СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ И ПРИЕМА ИНФОРМАЦИИ
INFORMATION TRANSMISSION AND RECEPTION SYSTEM

Изобретение относится к технике связи, а точнее - к системам передачи и приема информации (СППИ) посредством цифровой связи. Проблема увеличения технико-экономической эффективности систем передачи и приема информации с учетом всех компонентов, влияющих на ее стоимость и технические показатели, в том числе повышения информационной вместимости без потери информации, рационального хранения и передачи сообщений является актуальной, что, в свою очередь, требует развития и совершенствования систем передачи и приема информации.
Известна система передачи и приема информации [Радиотехника: Энциклопедия/ под ред. Ю.Л.Мазора и др. -М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2002, с.63-64], признаки которой реализованы, по  существу, во всех соответствующих системах и являющаяся аналогом предлагаемому техническому решению. Эта система содержит функционально последовательно связанные источник информации, физико-электрический преобразователь информации, кодер, передающее устройство, канал связи, приемное устройство, декодер, электрофизический преобразователь информации, потребитель информации.
Известна система передачи и приема информации [Скляр Бернард. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е испр.: пер. с англ. -М.: Издательский дом «Вильямс», 2004. - 1104, с.32-36], содержащая последовательно функционально связанные источник информации, подсистему формирования цифрового потока двоичных битов и включающая при необходимости блок форматирования, блок сжатия и блок уплотнения, преобразователь цифрового потока в поток сигналов, передатчик, канал связи, приемник, преобразователь потока сигналов в цифровой поток, подсистему преобразования, функции которой обратны функциям подсистемы формирования, потребитель информации и функционально связанная с ними подсистема синхронизации.
j
j
Сущность изобретения направлена на повышение технико-экономической эффективности СППИ при необходимости от нескольких источников информации к ее потребителям посредством цифровой связи благодаря тому, что на передающей стороне каждый источник информации функционально связан с подсистемой формирования первичного цифрового потока двоичных битов, выполненной с возможностью идентификации кодов первичного цифрового потока двоичных битов из набора двоичных кодов 0 и 1, подсистема соединена с блоком преобразования первичного цифрового потока двоичных битов, выполненного с возможностью выделения последовательных групп с заданным числом p битов в группе, идентификации для каждой группы соответствующей ей последовательности двоичных кодов, считывания соответствующего этой группе числа в двоичной системе счисления и перевода его в число n в десятичной системе счисления и взаимно однозначного преобразования каждой группы битов в упорядоченную совокупность битов с соответствующей последовательностью кодов этих битов. При этом указанный блок преобразования выполнен с возможностью введения дополнительно к значениям набора двоичных кодов 0 и 1 других заданных значений кодов, причем коды с первого до предпоследнего в последовательности кодов, соответствующих упорядоченной совокупности битов, могут принимать значения только из набора двоичных кодов 0 и 1, а последний код K может принимать значения только из М дополнительно введенных значений кодов. На приемной стороне система содержит блок восстановления первичного цифрового потока двоичных битов, выполненный с возможностью идентификации каждого из последовательно принимаемых битов двоичным кодам 0, 1 и кодам из набора дополнительно введенных значений кодов и идентификации упорядоченной совокупности битов и соответствующей ей последовательности кодов, расположенных между предыдущим принятым битом с кодом из набора дополнительно введенных значений кодов и последующим принятым битом с кодом из набора дополнительно введенных значений кодов, включая его. Этот блок выполнен с возможностью восстановления числа n в десятичной системе счисления через известное на приемной стороне значение М, идентифицированное значение K, перевода его в число двоичной системы счисления, содержащее указанные и известные на приемной стороне p позиций, соответствующих p позициям двоичных кодов битов в группе, и формирования восстанавливаемого первичного цифрового потока двоичных битов группы соответственно из битов со значениями кодов, соответствующих двоичным цифрам 0, 1 полученного таким образом двоичного числа.
1
2
j
J-1
j
<mrow><mi>J</mi><mo>=</mo><mi>t</mi><mi>r</mi><mi>a</mi><mi>n</mi><mi>c</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mrow><mi>log</mi></mrow><mn>2</mn></msub><mi>i</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mn>1,</mn><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Для достижения указанного технического результата в системе передачи и приема информации при необходимости от нескольких источников информации к ее потребителям посредством цифровой связи на передающей стороне каждый источник информации функционально связан с подсистемой формирования первичного цифрового потока двоичных битов, выполненной с возможностью идентификации кодов первичного цифрового потока двоичных битов из набора двоичных кодов 0 и 1 и включающей при необходимости, в том числе, для каждого источника информации свой блок форматирования информации в цифровой поток двоичных битов и/или свой блок сжатия цифрового потока двоичных битов одним из известных методов, а при наличии нескольких источников информации подсистема включает блок уплотнения синхронизированных двоичных цифровых потоков в первичный цифровой поток двоичных битов, указанная подсистема соединена с входом блока преобразования первичного цифрового потока двоичных битов, имеющего первый, а при необходимости и второй, выход, указанный блок выполнен с возможностью выделения в указанном потоке последовательных групп с заданным числом p битов в группе и идентификации для каждой группы соответствующей ей последовательности двоичных кодов, считывания соответствующего этой группе числа в двоичной системе счисления и преимущественно перевода его в число n в десятичной системе счисления, взаимно однозначного преобразования каждой группы битов в упорядоченную совокупность из J битов с соответствующей последовательностью кодов этих битов (K, K,…,K…,K,K), где индекс принимает значения от 1 до J,
j
<mrow><msub><mi>K</mi><mi>J</mi></msub><mo>=</mo><mi>n</mi><mo>−</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>i</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>M</mi><mo>+</mo><mn>2,</mn><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где i=n diνM+1, tranc(X) - целая часть числа Х, A diνB - целая часть при делении целого числа А на целое число В, а М - количество значений кодов, введенных дополнительно к значениям набора двоичных кодов 0 и 1, причем код K принимает значение из набора М дополнительно введенных значений 2, …, М+1 в соответствии с выражением
j
j
j-1
0
<mrow><msub><mi>K</mi><mi>j</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>l</mi><mrow><mi>j</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msub><mi>mod</mi><mn>2,</mn><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
и при J=1 указанная последовательность кодов состоит только из него, а при J>1 возможные коды K в указанной последовательности кодов принимают значения только из набора двоичных кодов 0 и 1 для значений индекса j от 1 до J-1 через параметры l=ldiν2, где l=i, в соответствии с выражениями
0
1
2
M+1
1
2
j
J-1
j
j
j
<mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mi>M</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>i</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>K</mi><mi>J</mi></msub><mo>−</mo><mn>2,</mn><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где A mod В - остаток при делении целого числа А на целое число В, и возможностью формирования таким образом вторичного цифрового потока битов, соответствующих указанной преобразованной последовательности кодов, также при необходимости дальнейшей синхронизированной передачи информации по каналу связи система содержит блок преобразования вторичного цифрового потока битов в поток сигналов, совместимых с каналом связи, например, посредством идентификации кода каждого передаваемого бита и формирования сигнала, взаимно однозначно соответствующего значению этого кода, из совокупности сигналов S, S, S, …, S с общим их количеством М+2, в которых индексы сигналов взаимно однозначно соответствуют значениям кодов из набора двоичных кодов 0, 1 и дополнительно введенных значений кодов 2, …, М+1, указанный блок преобразования вторичного цифрового потока битов снабжен входом и выходом, вход которого соединен с первым выходом блока преобразования первичного цифрового потока двоичных битов, а выход подключен к передатчику, функционально связанному через канал связи, совместимый с передаваемыми сигналами, с приемником, который подключен к входу блока преобразования потока сигналов во вторичный цифровой поток битов, имеющего первый, а при необходимости и второй выход, первый выход указанного блока преобразования потока сигналов соединен с входом введенного в систему блока восстановления первичного цифрового потока двоичных битов, выполненный с возможностью идентификации каждого из последовательно принимаемых битов двоичным кодам 0, 1 и кодам из указанного набора М дополнительно введенных значений 2, …, М+1 и идентификации упорядоченной совокупности битов и соответствующей ей последовательности кодов этих битов (K, K, …, K…, K, K), расположенных между предыдущим принятым битом с кодом из набора дополнительно введенных значений кодов и последующим принятым битом с кодом из набора дополнительно введенных значений кодов, включая его, а также с возможностью замены в указанной последовательности кодов кода со значением K на код со значением 1, считывания в обратном порядке в полученной последовательности кодов двоичных цифр и перевода полученного таким образом числа в двоичной системе счисления в упомянутое соответствующее ему число i в десятичной системе счисления, кроме того, блок восстановления первичного цифрового потока двоичных битов выполнен с возможностью через известное на приемной стороне значение М, идентифицированное значение K и полученное число i восстановления упомянутого числа n в десятичной системе счисления в соответствии с выражением
перевода его в число двоичной системы счисления, содержащее указанные и известные на приемной стороне р позиций, соответствующих р позициям двоичных кодов битов в группе, и формирования восстанавливаемого первичного цифрового потока двоичных битов группы соответственно из битов со значениями кодов, соответствующих двоичным цифрам 0, 1 полученного таким образом двоичного числа, также указанный блок восстановления выполнен с возможностью восстановления первичного цифрового потока двоичных битов при приеме последующих групп, а выход указанного блока восстановления первичного цифрового потока двоичных битов функционально соединен через введенную, при необходимости, подсистему преобразования, функции которой обратны функциям указанной подсистемы формирования на передающей стороне, с потребителями информации, а при необходимости система на передающей стороне содержит блок преобразования одним из известных способов и сохранения на носителях информации вторичного цифрового потока битов, соединенный своим входом со вторым выходом блока преобразования первичного цифрового потока двоичных битов, и/или на приемной стороне содержит блок преобразования одним из известных способов и сохранения на носителях информации вторичного цифрового потока битов, соединенный своим входом со вторым выходом блока преобразования потока сигналов во вторичный цифровой поток битов, также указанные блоки преобразования и сохранения выполнены с возможностью при считывании с носителя воспроизведения вторичного цифрового потока битов, восстановления по нему первичного цифрового потока двоичных битов, кроме того, при необходимости указанные блоки преобразования и сохранения содержат подсистемы преобразования, функции которых аналогичны функциям указанной подсистемы преобразования на приемной стороне, также система содержит подсистему синхронизации, функционально связанную с ее блоками и подсистемами.
В существующем уровне техники не выявлено источников информации, которые содержали бы сведения об объектах того же назначения с указанной совокупностью отличительных признаков, что позволяет считать СППИ по настоящему изобретению новым и имеющим изобретательский уровень.
Ниже изобретение описано более детально со ссылками на чяертеж, на котором показана заявляемая система. Она содержит при необходимости несколько источников информации 1 и последовательно функционально связанные подсистему 2 формирования первичного цифрового потока двоичных битов, блок 3 преобразования первичного цифрового потока двоичных битов, блок 4 преобразования вторичного цифрового потока битов в поток сигналов, передатчик 5, канал связи 6, приемник 7, блок 8 преобразования потока сигналов во вторичный цифровой поток битов, блок 9 восстановления первичного цифрового потока двоичных битов, подсистему преобразования 10, потребителей информации 11, блоки 12 и 13 преобразования и сохранения вторичного цифрового потока битов, соответственно, на передающей и приемной сторонах, подсистему синхронизации 14.
Предложенная система работает следующим образом. При необходимости информацию передают от нескольких источников 1. Информация от каждого источника может быть, в том числе, сжата, например, с использованием двоичного кодирования Хаффмана, и при наличии нескольких источников уплотнена. В любом случае обязательным условием является формирование на передающей стороне в подсистеме 2 первичного цифрового потока двоичных битов и идентификация кодов двоичных битов потока из набора двоичных кодов 0 и 1.
1
2
j,
J-1
j
j
j
В блоке 3 в указанном потоке выделяют последовательные группы с заданным числом р битов в группе. Для каждой группы идентифицируют соответствующую ей последовательность двоичных кодов, считывают соответствующее этой группе число в двоичной системе счисления и преимущественно переводят его в число n в десятичной системе счисления. Каждую группу битов взаимно однозначно преобразуют в упорядоченную совокупность из J битов с соответствующей последовательностью кодов этих битов (K, K, …, K…, K, K). Здесь J определяется в соответствии с выражением (1). Код K принимает значение из набора М дополнительно введенных значений 2, …, М+1 в соответствии с выражением (2). При J=1 указанная последовательность кодов состоит только из кода K. При J>1 возможные коды К принимают значения только из набора двоичных кодов 0 и 1 для значений индекса j от 1 до J-1 в соответствии с выражениями (3). Таким образом, формируют вторичный цифровой поток битов, соответствующих указанной преобразованной последовательности кодов.
0
1
2
M+1
1
2
j,
J-1
j
j
j
При необходимости дальнейшей синхронизированной передачи информации по каналу связи в блоке 4 преобразуют вторичный цифровой поток битов в поток сигналов, совместимых с каналом связи. Это производят, например, посредством идентификации кода каждого передаваемого бита и формирования сигнала, взаимно однозначно соответствующего значению этого кода, из совокупности сигналов S, S, S, …, S с общим их количеством М+2. Индексы сигналов взаимно однозначно соответствуют значениям кодов из набора двоичных кодов 0,1 и дополнительно введенных значений кодов 2, …, М+1. Сигналы поступают на передатчик 5 и по каналу связи 6 их передают на приемник 7, где их синхронизированно принимают и в блоке 8 преобразуют во вторичный цифровой поток битов. В блоке 9 каждый из последовательно принимаемых битов идентифицируют двоичным кодам 0, 1 и кодам из набора М дополнительно введенных значений 2, …, М+1. Также в нем идентифицируют упорядоченную совокупность битов и соответствующую ей последовательность кодов этих битов (K, K,…, K…, K, K), расположенных между предыдущим принятым битом с кодом из набора дополнительно введенных значений кодов и последующим принятым битом с кодом из набора дополнительно введенных значений кодов, включая его. При этом в указанной последовательности кодов заменяют код со значением K на код со значением 1. В полученной последовательности кодов считывают в обратном порядке двоичные цифры. Полученное таким образом число в двоичной системе счисления переводят в упомянутое соответствующее ему число i в десятичной системе счисления. Далее через известное на приемной стороне значение М, идентифицированное значение K и полученное число i, восстанавливают упомянутое число n в десятичной системе счисления в соответствии с выражением (4). Это число переводят в число двоичной системы счисления, содержащее указанные и известные на приемной стороне р позиций двоичной системы счисления, соответствующих р позициям двоичных кодов битов в группе. Восстанавливаемый первичный цифровой поток двоичных битов группы формируют соответственно из битов со значениями кодов, соответствующих двоичным цифрам 0, 1 полученного таким образом двоичного числа. При приеме последующих групп указанные действия повторяют и восстанавливают первичный цифровой поток двоичных битов. Этот поток в подсистеме 10 формируют в удобном для потребителей 11 виде и подают к ним.
Кроме того, при необходимости вторичный цифровой поток битов на передающей стороне в блоке 12 и/или на приемной стороне в блоке 13 одним из известных способов преобразуют и сохраняют на носителях информации. При считывании с носителя воспроизводят вторичный цифровой поток битов, по нему восстанавливают первичный цифровой поток двоичных битов и при необходимости производят действия, указанные после восстановления первичного цифрового потока двоичных битов.
p
Количество всех вариантов битов в группах с заданным числом р битов в группе определяется как 2. Например, при заданном р=5 количество вариантов битов в группах равно 32. Ниже в таблице показаны эти возможные 32 упорядоченных варианта битов в группах в двоичной системе счисления, которые могут встретиться в первичном цифровом потоке двоичных битов, соответствующие им указанные числа n в десятичной системе счисления и последовательности кодов, соответствующие упорядоченным совокупностям из J битов, полученным при взаимно однозначных преобразованиях групп битов по предлагаемому способу для различных значений М.                 Таблица 1.
Возможные варианты битов в группах в двоичной системе счисления
Числа n в десятичной системе счисления
Коды М=1
Коды М=2
Коды М=3
Коды М=4
Коды М=5
Коды М=6
Коды M=7
00000
0
2
2
2
2
2
2
2
00001
1
02
3
3
3
3
3
3
00010
2
12
02
4
4
4
4
4
00011
3
002
03
02
5
5
5
5
00100
4
102
12
03
02
6
6
6
00101
5
012
13
04
03
02
7
7
00110
6
112
002
12
04
03
02
8
00111
7
0002
003
13
05
04
03
02
01000
8
1002
102
14
12
05
04
03
01001
9
0102
103
002
13
06
05
04
01010
10
1102
012
003
14
12
06
05
01011
11
0012
013
004
15
13
07
06
01100
12
1012
112
102
002
14
12
07
01101
13
0112
113
103
003
15
13
08
01110
14
1112
0002
104
004
16
14
12
01111
15
00002
0003
012
005
002
15
13
10000
16
10002
1002
013
102
003
16
14
10001
17
01002
1003
014
103
004
17
15
10010
18
11002
0102
112
104
005
002
16
10011
19
00102
0103
113
105
006
003
17
10100
20
10102
1102
114
012
102
004
18
10101
21
01102
1103
0002
013
103
005
002
10110
22
11102
0012
0003
014
104
006
003
10111
23
00012
0013
0004
015
105
007
004
11000
24
10012
1012
1002
112
106
102
005
11001
25
01012
1013
1003
113
012
103
006
11010
26
11012
0112
1004
114
013
104
007
11011
27
00112
0113
0102
115
014
105
008
11100
28
10112
1112
0103
0002
015
106
102
11101
29
01112
1113
0104
0003
016
107
103
11110
30
11112
00002
1102
0004
112
012
104
11111
31
000002
00003
1103
0005
113
013
105
<mrow><mi>d</mi><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow><mrow><msup><mn>2</mn><mi>p</mi></msup><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></munderover><mrow><msub><mi>k</mi><mi>n</mi></msub></mrow></mstyle></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><msup><mn>2</mn><mi>p</mi></msup></mrow>
Приведем для заданных значений М значения средних длин кодов (среднее количество битов, приходящихся на одну совокупность битов), определяемых как
,
n
где k - количество битов в указанной совокупности битов с номером n:
d=4,219 при M=1, d=3,375 при М=2, d=2,969 при М=3, d=2,625 при М=4, d=2,375 при М=5, d=2,250 при М=6, d=2,125 при М=7.
Как видим, система позволяет существенно сжать передаваемую или сохраняемую информацию.
2
2
3
j
0
1
0
1
0
2
1
1
2
3
3
j
Покажем процедуру передачи и приема одной группы битов. Зададим число битов в группе, равным 5 (р=5), и номер группы n=3. Этому номеру соответствует вариант битов 00011. Зададим число дополнительно введенных значений кодов М=1. Тогда значение i=ndiνM+1=3diνM+1=4 и общее число битов (и кодов битов) в указанной совокупности равно J=tranc(logi)+1=tranc(log4)+1=3. При этом значение последнего кода в указанной последовательности кодов равно K=n-(i-1)М+2=3-(4-1)×1+2=2. Другие коды последовательности определяются через l как l=i=4, l=ldiν2=4diν2=2. Тогда K=lmod2=4 mod2=0, K=lmod2=2mod2=0. Итак, совокупность кодов K, K, K есть 002. Их преобразуют в поток сигналов, взаимно однозначно соответствующих значениям кодов. При приеме сигналы обратно преобразуют в цифровые потоки битов, каждый из последовательно принимаемых битов идентифицируют двоичным кодам 0, 1 и коду 2. При приеме бита с кодом 2 идентифицируют упорядоченную совокупность битов и соответствующую ей последовательность кодов этих битов 002. В этой последовательности заменяют код 2 на код 1, получая 001, и считывают его в обратном порядке. Полученное в двоичной системе счисления число 100 переводят в соответствующее ему число i в десятичной системе счисления (i=4). Через известное на приемной стороне значение М=1, идентифицированное значение K=2 и полученное число i=4 восстанавливают номер n группы в десятичной системе счисления n=M(i-1)+K-2=1×(4-1)+2-2=3. В двоичной системе счисления оно равно 11 и при его переводе в р=5 позиций двоичной системы счисления оно соответствует варианту битов в группе 00011.
Проиллюстрируем возможности заявляемой системы на примере передачи следующего первичного цифрового потока двоичных битов: 00101001000010100011001100010001011 - количество битов в потоке 35, использованы 2 вида элементарных сигналов (0 и 1).
При передаче этого потока в предложенной системе и выделении в потоке последовательных групп с заданным числом р=5 битов в группе получаются следующие результаты:
при М=1: 0121020120021121020012 - количество битов в потоке 22, использованы 3 вида элементарных сигналов (0, 1 и 2),
при М=2: 1312130300212013 - количество битов в потоке 16, использованы 4 вида элементарных сигналов (0, 1, 2 и 3),
при М=4: 0302035040215 - количество битов в потоке 13, использованы 6 видов элементарных сигналов (0, 1, 2, 3, 4 и 5).
Отметим, что с увеличением М степень сжатия сообщения увеличивается, но при этом реализация усложняется из-за увеличения количества видов используемых элементарных сигналов, поэтому в каждом конкретном случае применения системы следует находить компромисс между степенью сжатия сообщения и усложнением реализации.
Таким образом, предложена система с более эффективной передачей (и хранением) информации, позволяющая затратить на передачу информации меньше времени и соответственно увеличить информационную вместимость канала связи, при хранении же используется меньше площади/объема носителя. Система проста в реализации с использованием современной элементной базы, т.к. алгоритм кодирования и восстановления информации представлен в виде простых выражений. Также при передаче и приеме информации осуществляют ее сжатие без потерь и не требуются разделители между символами.
Промышленная применимость. Настоящее изобретение может быть применено для развития и совершенствования существующих и перспективных систем связи. СППИ по данному изобретению позволяет эффективно использовать ресурс. Проведенный анализ позволил установить: аналоги с совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленной системы условию «новизны». Результаты поиска известных решений в области СППИ с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от известных признаками заявляемой системы, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».