Методы вторичного уплотнения телекоммуникационных каналов на основе технологии нестационарного спектрального анализа процессов информационного обмена тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.13, кандидат технических наук Зевиг, Владимир Георгиевич

• Зевиг, Владимир Георгиевич
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Зевиг, Владимир Георгиевич

Введение.

Глава 1. Разработка модели нестационарного вторичного уплотнения телекоммуникационных каналов.

1.1. Классификация существующих методов уплотнения сигналов в ТС.

1.1.1. Сигнальное уплотнение.

1.1.2. Информационное уплотнение.

1.2. Вторичное уплотнение ТС.

1.2.1. Линейное вторичное уплотнение сигналов ТС.

1.3. Обзор методов анализа нестационарных систем.

1.3.1. Обзор положений спектральной теории нестационарных систем.

1.3.2. Сравнение эффективности анализа нестационарных сигналов с помощью Фурье преобразования и спектрального анализа СолодовниковаВ.В.

1.3.3. Модифицированная модель нестационарного вторичного уплотнения телекоммуникационных каналов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы вторичного уплотнения телекоммуникационных каналов на основе технологии нестационарного спектрального анализа процессов информационного обмена»

Актуальность темы.-Одним из основных направлений современного развития телекоммуникационных систем и сетей (ТС) является совершенствование методов и алгоритмов обработки сигналов, позволяющих повысить пропускную способность ТС. В настоящее время ведется развитие альтернативных методов, дополнительно увеличивающих пропускную способность ТС за счет уменьшения избыточности передаваемых сигналов. Одним из таких направлений является вторичное использование каналов ТС, идея которого не нова и реализована в таких системах как ТВ-информ, NICAM-728, Teletext. Анализ данной области показал, что основные исследования и разработки по вторичному использованию каналов проводились в 70 - 80 - е годы и ориентированы на аналоговые системы передачи, что ограничивает их применение в современных • ТС. Существенным недостатком подобных систем является их узкая, направленность на реализацию в конкретномхтандарте вещания.

Наиболее современными и совершенными, с точки зрения- увеличения^ пропускной способности ТС, являются методы вторичного уплотнения сигналов ТС, разработанные на кафедре телекоммуникационных систем УГАТУ под руководством д.т.н., профессора Султанова А.Х. Данные методы позволяют организовать! передачу дополнительных сообщений небольшого объема, по существующим каналам ТС, без нарушения их нормального» функционирования. Основная идея методов заключается в наложении друг на друга эргодических, неортогональных в- гильбертовом пространстве сигналов основного и вторичного каналов с пересекающимися' частотно — временными характеристиками, при условии ограничения их взаимного шумового влияния.

Основными недостатками данного' метода является то, что в нем не учитывается ряд особенностей функционирования современных систем связи:

1) нестационарность уплотняемых сигналов;

2) нестационарность трактов передачи, обусловленная изменением параметров звеньев уплотняемой ТС в ходе эксплуатации, а также возникновение переходных процессов при вторичном уплотнении;

3) критичность к задержкам в процессе передачи сообщений;

4) переход к цифровым системам передачи информации. Следовательно, актуальной является задача разработки методов вторичного уплотнения с учетом нестационарности процессов, протекающих в ТС, позволяющих увеличить скорость передачи вторичных сообщений, сократить временные задержки в основном и вторичном канале, а также обеспечить вторичное уплотнение ТС с учетом новых (в том числе цифровых) технологий связи.

Объект исследования. Цифровые телекоммуникационные системы и сети передачи мультимедийной информации.

Предмет исследования. Методы вторичного уплотнения телекоммуникационных каналов в классе нестационарных систем.

Цель работы. Развитие методов вторичного уплотнения телекоммуникационных каналов в классе нестационарных систем, позволяющих увеличить пропускную способность ТС, а также сократить временные задержки в процессе информационного обмена и обеспечить инвариантность по отношению к типу уплотняемой ТС.

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

1. Разработка модели вторичного уплотнения телекоммуникационных каналов, учитывающей нестационарный характер процессов информационного обмена в ТС.

2. Разработка аналитического метода синтеза спектральных характеристик вторичного сигнала для класса нестационарных гауссовских процессов, обеспечивающего наилучшее выделение сигнала вторичного канала, при ограничении искажения сигнала основного канала.

3. Разработка параметрического метода синтеза нестационарных спектральных характеристик вторичного сигнала, позволяющего производить поиск параметров вторичного сигнала в заданном функциональном классе.

4. Разработка алгоритмов приема сигналов нестационарного вторичного канала в условиях частичной априорной неопределенности и малого соотношения сигнал/шум.

5. Разработка алгоритмического и программного комплекса моделирования вторичного уплотнения цифровых каналов передачи мультимедийных сигналов без сжатия и со сжатием по стандарту MPEG-2.

Научная новизна работы:

1. Разработана модифицированная модель вторичного уплотнения телекоммуникационных каналов, основанная на технологии нестационарного спектрального анализа процессов информационного обмена, которая в отличие от известных моделей, позволяет более качественно описывать процессы в каналах ТС, сократить временные задержки и расширить применимость метода вторичного уплотнения на современные (в том числе цифровые) ТС.

2. Разработан оптимизационный метод вторичного уплотнения каналов, который в отличие от известных методов, учитывает нестационарность процессов информационного обмена в ТС, позволяющий получить оптимальный вид спектральных характеристики вторичного сигнала.

3. Разработан метод параметрического синтеза нестационарной спектральной характеристики сигнала вторичного канала, который в отличие от известных методов, учитывает нестационарность сигналов и трактов ТС, позволяющий определять параметры вторичного сигнала в удобном классе функциональных характеристик и упростить его реализацию.

4. Предложены алгоритмы выделения сигналов нестационарного вторичного канала в условиях частичной априорной неопределенности, которые в отличие от известных алгоритмов, позволяют определять оценки неизвестных спектральных характеристик сигналов основного и вторичного каналов на приемной стороне без передачи параметров сигналов по основным каналам, что дополнительно увеличивает пропускную способность уплотняемой ТС.

Обоснованность и достоверность результатов диссертации.

Обоснованность результатов, полученных в диссертационной работе, базируется на использовании апробированных научных концепций и методов исследования, согласовании результатов с известными теоретическими положениями. Достоверность полученных теоретических положений и выводов подтверждается результатами имитационного моделирования, апробации и внедрения предложенных методик и алгоритмов. ;

Практическая ценность. Практическая значимость полученных результатов заключается в повышении пропускной способности ТС, а также сокращении временных задержек в процессе информационного обмена в цифровых ТС. Как показало: имитационное моделирование, разработанные методы и алгоритмы позволяют увеличить пропускную способность ТС до 20% и уменьшить временную задержку в процессе информационного обмена более чем в 10 раз относительно известного метода вторичного уплотнения

Реализация результатов. Основные результаты диссертационной работы внедрены на участке сети цифрового кабельного телевидения компании ОАО «Уфанет» для организации служебных каналов аутентификации абонентов и , в учебном процессе в Уфимском государственном авиационном техническом университете при. проведении лабораторных и расчетно-графических работ по дисциплине «Основы построения телекоммуникационных систем и сетей».

Основные научные результаты, выносимые на защиту": :

1. Модель вторичного уплотнения каналов ТС на основе технологии нестационарного спектрального анализа Солодовникова В.В.

2. Оптимизационный' метод нестационарного вторичного уплотнения телекоммуникационных каналов. ;

3. Параметрический метод нестационарного вторичного уплотнения телекоммуникационных каналов.

4. Алгоритмы приема сообщений нестационарного вторичного канала в условиях частичной априорной неопределенности.

5. Результаты имитационного моделирования, на основе разработанного программного комплекса, показавшие возможность использования предложенных методов вторичного уплотнения сигналов для повышения пропускной способности, цифровых систем, передачи мультимедийной информации. .

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на 8-й и 9-й Международных научно-технических конференциях «Проблемы техники и технологии, телекоммуникаций», Уфа, Самара, 2007, 2008; 4-й Всероссийской школе семинаре аспирантов и молодых ученых с международным участием «Актуальные проблемы науки и техники», Уфа, 2009, а также на семинарах кафедры. «Телекоммуникационные системы» УГАТУ.

Публикации. Результаты диссертационной работы отражены в 8 публикациях, в. том числе в 2 научных статьях в периодических изданиях из списка ВАК, в 6 материалах международных и российских конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав; заключения; приложения и библиографического списка и изложена на 161 страницах машинописного текста. Библиографический список включает 72 наименования литературы.

Заключение диссертации по теме «Системы, сети и устройства телекоммуникаций», Зевиг, Владимир Георгиевич

4.3. Основные результаты и выводы по четвертой главе

1. На основе методов оптимизационного синтеза нестационарной спектральной характеристики сигнала вторичного канала и двумерной нестационарной передаточной функции фильтра выделения, рассмотренных во второй главе, разработаны алгоритмы и проведено компьютерное моделирование нестационарного вторичного уплотнения цифрового звукового сигнала формата WAV и цветоразностных компонент цифрового видеопотока без сжатия. Результаты моделирования показали, что в звуковом сигнале без сжатия с частотой дискретизации 44100 Гц возможна организация дополнительного (скрытого) канала связи со скоростью передачи в канале 1600 бит/секунду при уровне искажения звукового сигнала не воспринимаемом человеком. В цветоразностных сигналах Сг и СЬ цифрового видеопотока без сжатия, полученного в результате построчной развертки изображения размером 720x525, возможна организация вторичного канала со скоростью 1890000 бит/секунду. При этом искажения исходного изображения имеют приемлемый уровень. По сравнению с существующим методом вторичного уплотнения, скорость передачи вторичных сообщений возросла в 7,8 раза, задержка при передаче сигнала вторичного канала уменьшилась в 30x103 раз, вероятность ошибки при приеме вторичного сообщения составила рош =3х10~5.

2. Проведено компьютерное моделирование нестационарного вторичного уплотнения сжатого цифрового потока видео стандарта MPEG-2. Уплотнение проводилось на основе оптимизационного метода для главного уровня главного профиля стандарта. Скорость передачи вторичных сообщений составила 31104 бит/секунду и 66096 бит/секунду для структуры GOP 15/3 и GOP 4/1, соответственно. При этом при переходе к более высоким уровням стандарта увеличение канальной скорости может составить от 2,5 до 17 раз. Вероятность ошибки при приеме вторичного сообщения составила рош=2х10~5. Таким образом, метод оптимизационного синтеза нестационарной спектральной характеристики сигнала вторичного канала также может быть использован в ТС передачи цифровых сигналов с устраненной избыточностью.

3. На основе метода параметрического синтеза, рассмотренного в третьей главе, проведено моделирование нестационарного вторичного уплотнения цветоразностных компонент Cr, СЬ несжатого цифрового видеопотока. В качестве сигналов вторичного канала использовались узкополосные фазоманипулированные сигналы. По сравнению с известным методом вторичного уплотнения, скорость во вторичном канале увеличилась на 40 %, задержка уменьшилась в 4х103 раз, при сопоставимом уровне искажения сигнала основного канала. Таким образом, метод параметрического синтеза характеристик сигнала нестационарного вторичного канала позволяет организовать вторичный канал с меньшей скоростью и большей задержкой, относительно оптимизационного метода, но имеет более простой алгоритм реализации. Вероятность ошибки при приеме вторичного сообщения составила Рош =3х10"5.

142

Заключение

1. Разработана модифицированная модель вторичного уплотнения телекоммуникационных каналов, основанная на технологии нестационарного спектрального анализа процессов информационного обмена, что позволяет более качественно описывать процессы в каналах ТС, сократить временные задержки и увеличить пропускную способность современных (в том числе цифровых) ТС.

2. Разработан оптимизационный метод нестационарного вторичного уплотнения каналов, базирующийся на анализе нестационарных свойств сигналов и трактов ТС с помощью аппарата спектральной теории Солодовникова В.В., позволяющий получить оптимальный вид характеристики вторичного сигнала, обеспечивающий его наилучшее выделение при ограничении искажения основного сигнала. Метод позволяет повысить скорость передачи вторичных сообщений в 7,8 раза и сократить временные задержки более чем в 103 раз.

3. Разработан метод параметрического синтеза нестационарной спектральной характеристики сигнала вторичного канала, основанный на анализе нестационарных свойств сигналов и трактов ТС с помощью аппарата спектральной теории Солодовникова В.В., позволяющий определять параметры вторичного сигнала в удобном классе функциональных характеристик. Метод позволяет упростить практическую реализацию вторичного уплотнения, а также повысить пропускную способность вторичного канала на 40 %, сократить временную задержку более чем в 10 раз.

4. Предложены алгоритмы выделения сигналов нестационарного вторичного канала в условиях частичной априорной неопределенности, на основе алгоритма корреляционного когерентного приема, позволяющие определять оценки неизвестных нестационарных спектральных характеристик сигналов основного и вторичного каналов на приемной стороне без передачи информации о параметрах сигналов по основным каналам.

5. Разработан программный комплекс имитационного моделирования нестационарного вторичного уплотнения цифровых систем передачи мультимедийной информации без сжатия, а также стандарта MPEG-2, базирующийся на предложенных методах и алгоритмах. Как показало имитационное моделирование, разработанные методы и алгоритмы позволяют увеличить пропускную способность ТС до 20% и уменьшить временную задержку в процессе информационного обмена более чем в 10 раз относительно известного метода вторичного уплотнения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Зевиг, Владимир Георгиевич, 2009 год

1. Аболиц И.А., Лев А.Ю. Многоканальная связь. Под ред. Аболица И.А. — М.: «Связь», 1971.-493 е.: ил.

2. Антомонов Ю.Г. Синтез оптимальных систем. Киев: Наукова думка, 1972.-320 с.

3. Баева Н.Н., Гордиенко В.Н., Курицын С.А. и др. Многоканальные системы передачи: Учебник для вузов. Под ред. Баевой Н.Н., Гордиенко В.Н. — М.: Радио и связь, 1997. — 560 е.: ил.

4. Болтянский В.Г. Математические методы оптимального управления. -М.: Наука, 1969,- 408 с.

5. Быков Р.Е. Теоретические основы телевидения. Учеб. для вузов. — СПб.: издательство «Лань», 1998. — 288 е.: ил.

6. Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. М.: Радио и связь, 1985.-384 с.

7. Ватолин Д., Рутяшняк А., Смирнов М., Юкин В. Методы сжатия данных. Устройство архиваторов. Сжатие изображений и видео. М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 2003. - 384 с.V

8. Вентцель Е.С. Теория вероятностей.- М.: Высшая школа, 2002 575 с. f

9. Гольденберг Л.М. Цифровая обработка сигналов. — М.: Радио и связь, 1990.-256 е.: ил.

10. ГОСТ Р 50822-95. Система «ТВ-ИНФОРМ». Основные параметры. Госстандарт России. М., 1996. — 11 с.

11. Трибунов В.Г., Оков И.Н., Туринцев И.В. Цифровая стеганография. -М.: Солон-пресс, 2002. 272 с.

12. Добеши И. Десять лекций по вейвлетам. — Ижевск.: «РХД», 2004.464 с.

13. Евтушенко Ю.Г. Методы решения экстремальных задач и их применение в системах оптимизации. М.: Наука, 1982. - 457 с.

14. Жданов P.P. Диссертация «Методы и алгоритмы вторичного уплотнения сигналов в многомерных многоканальных телекоммуникационных системах» на соискание учёной степени кандидата технических наук. Уфа, 2006.- 173 с.

15. Зевиг В.Г. Сравнение методов анализа- сигналов в задаче синтеза нестационарного вторичного канала ТС // Проблемы техники и технологий телекоммуникаций: Материалы Девятой Международной научно-технической конференции. Казань, 2008. - с. 67 - 68.

16. Зевиг В.Г., Жданов P.P. Об особенностях синтеза характеристик сигналов нестационарного вторичного канала ТС // Проблемы техники и технологий» телекоммуникаций: Материалы Девятой Международной научно-технической конференции. Казань, 2008. - с. 65 - 67.

17. Зевиг В.Г., Кузнецов И.В., Султанов А.Х. Вторичное уплотнение нестационарных сигналов критериальными методами // Инфокоммуникационные технологии, 2009, Том 7, №2, с. 97 102.

18. Иванов В.И., Гордиенко В.Н., Попов Г.Н. и др. Цифровые и аналоговые системы передачи: учебник для вузов. Под ред. В.И.Иванова. М.: Радио и связь, 1995. - 232 е.: ил.

19. Красильников Н.Н. Теория передачи и восприятия изображений. — М.: «Радио и связь», 1986.-248с.

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

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

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

23. Кузнецов И.В. Диссертация «Координированное управление процессами информационного обмена в многоканальных телекоммуникационных системах» на соискание учёной степени доктора технических наук. — Уфа, 2008. — 365 с.

24. Кузнецов И.В., Зевиг В.Г. Критериальный синтез нестационарного вторичного канала ТС // Проблемы техники и технологий телекоммуникаций: Материалы Девятой Международной научно-технической конференции. -Казань, 2008. с. 68 - 70.

25. Кузнецов И.В., Зевиг В.Г., Жданов P.P. Анализ изображений спектральным методом Солодовникова В.В. // Проблемы техники и технологий \ телекоммуникаций: Материалы Девятой Международной научно-технической конференции. Казань, 2008. - с. 70 - 72.

26. Ланкастер П. Теория матриц. Пер. с англ. М.: Наука, 1982 г. - 272 с.

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

28. Лейтман Дж. Введение в теорию оптимального управления. М.: Наука, 1968 г.- 190 с.

29. Липаев В.В. Проектирование программных средств. М.: Высшая школа, 1990 г. - 302 с.

30. Маркел Дж, Грей А. Линейное предсказание речи. Пер. с англ. / Под ред. Прохорова Ю.Н., Звездина B.C. М.: Связь, 1980. - 308 е., ил.

31. Нефедов В.Н., Осипова В.А. Курс дискретной математики. М.: Издательство МАИ, 1992. - 264 с.

32. Никитин Г.И. Применение функций Уолша в сотовых системах связи с кодовым разделением каналов: Учеб. Пособие. СПб.: СПбГУАП, 2003. - 86 с.:ил.

33. Поршнев С.В. MATLAB 7. Основы работы и программирования. — М.: Бином, 2006.-320 с.

34. Прокис Дж. Цифровая связь. Пер. с англ./ Под. ред. Д.Д. Кловского. — М.: Радио и связь, 2000. 800с.

35. Птачек М. Цифровое телевидение. Теория и техника. Пер. с чешек, под ред. Виленчика JI.C. — М.: Радио и связь, 1990, — 528с.: ил.

36. Ройтенберг Я.Н. Автоматическое управление. — М.: Наука, 1978551с.

37. Рыбин В.В. Описание сигналов и линейных нестационарных систем управления в базисах вейвлетов и их анализ в вычислительных средах. Учебное пособие. М.: Изд-во МАИ, 2003. - 96 с. ил.

38. Самойлов В.Ф., Хромой Б.П. Основы цветного телевидения. — М.: Радио и связь, 1983. — 160 с.

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

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

41. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение, 2-е изд. — М.: изд. дом «Вильяме», 2003. — 1104 е.: ил.

42. Смит Д.М. Математическое и цифровое моделирование для инженеров и исследователей. Пер. с англ. -М.: Машиностроение. 1980. 271 с.

43. Солодовников В. В., Семёнов В. В. Спектральная теория нестационарных систем управления. — М.: Наука, 1974. 335 с.

44. Сосулин Ю.Г. Теория обнаружения и оценки стохастических сигналов. — М.: Советское радио, 1978. 320 с.

45. Султанов А. X., Кузнецов И. В., Блохин В. В. Сигнальные и структурные методы повышения информационной ёмкости телекоммуникационных систем. — М.: Радио и связь, 2006. — 325 с.

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

47. Тихонов В:И. Нелинейные, преобразования^ случайных процессов. — М.: Радио и связь, 1986, 295 с.

48. Финки Д;! Введение в теорию планирования экспериментов. — Mi,: Наука-1970,-287 с.

49. Цейтлин,Я.М. Проектирование оптимальных линейных систем. Л.: «Машиностроение». 1973 240 с.

50. Benliam 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.

51. Cox I'J-, Kilian ., 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.

52. ETSI EN 300 163. Television systems; NICAM-728: transmission of two-channel digital sound with terrestrial television systems B, G, H, I, К1 and L. 1998. -24 p.

53. ITU-R Recommendation BT.653-3: Teletext systems. 1998. 21 p.

54. Koch E., Zhao J. Towards Robust and Hidden Image Copyright Labeling // IEEE Workshop on Nonlinear Signal and Image Processing. 1995. p. 123 — 132.

55. Kuznetsov I.V. The Inverse Direct Optimal Method of Kalman-Bucy Filtration Application for Additive Hidden Channel Characteristics Synthesis // CSIT'2003 Computer Science and Information Technologies, T2 conference. - p. 189 - 194.

56. Marvel L. Image Steganography for hidden communication. PhD Thesis. Univ.of Delaware, 1999. 115 p.

57. Rabiner L.R., Young B-H. Fundamentals of the speech recognition // Prentice Hall, Englewood Cliffs, NJ, 1993. 257 p.

58. Ramkumar M. Data Hiding in Multimedia. PhD Thesis. New Jersey Institute of Technology, 1999. 72p.