СПОСОБ СЖАТОГО ПОМЕХОУСТОЙЧИВОГО КОДИРОВАНИЯ ДАННЫХ ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ И ХРАНЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ
METHOD FOR COMPRESSION INTERFERENCE-RESISTANT DATA ENCODING FOR TRANSMITTING AND STORING INFORMATION

Изобретение относится к системам телекоммуникации и к компьютерной технике. Оно может быть использовано в системах передачи данных по каналам связи для разрешения противоречия между требуемыми высокими показателями скорости передачи информации и ограниченной пропускной способностью каналов связи, которая зависит, в том числе, и от интенсивности воздействия на передаваемые сообщения помех различного происхождения. Также изобретение может быть использовано для хранения больших объемов передаваемой и принятой информации с обеспечением их защиты от ошибок, появляющихся, например, в результате действия на радиоэлектронную аппаратуру космического излучения.
Его использование позволяет:
1) повысить показатели помехозащищенности передаваемой и архивированной информации без введения структурной избыточности в передаваемые сообщения и при сжатии данных;
2) обнаруживать возникающие при передаче и хранении данных ошибки, как одиночные, так и кратные;
3) увеличить, при необходимости, скорость передачи информации и обеспечить показатели ее энергетической и структурной скрытности.
Изобретение определяет новое направление в теории передачи и архивации информации, которое получило название: «помехоустойчивое сжатие данных».
Его основу составляют разработанные инновационные технологии в виде экономного помехоустойчивого кодирования, истоки которого определяют патенты RU №№2475861 [1], 2480840 [2], 2581774 [3], 2586605 [4], 2586833 [5], 2609747 [6], 2649291 [7], 2658795 [8], 2672392 [9].
В настоящее время «помехоустойчивое сжатие данных» ориентировано на следующие три основные составляющие, определяющие такие этапы формирования, передачи и приема информации, как:
экономное представление, малоизбыточное и безызбыточное кодирование цифровых сигналов, данных и сообщений с использованием образов-остатков и эквивалентных им структурно-алгоритмических преобразований (САП) (патенты RU №№2586605 [4], 2586833 [5], 2609747 [6], 2649291 [7]);
i
i
0
0
2
2
1
1
2
2
2
2
2
i
i
0
1
0
2
0
0
дополнительное кодирование информации с заменой потоков данных, представленных двоичным кодом, в том числе и после первичного экономного помехоустойчивого САП, их эквивалентным аналогом в виде логического помехоустойчивого кода с использованием двумерными троичных символов S(T), где i=0,1,2, повторяющих друг друга с точки зрения передаваемой информации с расшифровками в виде: S(T) ↔ {<00>,<11>}, S(T) ↔ {<00>,<11>} и S(T) ↔ <101> (здесь S - определяют при первичной модуляции три разрешенных состояния i=0,1,2 амплитуды импульсов, где Т - это три значения Т, T=1,5T и Т=2Т их продолжительности во времени, а Т - это длительность двоичных символов «1» и «0» исходного потока (патенты RU №№475861 [1], 2480840 [2], 2581774 [3]);
обработка восстановленной информации с обнаружением и исправлением ошибок передачи сообщений (патент RU №2658795 [7]) и адаптивной нелинейной фильтрацией полученных данных (патент RU №2672392 [8]).
Известны «Способы передачи информации и системы для их осуществления» (патент RU №2475861 с приоритетом от 27.04.2013 г. [1] и патент RU №2581774 с приоритетом от 30.09.2014 г. [3]).
2
2
1
1
0
0
В патенте [1] приведена последовательность операций, посредством которых реализуют алгоритм кодирования, а также представлен один из возможных вариантов реализации патента на основе логических схем. Основная задача патента [1] заключалась в том, чтобы показать возможность достаточно простой реализации возможности перехода от двоичного кода к предлагаемому троичному кодированию с использованием дублирующих троичных символов S(T), S(T) и S(T) на основе двоичной логики, которая используется в существующей элементной базе.
Недостаток изобретения [1] заключен в том, что потенциальные возможности предлагаемого троичного кодирования не были достаточно полно раскрыты. В частности, не были продемонстрированы новые свойства предлагаемого троичного кода с точки зрения обеспечения помехоустойчивого сжатия данных.
2
2
1
1
0
0
2
2
2
1
1
0
0
3
В патенте [3], который был награжден дипломом Роспатента в номинации «100 лучших изобретений России - 2016», предлагаемый троичный код с символами S(T), S(T) и S(T) был использован для повышения информационной нагруженности несущей частоты, излучаемой передатчиком, для чего была использована комплексная модуляция по амплитуде, частоте и фазе. Помимо этого, была обеспечена «сопоставимость результатов демодуляции относительной фазовой модуляции (ОФМ) с основанием два, применяемой по основному каналу связи, и предлагаемой троичной фазовой модуляции с основанием два (ФМ), основу которой составляют логические помехоустойчивые коды с основанием три, представленные символами S(T), S(T) и S(T)» (п.4 формулы изобретения [3]). Однако для реализации такой возможности требуется наличие дополнительного (дублирующего) канала передачи информации, что не всегда может быть обеспечено в разнообразных практических приложениях.
Суть предлагаемого логического помехоустойчивого кодирования сформированных сообщений замещающим троичным кодом, как и в патентах-аналогах [1-3], заключается в следующем.
i0
i1
in
i0
i1
im
Основу способа составляют формулы преобразования F, связанные с заменой последовательности символов a, a, …, a двоичного алфавита А={0,1} последовательностями символов d, d, …, d алфавита D={00, 11, 10, 001, 101} на основе следующих логических схем кодирования:
0
1
2
Предлагаемое кодирование устанавливает логическое соответствие между двоичными символами, представленными в скобках, и их троичными эквивалентами S, S и S.
0
1
2
0
1
2
0
2
0
1
2
0
1
2
3
0
1
2
3
0
1
0
2
0
0
2
2
1
1
0
0
3
3
2
2
1
1
0
0
Кроме того, при получении сигналов S, S и S обеспечивают их дублирование сигналами Т, T и Т (фиг. 1 (Б)). В результате этого формируют две модулирующие последовательности на основе сигналов S, Si, S и сигналов Т, Т, Т. При этом, если сигналы S, S, S представлены в виде амплитудно-импульсной модуляции на три состояния (АИМ), то соответствующие им сигналы Т, Т, Т отображают в виде широтно-импульсной модуляции (ШИМ), имеющей также три разрешенные позиции длительности импульсов Т, T=1,5Т, Т=2Т, где Т - временная продолжительность символов «1» и «0» исходного двоичного кода. В результате этого поток сформированных для передачи цифровых данных, отображаемый вначале последовательностями символов «1» и «0» двоичного кода, после перекодирования в логический помехоустойчивый троичный код с символами S(T), S(T) и S(T), представляют двумя дублирующими потоками на уровне первичной (импульсной) модуляции: АИМ и ШИМ. Сущностные характеристики способа [3] также заключаются в обеспечении дублирования логического помехоустойчивого кодирования с троичными символами S(T), S(T) и S(T), связанном с первичной импульсной модуляцией передаваемых сигналов, которая составляет основу синтеза различных проблемно-ориентированных структурно-кодовых (СтКК) и сигнально-кодовых конструкций (СиКК) [1-3].
2
1
Предлагаемый алгоритм перекодирования исходного двоичного кода с символами «1» и «0» заключается в следующем. Дана последовательность двоичных символов <10101000111100101> (N=17). Необходимо перевести его в новое алфавитное кодирование с использованием верхних и нижних разбиений (К1 и К2):
2
2
1
0
1
0
0
0
1
1
2
i
K1, К2: SSSSSSSSSSS - новая последовательность из 11 символов S (i=0,1,2), используемая для передачи информации.
i
i+1
2
2
j
2
j
10
i
i
i
i
0
2
j+1
2
j+1
10
В результате кодирования последний двоичный символ предыдущей закодированной посылки S повторяет первый двоичный символ последующей троичной посылки S (повторы двоичных символов выделены жирно и обведены). Если при приеме данные условия не обеспечивается, то это свидетельствует об ошибке. Исправление ошибок обеспечивается при достоверном приеме символов S, которые расшифровываются однозначно S ⇔ (101). На фиг. 1 показан пример предлагаемого перехода от 16-тиразрядного двоичного кодового слова X=<1011100010100101>, соответствующего десятичному представлению X=<788>, в предлагаемый троичный код с дублирующими символами S(T), i=0,1,2. Из приведенной иллюстрации следует, количество символов S(T), i=0,1,2 уменьшено в 1,6 раза по сравнению с исходными двоичными символами «1» и «0», имеющими длительность Т. Это соответствует теоретическому значению, определяемому следующим аналитическим представлением: k=log3=1,6. К такому же коэффициенту синтаксического сжатия данных (сжатия на уровне символов кода) приводит и другой пример перевода в предлагаемый троичный код значения X=<1010101100001101>, соответствующего десятичному представлению X=<353> (фиг. 2).
i
Известные способы-аналоги используют следующие алгоритмы восстановления переданной информации. Предположим, что в результате демодуляции восстановлен следующий фрагмент последовательности троичных сигналов S:
2
2
2
1
2
1 Первая операция восстановления данных в исходном двоичном коде заключается в том, чтобы выделить сигналы S, допускающие однозначную расшифровку: S ↔ <101». В результате этого в принятой последовательности (2) формируют признак приема символа S, который выделяют для контроля достоверности приема символов S на временном интервале между соседними символами S:
2
2 Преобразование в двоичный код всей последовательности принятых троичных символов начинают с того, что записывают в двоичном коде результат однозначной расшифровки символов S:
1
2
1
Для контроля достоверности приема символов S на временном интервале между соседними символами S используют следующее правило: число символов S должно быть четным.
2
1
1
1
1
2
3 Затем, используя первый из полученный признаков приема символа S, приступают к расшифровке следующего за ним троичного символа S, которому поставлены в соответствие не одна, а две кодовые комбинации, составленные из двоичных символов: S ↔ «10» и «001». Так как по условию формирования предлагаемого троичного кода последний двоичный символ, предыдущей расшифровки 101, должен быть первым символом последующей расшифровки троичного символа (в приведенном приеме сигнала S), то в качестве кандидата на замену следует выбрать кодовую комбинацию 10. Выбор подходящей следующей кодовой комбинации, соответствующей принятому сигналу S, определяется последним двоичным символом, полученным в результате расшифровки предыдущего сигнала троичного кода S (совпадающие символы выделены жирным шрифтом).
0
0
0
1
0
2
0
2
Далее очередной восстановленный троичный символ соответствует сигналу S, у которого также два возможных варианта расшифровки: S ↔ «00» и «11». Так как предыдущая расшифровка 10 оканчивалась двоичным символом «0», то и очередной сигнал S должен быть заменен на двоичную кодовую комбинацию, состоящую из двух символов «0» - 00. Аналогичным образом, следующий восстановленный троичный символ S ↔ «10» и «001» должен быть замещен двоичной кодовой комбинацией 001. Затем следуют подряд два символа S ↔ «00» и «11» и, поскольку расшифровка предыдущей двоичной кодовой комбинации заканчивалась символом «1», то и два последующих троичных символа So должны быть заменены на последовательность, состоящую из двух символов «1» - 11. О том, что расшифровка произведена правильно, свидетельствует то обстоятельство, что следующим троичным символом снова будет S ↔ «101», который начинается с такого же двоичного символа «1», который получен в конце предыдущей расшифровки сигнала S. Последующий процесс восстановления переданных сообщений в традиционном двоичном коде аналогичен. Исправляющая способность предлагаемого кода заключена в том, что вся цепочка восстановленных при приеме троичных символов определяется опорными сигналами S ↔ «101» (фиг. 1 и фиг. 2).
1
0
4 Следующая операция предполагает, что принятую последовательность троичных символов S и S, допускающих не однозначные расшифровки
i
1
0
замещают двоичным кодом таким образом, чтобы последний двоичный символ расшифровки предшествующего символа S, где i=0,1,2, совпадал с первым символом расшифровки последующего символа S или S.
В результате этого для последовательности (6) получают следующую восстановленную последовательность исходного двоичного кода:
2
1
0
где «точками» разделены между собой результаты расшифровок символов S, S и S троичного кода.
i
Затем совпадающие двоичные символы на границах расшифровок троичных сигналов S, где i=0,1,2, объединяют и заменяют одним соответствующим двоичным символом:
где выделены и подчеркнуты совпадающие символы, которые объединяют и заменяют одним двоичным символом.
В результате будет восстановлен следующий фрагмент исходной последовательности двоичных кодов: 10100011101.
В настоящее время наиболее остро обозначены проблемы повышения эффективности передачи данных по высокоскоростным радиолиниям, когда требуемые объемы передаваемой информации превышают пропускную способность канала связи. Также одной из задач данного изобретения является обоснование технических решений, основу которых составляют нетрадиционные методы помехоустойчивого сжатия и расширенное их применение для разрешения существующих противоречий в развитии инфотелекоммуникационных систем (ИТКС). Особую значимость приобретает использование предлагаемого изобретения, как для передачи информации, так и для ее хранения. Отсутствие возможности передачи больших объемов информации с космических аппаратов (КА) за короткое время их сеанса связи приводит к необходимости хранения значительной ее части в бортовых запоминающих устройствах, где они должны ожидать своей очереди в продолжительном процессе передачи. Однако, в отличие от условий хранения информации в наземных компьютерах, жесткое космическое излучение сопровождается появлением большого количества ошибок при хранении информации. Это наблюдается во многих случаях, характерные особенности которых проявляются в том, что каждая из переданных частей информации, хранящейся на борту и ожидающей своей очереди, при ее приеме становится все хуже по качеству и показателям достоверности по сравнению с ранее полученными данными.
На устранение отмеченных недостатков, связанных с недостаточной скоростью передачи информации, которая ограничена пропускной способностью радиоканала, и необходимостью устранения внутренних ошибок, появляющихся в самой радиоэлектронной аппаратуре (РЭА), например, в блоках хранения данных, под действием жесткого космического излучения, направлено данное изобретение.
i
1
2
1i
1
2i
2
1i
1
2i
2
i
1i
1
2i
2
2
n
n
При этом в качестве предварительной первой ступени сжатого помехоустойчивого кодирования используют структурно-алгоритмические преобразования (САП) данных, сообщений и цифровых сигналов (патенты РФ №№2586605 [4], 2586833 [5], 2609747 [6]). Их можно рассматривать, как дополнительное экономное кодирование, осуществляемое по отношению к исходному двоичному коду. Пример такого дополнительного кодирования на уровне двоичных кодов приведен на фиг. 3. Его суть заключается в том, что для обеспечения дополнительной возможности обнаружения и исправления ошибок в передаваемой информации, обладающей внетренней избыточностью, использована самая простая операция САП-1(п). В части возможности повышения помехозащищенности передаваемых данных, обладающих внутренней избыточностью (корреляционной зависимостью соседних значений) структурно-алгоритмическое преобразование САП-1(п) является замещающей по отношению к когнтивной (знаниепорождающей) модели САП-1(о) [4]. Последняя предполагает деление значений исходных данных или сообщений X, представленных N=2n - разрядным двоичным кодом, на выбранные оптимальные модули сравнения m=2-1 и m = 2+1 с получением образов-остатков b (mod m) и b (mod m). При этом каждый из полученных образов-остатков b (mod m) и b (mod m) требует для представления его значений n-разрядных двоичных кодов, что вдвое меньше исходной разрядности N. Поэтому результат кодирования C=<b (mod m); b (mod m)> предполагает использование той же разрядной сетки (N) для представления двоичным кодом.
i
стi
млi
i
i
i
min
min
min
min
a
а
(2)
(1)
(2)
(1)
Использование замещающей модели САП-1(п) отличается тем, что она наиболее простая с точки зрения ее технической реализации в высокоскоростных системах передачи данных (СПД). Она предполагает разделение исходного кодового слова или сообщения X на старшее () и младшее () полуслова с последующей перестановкой их местами (фиг. 3) [6]. Тогда для реализации режима «жесткого» декодирования слов или сообщений при приеме или восстановлении необходимо полуслова вернуть на свои места (фиг. 4). При этом для обнаружения ошибок необходимо использовать режим «мягкого» декодирования, работоспособность которого обеспечивают при наличии корреляционной зависимости между соседними передаваемыми или хранимыми значениями слов или сообщений. При его использовании результаты помехозащищенного кодирования C, в том числе и искаженные помехой ΔC:  (фиг. 4) при «мягком» декодировании слов и ли сообщений приведут к возможности обнаружения и исправления ошибок (фиг. 4 (средний график)) на основе выделяемого из переданных данных инварианта в виде свойства «равноостаточности» [4-8]. Для сравнения на фиг. 4 (нижний график) представлен результат восстановления переданных данных телеизмерений (ТИ) при использовании «жесткого» алгоритма декодирования без исправления ошибок. Но его использование, несмотря на значительные искажения ΔC восстановленного телеметрируемого параметра (ТМП), позволяет установить временные участки, на которых выполняется условие корреляционной зависимости, что необходимо для управления работой «мягкого» декодера. При использовании алгоритма «мягкого» декодера было исправлено около 94% ошибок. Оставшиеся 6% ошибок (фиг. 4 (средний график)) - это ошибки второго рода. Их появление связано с тем, что результаты ТИ, искаженные помехой, случайно оказались на месте разрешенных позиций помехоустойчивого кода. Они также могут быть исправлены при предварительной обработке. При использовании патента [8] этот дополнительный технический результат получают за счет повторного применения на приемной стороне (уже при обработке) алгоритма дополнительного кодирования САП-1(п), но с минимальным кодовым расстоянием d, которое отличается от ранее использовавшегося при передаче информации - d:d ≠ d.
Алгоритм «жесткого» декодирования слов или сообщений является универсальным: его работоспособность не зависит от корреляционной зависимости соседних значений. При этом в общем случае «мягкий» декодер подключается к работе только тогда, когда при «жестком» декодирования слов или сообщений будет установлено наличие свойств корреляционной зависимости соседних слов и сообщений, хоты бы и локальное, выполняемое для ограниченного числа (i) восстановленных данных: i≥4.
i
i
Предлагаемый троичный код с символами S(T), i=0,1,2, переход к которому представляет собой очередное структурно-алгоритмическое преобразование (САП-2), относится к числу универсальных: он обеспечивает возможность повышения эффективности СПД и в общем случае, когда корреляционная взаимосвязь соседних значений отсутствует.
Сущностные характеристики предлагаемого «Способа помехоустойчивого сжатия данных для передачи и хранения информации», заключаются в следующем.
0
i
стi
млi
i
i
0
0
2
2
1
1
2
2
2
2
2
0
0
1
1
2
2
0
1
2
3
0
1
2
0
1
0
2
0
0
3
a
а
Он предполагает выполнение следующей последовательности операций: кодовые слова и сообщения, подлежащие передаче или хранению, представляют позиционным двоичным кодом с символами «1» и «0», имеющими длительность Т, из которых формируют цифровой групповой сигнал (ЦТС) в виде последовательности бит, которую затем подвергают структурно-алгоритмическим преобразованиям первого этапа (САП-1), простейшая техническая реализация которого связана с разделением исходных кодовых слов или сообщений X на старшее () и младшее () полуслова с последующей перестановкой их местами, в результате чего формируют новый поток ЦТС, обладающий свойствами повышенной помехозащищенности при наличии корреляционной зависимости между соседними передаваемыми или хранимыми значениями кодовых слов или сообщений, после чего переходят ко второму этапу САП (САП-2) на основе преобразования новой последовательности бит в замещающий троичный помехоустойчивый код с символами S(T), i=0,1,2, который формируют на основе принятого логического правила кодирования, устанавливающего следующие соответствия «↔» например, S(T) ↔ {<00>,<11>}, S(T) ↔ {<10>,<001>} и S(T) ↔ <101>, каждая из которых имеет по три символа кодирования, условно определяемых как «S» и «Т», «S» и «T» «S» и «Т», при этом символы «S», «S» и «S», представляют в виде амплитудно-импульсной модуляции (АИМ) с тремя разрешенными позициями кода, а вторую модулирующую составляющую видеосигнала с символами трехосновного кода «Т», «Т» и «Т» с длительностями Т, T=1,5Т и Т=2Т, где Т - продолжительность одного символа исходного двоичного кода, используют для широтно-импульсной модуляции (ШИМ) второго видеосигнала, подлежащего дальнейшему структурно-алгоритмическому преобразованию (САП-3) третьего этапа.
3
0
1
0
4
0
0
2
0
0
5
3
0
0
2
0
4
0
5
0
Изобретение ориентировано на следующий третий условный этап распределенного структурно-алгоритмического преобразования (САП-3). Его задача заключается в том, чтобы объединить в единый импульсный сигнал импульсные ранее сформированные сигналы ШИМ, следующие в такой последовательности, как: 1) Т и T=1,5Т с образованием новой длительности Т=2,5Т и 2) Т и Т=2Т, в результате чего получают продолжительность объединенного импульсного сигнала, равную 3Т. Структурная схема устройства, предназначенного для такого объединения, приведена на фиг. 5. Иллюстрации видов новых сигналов ШИМ, состоящих их ранее использовавшихся символов ШИМ троичного кода Т, Ti=1,5Т и Т=2Т и дополненных двумя новыми импульсами с длительностями Т=2,5Т и Т=3Т представлены на фиг. 6, фиг. 7, фиг. 8 и фиг. 9. В результате такого дополнения новый код будет уже не 3-позиционным (М=5), а 5-позиционным (М=5). Но при использовании фазовой (ФМ) и относительно-фазовой модуляции (ОФМ) он при передаче требует изменения в виде только двух состояний фазы несущей частоты: 0° и 180°, чем выгодно отличается от своих аналогов.
Выполненное подготовительное описание позволяет перейти к формулировке формулы изобретения.
0
ст
мл
i
i
0
0
2
2
1
1
2
2
2
2
2
0
0
1
1
2
2
0
1
2
3
0
1
2
0
1
0
2
0
0
3
3
0
1
0
0
2
0
0
0
3
0
0
3
i
0
2
2
1
2
2
2
2
3
2
2
4
2
i
а
а
Способ сжатого помехоустойчивого кодирования данных для передачи и хранения информации, заключающийся в выполнении следующей последовательности операций: кодовые слова и сообщения, подлежащие передаче или хранению, представляют позиционным двоичным кодом с символами «1» и «0», имеющими длительность Т, из которых формируют цифровой групповой сигнал (ЦТС) в виде последовательности бит, которую затем подвергают структурно-алгоритмическим преобразованиям первого этапа (САП-1), простейшая техническая реализация которого связана с разделением исходных кодовых слов или сообщений на старшее () и младшее () полуслова с последующей перестановкой их местами, в результате чего формируют новый поток ЦТС, обладающий свойствами повышенной помехозащищенности при наличии корреляционной зависимости между соседними передаваемыми или хранимыми значениями кодовых слов или сообщений, после чего переходят ко второму этапу САП (САП-2) на основе преобразования новой последовательности бит в замещающий троичный помехоустойчивый код с символами S(T), i=0,1,2, который формируют на основе принятого логического правила кодирования, устанавливающего следующие соответствия «↔», например, S(T) {<00>,<11>}, S(T) ↔ {<10>,<001>} и S(T) ↔ <101>, каждая из которых имеет по три символа кодирования, условно определяемых как «S» и «Т», «S» и «T» «S» и «Т», при этом символы «S», «S» и «S», представляют в виде амплитудно-импульсной модуляции (АИМ) с тремя разрешенными позициями кода, а вторую модулирующую составляющую видеосигнала с символами трехосновного кода «Т», «T» и «Т» с длительностями Т, Т=1,5Т и Т=2Т, где Т - продолжительность одного символа исходного двоичного кода, используют для широтно-импульсной модуляции (ШИМ). От аналогов он отличается тем, что на передающей стороне встречающиеся в последовательности сигналов ШИМ следующие подряд импульсы троичного кода с длительностями Т и T=1,5Т, а также Т и Т - 2Т объединяют в более длинные импульсы с суммарными временными интервалами 2,5Т и 3Т, соответственно, оставляя другие сигналы ШИМ в прежнем порядке следования, сформированную в результате выполненных объединений, последовательностью сигналов с дополнительными длительностями 2,5Т и 3Т используют для фазовой модуляции сигнала несущей частоты со значениями фаз 0° и 180° при смене полярностей импульсных сигналов ШИМ, в результате чего дополнительно уменьшают интенсивность смены фаз сигнала несущей частоты, обеспечивая возможность повышения скоростей и объемов передаваемой информации, на приемной стороне определяют длительности восстановленных при демодуляции и ставят им в соответствие следующие кодовые конструкции (КК, i=0,1,2,3,4): Т ↔ {<00>,<11>}, Т ↔ {<10>,<001>} и Т ↔ <101>, использовавшиеся ранее, а также новые расшифровки: Т ↔ {<110>,<0001>} и Т ↔ <1101>, сохраняющие прежние свойства рекуррентного кода, в соответствии с которыми последний двоичный символ «1» или «0» предыдущей расшифровки является первым в расшифровке следующей кодовой конструкции (КК, i=0,1,2,3,4).
3
3
0
0
3
0
3
На фиг. 5 приведено устройство, реализующее на передающей стороне предлагаемый способ. При этом использованы следующие обозначения: 1 - преобразователь длительностей ШИМ в цифровую форму; 2 - формирователь сигналов тактовой синхронизации; 3 - генератор счетных импульсов (ГСИ); 4 - селектор длительностей ШИМ; 5, 10, 11, 12 и 13 - линии задержки на время Т; 6 - расширитель импульсов Т ШИМ в 1,5 раза; 7 - расширитель импульсов Т ШИМ в 2 раза; 8, 9 - логические элементы «И»; 15 - логический элемент «Запрет» с двумя запрещающими входами; 14, 16 - логические элементы «Запрет» с одним запрещающим входом; 17 - логический элемент «ИЛИ».
3
3
3
3
3
0
1
0
2
0
3
0
0
0
3
3
1
0
2
0
3
0
4
0
0
3
0
3
0
4
0
3
1
0
2
0
3
0
3
5
Работа устройства заключается в следующем. Сформированная последовательность импульсов ШИМ поступает на вход преобразователя 1 длительностей ШИМ в цифровую форму на вход формирователя 2 сигналов тактовой синхронизации. Сформированные в 2 тактовые импульсы запускают генератор 3 счетных импульсов (ГСИ). В преобразователе 1 длительностей ШИМ их подсчитывают, в результате чего длительности преобразуют в цифровую амплитудно-импульсную форму. В селекторе 4 длительностей ШИМ полученные значения сравнивают с установленными порогами и в результате сравнения с ними разделяют импульсы ШИМ на сигналы Т (выход 24), Т=1,5Т (выход 22) и Т=2Т (выход 23). Импульсы ШИМ с длительностью Т (выход 22) задерживают на время Т в линии 5 задержки и подают на соответствующие расширители 6 и 7 длительности импульсов Т ШИМ в 1,5 и 2 раза, соответственно. При их совпадении в логических элементах «И» с исходными импульсами ШИМ с соответствующими длительностями T=1,5Т и Т=2Т формируют импульсы ШИМ с дополнительными длительностями Т=2,5Т и Т=3Т. Далее их задерживают в линиях задержки на время Т, а сформированными сигналами запрещают посредством логического элемента «Запрет» 15 с двумя запрещающими входами прохождение сигналов импульсов ШИМ с длительностями Т на вход логического элемента «ИЛИ» 17. Также дополнительно сформированными импульсами ШИМ с длительностями Т=2,5Т и Т=3Т запрещают с использованием логических элементов «Запрет» 14 и 16 прохождение на вход логического элемента «ИЛИ» 17 импульсов ШИМ с соответствующими длительностями Т=1,5 Т и Т=2Т появлению которых предшествовали импульсы ШИМ с длительностями Т. В результате этого восстанавливают последовательность импульсов ШИМмодернизированного троичного кода в виде ШИМ.
5
0
1
0
2
0
4
0
5
0
5
0
2
1
0
2
2
0
2
5
3
0
2
4
0
2
При приеме новых сигналов определяют на основе операций, аналогичных математической операции дифференцирования импульсной последовательности, границы импульсов ШИМ, а также их продолжительности во времени, которые должны принимать значения Т, Т=1,5Т, Т=2Т, Т=2,5Т и Т=3Т. Полученным значениям, соответствующих длительностей импульсов ШИМ, ставят в соответствие следующие их расшифровки: Т ↔ <11,00>; Т=1,5Т ↔ <11,001>; Т=2Т ↔ <101>, что и было ранее. А новым длительностям ШИМ система соответствий будет следующей: Т=2,5Т ↔ <110, 0001> и Т=3Т ↔ <1101>. В результате этого будет сохранено исходное свойство рекуррентного кода, при котором последний двоичный символ предыдущей расшифровки повторяет первый двоичный символ последующей расшифровки.
3
В качестве примера рассмотрим вариант приема ранее использовавшегося троичного кода (ШИМ), последовательность символов которого представлена на фиг. 6:
В результате получим следующее восстановленное сообщение:
i
2
10
X=<1011100010100101>=<788>.
В результате также получим следующее восстановленное сообщение:
i
2
10
X=<1011100010100101>=<788>.
i
10
3
2
Выигрыш заключается в следующем. При кодировании двоичным кодом для передачи значения X=<788> необходимо было передать 16 двоичных символов. При замене двоичного кода на троичный необходимое количество троичных символов равно 10 (табл. 1). Коэффициент синтаксического сжатия на уровне символов кода равен: k=log3=1,6.
5
5
5
5
При переходе к предлагаемому расширенному коду ШИМ число символов, которое равно количеству смен фаз несущей частоты, принимает значение 8 (табл. 2). Это означает, что достигнут предел k=2, определяемый теорией сжатия данных без потерь [10,11,12,14]. В другом случае, представленном на фиг. 7, для передачи информации такого же объема (в 16 двоичных символов) потребуется только 7 символов ШИМ и, следовательно, предел, установленный теорией сжатия данных без потерь, будет превышен: k=2,285, что больше 2.
Кроме того, появляется возможность обнаружения и исправления ошибок передачи информации, если на передающей стороне были использованы алгоритмы предыдущего структурно-алгоритмического преобразования (САП-1), которое предшествовало перекодированию двоичного кода в троичный.
i
5
В результате полученную последовательность символов расширенного троичного кода с символами (T), i=0,1,2,3,4, представляющего собой ШИМ, преобразуют в результате дополнительной операции декодирования в двоичный код с символами «1» и «0» (табл. 2). Восстановленный при декодировании двоичный код подвергают очередной операции восстановления, осуществляемой на основе алгоритмов обратного САП-1 (ОСАП-1), с использованием универсального режима «жесткого» декодирования, обеспечивающего безусловное восстановление информации в исходном виде без исправления ошибок передачи или хранения. Под его управлением работает алгоритм «мягкого» декодирования, позволяющий обнаружить и исправить ошибки при наличии корреляционной зависимости, проявляющейся по отношению к следующим друг за другом кодовым словам или сообщениям, когда их количество больше трех.
В качестве заключения, позволяющего подвести окончательный итог новизны и сущностных характеристик предлагаемого изобретения, необходимо отметить следующее.
3
Использование предлагаемого изобретения существенно упрощает процедуры фазирования (синхронизации [13]) потоков передаваемой информации при ее разнесенном приеме, поскольку появляется ряд новых укрупненных информационных признаков, которые могут быть использованы для идентификации совмещения потоков информации принятых, например, различными измерительными пунктами, имеющими различные географические координаты размещения. Таких признаков при двоичном кодировании только 2-это восстанавливаемые символы «1» и «0». При троичном кодировании их 3, представленные в виде трех длительностей импульсов ШИМ. При использовании предлагаемого сжатого помехоустойчивого кодирования их уже 5. При этому существенно упрощается операция совмещения потоков одной и той же информации, которая получена с различными временными задержками.
Проведенное моделирование операций, составляющих основу предлагаемого способа применительно к сжатию данных, которое производилось для обеспечения сравнимости с существующими способами их архивации, применяемыми в компьютерной технике, показало возможность достижения более высоких показателей сокращения избыточности информации на синтаксическом уровне по сравнению с известными техническими решениями. При этом была показана возможность дополнительного улучшения ряда других показателей эффективности СПД и повышения информационной безопасности хранимой и передаваемой информации: помехозащищенности и достоверности восстановления исходных данных.
Приведенное описание сущностных характеристик изобретения также значительно обогащает теорию сжатия данных и помехоустойчивого экономного кодирования информации [15] на основе использования новой прикладной математической теории. Такое новое трактование существенно расширяет области возможного использования изобретения, способствует появлению новых информационных технологий, имеющих необычное, с позиций существующей практики, название «помехоустойчивое сжатие».
Список использованных источников информации
1. «Способ передачи информации и устройство для его реализации», патент RU №2475861.
2. «Способ передачи информации и система для его реализации», патент RU №2480840.
3. «Способ передачи информации и устройство для его реализации», патент RU №2581774.
4. «Способ передачи информации и система для его реализации», патент RU №2586605.
5. «Способ передачи информации и система для его реализации», патент RU №2586833.
6. «Способ передачи информации и система для его реализации», патент RU №2609747.
7. «Способ экономного кодирования информации и система для его реализации», патент RU №2649291.
8. «Способ первичной обработки информации с обнаружением и исправлением ошибок передачи», патент RU №2658795.
9. «Способ первичной обработки информации с адаптивной нелинейной фильтрацией данных», патент RU №2672392.
10. Кукушкин С.С. Теория конечных полей и информатика: В 2 т. - т. 1: Методы и алгоритмы, классические и нетрадиционные, основанные на использовании конструктивной теоремы об остатках. - М.: МО РФ, 2003. -284 с.
11. Лидл Р., Нидеррайтер Г. Конечные поля. В 2-х томах. Пер с англ. М.: Мир, 1988. 882 с.
12. Емельянов Г.А., Шварцман В.О. Передача дискретной информации. М.: Радио и связь, 1982. 240 с.
13. «Способ синхронизации передаваемых сообщений и устройство для его реализации», патент RU №2 591 565 С1, дата публикации 10.07.16, бюл. №20).
14. Былински П., Ингрем Д. Цифровые системы передачи //Перевод с анг., под ред. А.А. Венцеля/, М.: «Связь», 1980. - 360 с.
15. Семенюк В.В. Экономное кодирование дискретной информации. -СПб.: СПбГИТМО (ТУ), 2001. - 115 с.