Введение к работе
Актуальность темы. В последние десятилетия происходит интен-вное развитие коммуникационных систем. В этой ситуации всё сильнее іущается дефицит такого важного ресурса любой системы связи как про-скная способность каналов. Так как для развертывания новых каналов язи необходимы значительные капитальные затраты, то актуальной стано-тся задача по использованию имеющихся каналов связи с большей эффек-вностью. Одним из основных путей, позволяющих решить данную проему, является применение методов оптимального кодирования источников формации, что приводит к значительному уменьшению избыточности, іеющейся в исходном сообщении источника, и, вследствие этого, умень-:нию скорости, необходимой для передачи сообщения в канале связи.
В теории информации используется следующая модель представле-я источника. Произвольный источник считается заданным, если задан его фавит и вероятностная мера появления букв алфавита на выходе источии-. При этом нижняя граница для длины кодового слова соответствующего ной букве алфавита источника равна энтропии данного источника. Такая роятностная модель источника привлекательна тем, что она является наи-лее общей и применима к разнообразным источникам.
В теории информации доказана теорема кодирования для источника гнала неравномерным кодом в отсутствии шума. Согласно данной теореме ществуют коды, средняя длина которых может быть сколь угодно близка к іжней границе для длины кодового слова. Коды, удовлетворяющие данім требованиям, являются оптимальными. Существуют методики по-роения оптимальных кодовых алфавитов, например коды Шеннона- Фано, д Хаффмена, арифметические коды, предложенные Риссаненом. Постро-ные на базе данных кодов архиваторы позволяют эффективно сжимать }бую информацию, обрабатываемую не в режиме реального времени, вне висимости от природы источника. К сожалению, данные коды эффектив-I только в случае известной заранее вероятности появления букв на выхо-источника.
Активное использование в последнее время цифровых каналов связи я передачи звуковой информации и в особенности речи привело к разви-ю алгоритмов ориентированных на эффективное сжатие конкретных рече-IX источников информации. В данной области найдены алгоритмы, позво-ющие понизить скорость передачи более чем на порядок при сохранении шемлемого качества сигнала. Но эти результаты относятся к передачи ревой информации на базе использования моделей голосового тракта и ледаче по каналу связи параметров модели, то есть результат достигается за ет узкой специализации алгоритма. Применение данных алгоритмов в ка-
налах, где передаётся информация не только от речевых источников, нево можна, так как модель обычно соответствует одному узкому классу ncn> ников. Поэтому в последнее время возрос интерес к универсальным метода кодирования, основывающимся на информационных методах сжатия даь ных.
Основной проблемой на пути применения универсальных информ; ционных методов кодирования является обычно неизвестная в большей ил меньшей степени статистика источника при поступлении информации с различных источников в режиме реального времени. Это не позволяет ис пользовать перечисленные выше оптимальные методы кодирования. Тольк в последнее время появились интересные результаты в данной области [ ним относятся работы Фитингофа Б.М., Кричевского Р.Е., Рябко Б.Я Штарькова Ю.М.].
К универсальным методам кодирования относится и алгоритм коді рования цифровой информации типа «стопка книг». Данный алгоритм бы исследован Рябко Б.Я. в 1980 году, Ситняковский И.В. в книге «Цифровг сельская связь» приводит результаты исследований по сжатию данным аі горитмом речевых источников информации для случая использования HKN АДМ и ДИКМ входного сигнала. Исследования показали, что применена метода «стопка книг» позволяет сжимать исходную информацию в 2-4 ра: в зависимости от загруженности канала.
Цель настоящей работы. При проведении исследований по возмог ности применения адаптивного алгоритма сжатия цифровой информаци типа «стопка книг» автором решались следующие основные задачи:
исследование возможностей применения алгоритма не только д; речевых источников, но и для произвольных источников звукового диапазі на;
возможная модификация исходного алгоритма для повышения ст< пени сжатия и скорости обработки информации.
Научная новизна работы заключается в следующем:
автором разработана модификация алгоритма типа «стопка книг» использованием кластеризации;
реализована списочная организация алфавита для модифицироваї ного метода с использованием кластеризации, позволяющая снять огранич ния по мощности алфавита, связанные со скоростью обработки информаци
математически доказана эффективность по сжатию модифицир ванного метода типа «стопка книг» с использованием кластеризации і сравнению со стандартным методом;
математически доказано неулучшение верхней границы по сжатию (формации при использовании древовидной структуризации кодового ал-звита источника;
разработан метод предварительного разностного кодирования со і,вигом, повышающий степень сжатия информации звуковых источников.
Практическая значимость. На основании результатов исследований ітор считает перспективным использование разработанных им методик для зименения в линиях связи между речевыми источниками, работающих в жиме реального времени, с высокими требования к качеству передаваемой їчи при скоростях передачи 32 Кбит/с, а также при передачи высококаче-венной музыкальной информации с частотой дискретизации 44 кГц для злучения стерео звучания без увеличения пропускной способности канала сохранении исходного качества передачи. Данные выводы полностью под-іерждаются результатами экспериментов, проведенных на обширном ста-істическом материале.
На защиту выносится:
-
Модифицированный алгоритм сжатия цифровой информации типа «стопка книг» с использованием кластеризации алфавита.
-
Динамические характеристики стандартного и модифицированного методов.
-
Неулучшаемость алгоритма с точки зрения степени сжатия при использовании разбиения алфавита на подмножества.
-
Оценка величины верхней границы избыточности при раздельном кодировании старшей и младшей частей кода входной буквы алфавита.
-
Реализация работы модифицированного метода «стопка книг» в виде списка.
-
Результаты экспериментального исследования использования стандартного и модифицированного методов сжатия цифровой информации типа «стопка книг» для обработки реальных источников звуковой информации.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докалывались на научно-технической конференции факультета «Радиоэлек-зоники и технической кибернетики» Нижегородского государственного ;хнического университета, посвященной 100-летию изобретения Радио А. . Поповым; на международной конференции, объединенной с 50-й науч-
ной сессией, посвященной Дню радио; на научно-технической коиференщ факультета радиоэлектроники и технической кибернетики, посвященной 81 летию Нижегородского Государственного технического университета.
Публикации. Основные теоретические положения, практические р зультаты и выводы, сделанные при работе по теме диссертации, нашли свс отражение в 8 опубликованных печатных работах.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из вв дения, четырех глав, заключения, библиографического списка (38 наимені ваний) и приложения. Основной текст диссертации изложен на 168 стран; цах. Иллюстративный материал представлен в виде 65 рисунков и 15 табли
