая и модуляционные инженерные методики формирования вторичного канала.
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. Предложены три алгоритма уплотнения. Первый из них обеспечивает сближение последовательностей основного и вторичного каналов по критерию минимума СКО. Ограничением этого алгоритма является необходимость передачи в композиционном сигнале информации об интегральной функции распределения. Такого ограничения нет для двух остальных предложенных алгоритмов, которые обеспечивает сближение последовательностей основного и вторичного каналов по критерию минимума расстояния Хэмминга. Один из них обеспечивает лучшее сближение последовательностей основного и вторичного каналов, другой обеспечивает большую помехоустойчивость вторичного канала. 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 во второй главе, предложено реализовать с помощью сигнальных процессоров. С учетом необходимости реализации на сигнальном процессоре 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.
Временное уплотнение телевизионного сигнала
Особый интерес представляет случай, когда параметры сигнала вторичного канала и УФВК позволяют исключить на приемной стороне УВОС как техническое устройство из состава необходимого оборудования, т.к. его функции выполняют другие элементы МТС. Такая организация системы уплотнения гомогенных сигналов позволит улучшить пропускную способность существующей системы с минимальными затратами материальных средств и времени, т.к. установка на передающем центре УФВК не потребует модернизации приемников у основной части потребителей, а потребители, имеющие УВВС, получат возможность приема дополнительных объемов информации. В таком случае не требуется одновременная замена всего приемного оборудования, и такую замену можно производить постепенно. Наиболее экономически выгодно применение уплотнения гомогенных сигналов для широковещательных систем, подобных телевидению, т.к. в них передающих центров намного (на порядки) меньше чем приемников.
Уплотнение гомогенных сигналов можно рассматривать как экономически выгодный способ решения проблемы нехватки частотного ресурса. Также системы передачи видеоизображений, к которым относится телевидение, подходят для уплотнения гомогенных сигналов по причине значительной избыточности применяемых в них сигналов, что облегчает проектирование системы.
Рассмотрим системы, использующие традиционные способы уплотнения для организации передачи дополнительных данных в существующих системах передачи видеоизображений. Существующие системы передачи видеоизображений можно разделить на две большие группы - аналоговые и цифровые, соответственно рассматриваемые в параграфах 1.2 и 1.3.
Исторически первой аналоговой системой передачи видеоизображений, для которой были предложены и массово внедрены системы уплотнения, является аналоговое телевидение. Рассмотрим наиболее известные и распространенные системы, использующие временное и частотное уплотнение телевизионного канала.
Практически все системы временного уплотнения телевизионного сигнала используют временные интервалы кадровых гасящих импульсов (КГИ) (VBI - Vertical Blanking Interval), не отображаемых на экране телевизионного приемника, для передачи дополнительной информации. Системы различаются в основном числом используемых строк в пределах КГИ, тактовой частотой (скоростью передачи), применяемыми методами примитивного и помехоустойчивого кодирования информации.
Первой распространенной системой временного уплотнения телевизионного канала был «Телетекст» (Teletext) [2, 3, 4], первые экспериментальные передачи с помощью которого относятся к 1973 году. Для передачи в системе Телетекст» могут использоваться свободные ТВ строки с б по 22 в поле 1 и с 319 по 335 в поле 2 передаваемые во время КГИ. Большинство вещателей используют строки примерно 8 строк в каждом поле ТВ сигнала (6-13 в первом поле и 320-326 во втором поле) для передачи данных [5]. Система предусматривает передачу двоичных сигналов с частотой 6,9375 МГц, что обеспечивает передачу в каждой ТВ строке данных о синхронизации, адресной информации, а также коды 40 знаков, располагаемых в каждой текстовой строке. Каждое информационное слово, подлежащее передаче в системе «Телетекст», кодируется 7-разрядным кодом ASCII, что позволяет передавать 128 знаков и управляющих символов. Для обеспечения обнаружения ошибок добавляется один контрольный разряд, поэтому каждое передаваемое слово содержит 8 бит (байт).
Строка данных, предназначенная для передачи 40 знаков, компонуется из 45 байтов. Первые три байта, обладающие четным паритетом, используются для синхронизации в приемном устройстве. Остальные 42 байта, обладающие нечетным паритетом, предназначены для передачи адресной, управляющей и знаковой информации. Адресная и управляющая информация передаются байтами с помощью кода Хэмминга, при этом четыре информационных бита чередуются с четырьмя контрольными битами. Такое кодирование позволяет обнаруживать и исправлять одиночную ошибку или обнаруживать ошибки нечетных кратностей. Кодирование информации, подлежащей передаче по ТВ каналу связи, осуществляется по методу «без возврата к нулю» (NRZ). При этом каждая двоичная единица передается уровнем, соответсвующим 66% уровня белого, а двоичный ноль - уровнем черного. При кодировании без возврата к нулю затрудняется синхронизация тактовых импульсов в приемном устройстве. Однако опыт эксплуатации системы «Телетекст» показал, что при передаче текстовой информации этот недостаток не оказывает существенного влияния, т.к. сам сигнал данных содержит достаточное число перепадов, необходимых для синхронизации. Для удобства синхронизации применяется кодирование с нечетным паритетом. При этом максимальное число последовательных единиц или нулей равно 14, что даже при повторении их по всей строке обеспечит необходимую синхронизацию. Кодирование без возврата к нулю позволяет вдвое увеличить плотность данных по сравнению с другими методами кодирования. На основе системы «Телетекст» разработана система Teledata. Основным отличием данной системы является характер организации передачи данных, определяемый назначением системы - распределение информации по телевизионным сетям при однократном ее повторении (в отличие от многократного повторения в «Телетексте»). Используется пониженная тактовая частота для повышения достоверности передачи. Более совершенным вариантом временного уплотнения является разработанная в России система «ТВ-Информ» [6, 7]. В результате сокращения тактовой частоты до 1,73 МГц практически исключены потери пропускной способности на синхронизацию, а использование специальных методов кодирования доводит достоверность при любых условиях приема до одной ошибки на десять миллионов переданных символов и выше. Кроме того, информация в «ТВ-информ» передается также и в интервалах, в которых любые другие известные системы не работают. Это техническое решение позволяет еще больше повысить пропускную способность в телевизионном канале. Система «ТВ-информ» совместима с системой вещательного телевидения по ГОСТ 7845 [8] (в том числе с кабельными телевизионными вещательными системами и системой «Телетекст»). Рассмотрим более подробно параметры системы «ТВ-информ».
Разработка модели и постановка задачи синтеза характеристик вторичного канала связи аналоговой телекоммуникационной системы
В настоящее время наблюдается значительный рост требований к пропускной способности систем связи. Этот процесс связан с увеличением объемов информации, генерируемой и обрабатываемой современным обществом.
Задача увеличения пропускной способности для систем связи может быть решена построением новой, скоростной линии взамен существующей или ее модернизацией. В случае ограниченности средств модернизация представляется предпочтительным вариантом. Особенно интересен случай, когда при модернизации системы вся ее унаследованная функциональность сохраняется, и увеличение пропускной способности не сопровождается потерей совместимости.
Увеличение пропускной способности может достигаться за счет более рационального использования частотного ресурса, динамического диапазона или временных интервалов работы системы.
Примером системы, обладающей значительной избыточностью, является аналоговое вещательное телевидение, относящееся к классу широкополосных ТС. Так в [24] приведена оценка, согласно которой только 12% частотного спектра черно-белого телевизионного сигнала используются для передачи изображения. Эта избыточность уже частично использована в системах цветного телевидения для передачи сигнала цветности, но значительный запас еще остается.
Полученный при модернизации запас пропускной способности может быть использован для организации дополнительного канала связи. Канал связи, образованный в рамках одной физической линии связи с основным каналом, без изменения требований к характеристикам (ширине спектра, динамическому диапазону и т.п.) основного канала и без нарушения его нормального функционирования, будем называть вторичным каналом. При этом еще раз подчеркнем, что спектры основного и вторичного каналов перекрываются и сопоставимы по ширине между собой.
Другими словами, дополнительный канал связи формируется на базе уже существующих каналов связи, которые будем рассматривать в качестве основных. Как уже было показано выше, примером каналов такого рода являются системы «Телетекст», «ТВ-Информ», служащие для передачи текстовой информации и являющиеся вторичными по отношению к телевизионному каналу, на базе которого они функционируют. Вторичный канал связи также может предназначаться для передачи сопутствующих сообщений, обладающих меньшей информационной емкостью, например, передача стандартных сообщений аутентификации, сигнализации, верификации и т.п. в незаметном (скрытом) для абонента режиме [25].
Основное отличие вторичного канала связи от каналов связи в обычной многоканальной системе заключается в том, что его наличие не было предусмотрено при проектировании системы связи, содержащей основной канал. Сказанное определяет следующие особенности вторичного канала связи, которые отличают этот канал от известных способов формирования многоканальных систем связи: 1. Вторичный канал связи является аддитивным, т.е. групповой сигнал многоканальной системы образуется либо сложением сигналов основного и вторичного каналов, либо частичным замещением (подменой) сигнала основного канала сигналом вторичного канала. 2. Спектры основного и вторичного канала связи должны пересекаться (накладываться), так, чтобы оба канала функционировали в рамках одной полосы частот. При этом максимальная ширина спектра сигнала вторичного канала будет сопоставима с шириной спектра основного канала. Это является существенным отличием от систем с частотным разделением каналов, в которых спектры канальных сигналов в принципе не должны пересекаться. 3. Передача основного и вторичного каналов должна осуществляться одновременно, что отличает данную систему от систем с временным разделением каналов, в которых для передачи сигналов разных каналов отведены непересекающиеся временные промежутки. 4. Согласно второму пункту вторичный сигнал не является широкополосным по отношению к сигналу основного канала. Это является существенным отличием разрабатываемой телекоммуникационной системы от существующих систем вторичного использования спектра с широкополосными шумоподобными сигналами, которые используют спектр шириной в несколько раз больше, чем ширина спектра основного канала. 5. Исходя из особенностей формирования вторичного капала связи, он не должен существенным образом искажать изображение и звук. Другими словами, он должен формироваться исходя из особенностей человеческого зрения, устройств передачи и отображения информации. Указанные особенности определяют требования к сигналу вторичного канала. Прежде чем сформулировать требования к вторичному сигналу, рассмотрим модель двухканальной системы телевизионного вещания. В соответствии с первым пунктом основных особенностей, она должна включать в себя сумматор или некоторое техническое устройство, в котором осуществляется суммирование сигналов основного и вторичного каналов или частичное замещение сигнала основного канала сигналом вторичного канала. Реализовать суммирующее устройство достаточно просто, и, кроме того, не потребуется вносить значительные изменения в приемные и передающие устройства существующих систем телевизионного вещания. Суммирующее устройство является линейным, что упрощает исследование систем, содержащих его, и, следовательно, сокращает и удешевляет процесс проектирования многоканальных систем связи. Частичное замещение сигнала основного канала сигналом вторичного канала удобнее проводить в цифровых системах телевизионного вещания, поэтому этот способ формирования вторичного канала пока рассматриваться не будет.
Достаточно очевидно, что в результате сложения основной и вторичный сигнал будут искажать друг друга. Поэтому сигнал вторичного канала должен быть согласован с сигналом основного канала таким образом, чтобы не являться для него помехой, или если это невозможно, помеха, вызываемая вторичным каналом не должна мешать выполнению основной задачи существующей телекоммуникационной системы (ТС), т.е. для телевидения не должно пропадать или становится неразличимым изображение.
Особенности передачи информации а цифровых телекоммуникационных системах и постановка задачи синтеза вторичного канала связи для этих систем
Актуальность задачи организации передачи дополнительной информации в цифровых каналах в настоящее время увеличивается. Все больше телекоммуникационных систем передают информацию в цифровой форме. Это также относится и к системам теле- и радиовещания. В настоящее время для этого используются в основном спутниковые каналы связи, но в ближайшем будущем будет происходить все более активный переход на цифровое кабельное и эфирное вещание.
Во второй главе рассматривался синтез вторичного канала аналоговой системы передачи, которая описывается при помощи «непрерывной» линейной модели. При этом сигнал вторичного канала связи образуется как аддитивная добавка сигнала основного канала. Однако такой «сигнальный» способ представления модели передачи сообщений не исчерпывает все возможности синтеза вторичного канала связи. Особенно это характерно для цифровых ТС, процессы передачи сообщений в которых не всегда можно описать дифференциальными уравнениями, либо уравнениями в конечных разностях. Поэтому для цифровых ТС можно использовать иные методы образования вторичного канала связи, основанные на информационном представлении моделей ТС и учитывающие особенности передачи сообщений в цифровых системах связи.
Рассмотрим некоторые особенности формирования и передачи сообщений в цифровых телекоммуникационных системах, влияющие па специфику формирования сигнала вторичного канала.
Главной особенностью цифровых ТС является передача информации в достаточно сложной кодированной форме, которая включает в себя информационную и служебную части. При этом в цифровых системах применяются разные виды кодирования информации: ИКМ-кодироваиие, сжатие данных, шифрование, помехоустойчивое кодирование и т.д. Следовательно, формирование вторичного канала возможно путем изменения как служебной, так и информационной частей сигнала основного канала. В отличие от аналоговых ТС, в цифровых ТС, и особенно, в цифровом телевидении менее информативные и более информативные части передаваемого кода разделены по времени. Это способствует более эффективному образованию вторичного канала путем замены части разрядов в этих частях кода основного канала. Эту мысль можно подтвердить рядом примеров формирования вторичного канала в системах передачи графических и телевизионных изображений.
Так, в соответствующих форматах передачи изображений и видео можно выделить наименее значащие биты изображения, изменение которых слабо воспринимается человеческим зрением, а также не отображаемые части кодовых последовательностей. В 8 и 24 битных вариантах форматов передачи неподвижных изображений BMP и TGA, применяемых в компьютерных системах передачи сообщений, можно использовать 1 бит из каждых 8 (в информационной части) для организации вторичного канала. Практическая реализация работы с данными форматами очень проста - достаточно изменять младший бит каждого байта, начиная с определенного смещения, указанного в заголовке файла.
Особенности организации служебной части форматов BMP и TGA, связанные с наличием неотображаемых участков файла, изменение которых не влияет на изображение и не приводит к ошибкам отображения, дают дополнительные возможности по увеличению пропускной способности вторичного канала в файлах данных форматов.
Следует выделить также форматы передачи изображений GIF, PCX и PNG, в которых, в отличие от описанных выше форматов, изображение передается в сжатом виде (здесь применяются алгоритмы сжатия без потери информации). Принцип внедрения информации вторичного канала остается неизменным - использование младших бит 8 и 24 битных вариантов данных форматов, но требуются большие затраты времени на вспомогательные операции связанные с распаковкой и упаковкой данных при включении данных вторичного канала. Особой сложностью отличается формирование вторичного канала при использовании формата MPEG-2. В этом случае формирование вторичного канала заключается в изменении произвольно расположенных в файле кодовых последовательностей различной длины, что требует времени на их поиск. Описанные особенности приводят к предъявлению повышенных требований к быстродействию алгоритмов формирования вторичного канала. Таким образом, из сказанного следует, что модель формирования вторичного канала для цифровых ТС имеет следующие отличия от аналоговой модели синтеза вторичного канала связи: 1) модель синтеза вторичного канала связи в цифровых ТС предъявляет менее жесткие (менее формальные) требования к описанию модели устройство воспроизведения основного сигнала, потому что искажения сигнала основного канала ограничиваются только частью информационного кода отвечающего за передачу изображения и неотображаемой служебной частью кода. 2) в цифровых системах передачи исходный сигнал, в качестве которого рассматриваются дискретные последовательности, может состоять из фрагментов последовательностей основного канала. 3) учитывая, что устройство формирования вторичного канала в цифровых ТС будет реализовываться на программном уровне, поэтому, вместо простого сложения сигналов основного и вторичного каналов, могут использоваться более сложные алгебраические операции совместного преобразования основного и вторичного сигналов, которые будем называть композицией. Далее рассмотрим более строгую математическую формулировку задачи синтеза вторичного канала связи для цифровых ТС [42].
Выбор структуры и состава аппаратного обеспечения уплотнения аналогового телевизионного сигнала
Проведенные эксперименты показали, что данная модификация алгоритма позволяет иногда добиться большей эффективности по сравнению с алгоритмом из пункта 3.3 если длина закодированной последовательности должна совпадать с длиной исходной последовательности (вернее, если допускается минимальная разница в два или три бита). Однако, если такого ограничения не ставится, алгоритм из пункта 3.3 остается наиболее эффективным.
Эффективность алгоритма можно увеличить, если работать с группами переменной, а не фиксированной длины. В этом случае проверка на преобладание кодов соответствующих тому или иному первому биту будет производиться не после анализа заранее заданного количества бит, а например, когда разница в количестве кодов соответствующих тому или иному первому биту превысит некоторый порог. В этом случае алгоритм станет «адаптивным».
Возможен также другой подход к разбиению на подгруппы - постепенное не увеличение, а уменьшение длины подгрупп. Т.е. сначала вся последовательность представляет собой одну подгруппу и «скрытый» бит, соответственно, всего один. Если тестовое извлечение проходит успешно, количество подгрупп увеличивается в некоторое число раз (2, 3, ...). Уменьшение длины подгрупп продолжается до тех пор, пока тестовое извлечение происходит успешно. Данный подход может позволить быстрее найти приемлемую длину подгруппы в случае, когда в сигнале основного канала вероятность различных кодовых комбинаций не одинакова. 1. Сформулирована критериальная задача синтеза вторичного канала связи для цифровых ТС, учитывающая особенности передачи информации. Главной особенностью цифровых ТС является передача информации в достаточно сложной кодированной форме, которая включает в себя информационную и служебную части, поэтому формирование вторичного канала возможно путем изменения как служебной, так и информационной частей сигнала основного канала. В результате требования к степени искажений телевизионного изображения, аудиосигналов могут быть несколько снижены по сравнению с аналоговыми ТС, т.к. часть дополнительной информации может передаваться в служебной составляющей кода. 2. Предложено решение задачи синтеза вторичного канала связи для цифровой системы связи с использованием методологии детерминированного безынерционного функционального преобразования случайных процессов. Преимуществом предлагаемого способа формирования сигнала вторичного канала является относительная простота его реализации. 3. Предложен алгоритм синтеза вторичного цифрового канала связи на основе бинарных логических преобразований. Главная идея предлагаемого алгоритма заключается в замещении подпоследовательностей основного канала подпоследовательностями вторичного канала, к которым применяется некоторая бинарная логическая функция, позволяющая минимизировать искажения основного канала в результате этого замещения. Особенностью предлагаемого алгоритма является, что вместо традиционной десятичной алгебры с функциями распределения будут применяться функции булевой алгебры, что позволит устранить вычислительные ошибки и добиться большего быстродействия алгоритма, уменьшить объем дополнительной информации о параметрах функции распределения. Т.к. работа алгоритма будет основываться на булевой алгебре, то в качестве критерия качества работы алгоритма удобно использовать не минимум СКО, а минимум кодового расстояния Хэмминга между кодовыми последовательностями основного и вторичного каналов. 4. Предложен алгоритм синтеза вторичного цифрового канала связи на основе избыточного кодирования. Главная идея предлагаемого алгоритма заключается в использовании возможностей неоднозначного избыточного кодирования основной части бит кодовых последовательностей вторичного канала для обеспечения неявной передачи остальных бит кодовых последовательностей вторичного канала. При этом кодовое расстояние не увеличивается, а за счет неявной передачи части бит даже уменьшится. 4. Разработка программного обеспечения уплотнения сигналов передачи видеоизображений и экспериментальная оценка эффективности Устройство уплотнения аналогового телевизионного сигнала, реализующее инженерные методики, описанные в параграфе 2.5, удобно реализовать на основе цифрового сигнального процессора (Digital Signal Processor, DSP). В этом случае, при необходимости модернизации алгоритма работы устройства, достаточно будет заменить программное обеспечение. Благодаря большим объемам выпуска DSP, можно будет обеспечить приемлемую стоимость устройства.
