Методы и алгоритмы уплотнения гомогенных сигналов в многоканальных телекоммуникационных системах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.13, кандидат технических наук Городецкий, Иван Иванович

• Городецкий, Иван Иванович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Городецкий, Иван Иванович

Введение

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

1.1. Особенности уплотнения гомогенных сигналов

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

1.2.1. Временное уплотнение телевизионного сигнала

1.2.2. Частотное уплотнение телевизионного сигнала

1.2.3. Поляризационное уплотнение телевизионного сигнала

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

1.3.1. Нелинейный метод скрытия данных в пространственной области

1.3.2. Линейный метод скрытия данных в пространственной области

1.3.3. Нелинейный метод скрытия данных в области преобразования

1.3.4. Линейный метод скрытия данных в области преобразования

1.4. Перспективы разработки методов уплотнения для систем передачи видеоизображений

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

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

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

2.2.1. Определение спектральной функции вторичного сигнала

2.2.2. Определение передаточной функции устройства воспроизведения вторичного сигнала

2.2.3. Экспериментальное исследование уплотнения гомогенных сигналов двухканальной телекоммуникационной системы

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

2.3.1. Синтез корреляционной функции вторичного сигнала

2.3.2. Определение весовой функции устройства воспроизведения коррелированного сигнала вторичного канала

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

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

2.5.1. Фильтровый метод синтеза вторичного сигнала

2.5.2. Модуляционный метод синтеза вторичного сигнала

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы и алгоритмы уплотнения гомогенных сигналов в многоканальных телекоммуникационных системах»

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

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

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

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

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

Научная новизна работы заключается в следующем:

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

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

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

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

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

Основные результаты, выносимые на защиту:

1. Новые модели вторичного уплотнения сигналов.

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

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

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

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

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

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

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.

Заключение диссертации по теме «Телекоммуникационные системы и компьютерные сети», Городецкий, Иван Иванович

Основные результаты работы заключаются в следующем:

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

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

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

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

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

150

Заключение

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Городецкий, Иван Иванович, 2004 год

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

40. Председатель комиссии, Начальник отдела организации

41. Инженер Уфимского цеха PPJIи-в- Матвеев