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 способов 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, блок представления сообщений последовательностью символов первичного алфавита, блок преобразования цифрового потока в поток сигналов, передатчик, канал связи, приемник, преобразователь потока сигналов в цифровой поток, блок восстановления символов первичного алфавита и сообщений, потребителей информации и функционально связанная с ними подсистема синхронизации.
j
Сущность изобретения направлена на повышение технико-экономической эффективности СППИ благодаря тому, что на передающей стороне введен блок преобразования символов, выполненный с возможностью передачи каждого из последовательно расположенных в сообщении символов взаимно-однозначно соответствующей ему упорядоченной совокупностью битов с заданным количеством и последовательностью кодов этих битов. При этом указанный блок 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 дополнительно введенных значений кодов. На приемной стороне система содержит блок восстановления символов первичного алфавита, 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, и возможностью по этой последовательности кодов однозначного восстановления символа сообщения.
1
2
j
j-1
j
Для достижения указанного технического результата в системе передачи и приема информации от источника информации к ее потребителю в системе цифровой связи на передающей стороне источник информации функционально связан с блоком сообщений, выполненным с возможностью представления сообщений последовательностью n-тых символов первичного алфавита, где индекс n изменяется от 0 до N, преимущественно предварительно упорядоченных по убыванию вероятности их появления в сообщениях, указанный блок соединен с входом блока преобразования символов, имеющим первый, а при необходимости и второй выход, выполненным с возможностью синхронизированной передачи каждого из последовательно расположенных в сообщении символов взаимно-однозначно соответствующей этому n-тому символу упорядоченной совокупностью битов с общим количеством J и последовательностью кодов этих битов {KK,…,K,…,K, K), где индекс j принимает значения от 1 до 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><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
,
j
где i = n divM+1, tranc(X) - целая часть числа X, A divB - 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
<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><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
,
j
j
j-1
0
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 = ldiv2, где l = i, в соответствии с выражениями
<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>m</mi><mi>o</mi><mi>g</mi><mn>2</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
,
0
1,
2
M+1
1
2
j
j-1
j
j
j
где A mod B - остаток при делении целого числа А на целое число В, и возможностью формирования таким образом цифрового потока битов, соответствующих указанной последовательности получаемых кодов, также при необходимости дальнейшей передачи сообщения по каналу связи система содержит блок преобразования 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 цифрового потока битов снабжен входом и выходом, вход которого соединен с первым выходом блока преобразования символов, а выход подключен к передатчику, функционально связанному через канал связи, совместимый с передаваемыми сигналами, с приемником, подключенным к входу блока преобразования сигналов в цифровой поток битов, имеющего первый, а при необходимости и второй выход, первый выход указанного блока преобразования сигналов соединен с входом введенного в систему блока восстановления символов первичного алфавита, выполненным с возможностью идентификации каждый 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, и возможностью по этой последовательности кодов однозначного восстановления n-того символа первичного алфавита, 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 символов первичного алфавита выполнен с возможностью через известное на приемной стороне значение М, идентифицированное значение K и полученное число i восстановления упомянутого номера n в соответствии с выражением
<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><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
и по нему - символа первичного алфавита, также указанный блок восстановления выполнен с возможностью при приеме последующих битов восстановления сообщений, представляемых восстановленной последовательностью символов первичного алфавита, и при необходимости выход блока восстановления функционально соединен с потребителями информации, а при необходимости система на передающей стороне содержит блок преобразования одним из известных способов и сохранения на носителях информации указанного цифрового потока битов, соединенный своим входом со вторым выходом блока преобразования символов, и/или на приемной стороне содержит блок преобразования одним из известных способов и сохранения на носителях информации указанного цифрового потока битов, соединенный своим входом со вторым выходом блока преобразования сигналов, также указанные блоки преобразования и сохранения выполнены с возможностью при считывании с носителя воспроизведения цифрового потока битов и восстановления по нему сообщений, также система содержит подсистему синхронизации, функционально связанную с ее блоками.
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 фигуру. На фигуре показана заявляемая система. Она содержит источник информации 1 и последовательно функционально связанные блок 2 сообщений, блок 3 преобразования символов, блок 4 преобразования цифрового потока битов в поток сигналов, передатчик 5, канал связи 6, приемник 7, блок 8 преобразования сигналов в цифровой поток битов, блок 9 восстановления символов первичного алфавита, потребителей информации 10, блоки 11 и 12 преобразования и сохранения цифрового потока битов соответственно на передающей и приемной сторонах, подсистему синхронизации 13.
1
2
j
j-1
j
j
j
j
Предложенная система работает следующим образом. На передающей стороне в блоке 2 сообщения от источника информации 1 представляют последовательностью n-тых символов первичного алфавита, где индекс и изменяется от 0 до N, преимущественно предварительно упорядоченных по убыванию вероятности их появления в сообщениях. В блоке 3 каждый из последовательно расположенных в сообщении символов синхронизированно передают взаимно-однозначно соответствующей этому n-тому символу упорядоченной совокупностью битов с общим количеством J и последовательностью кодов этих битов (К К,…, К…, К, К). 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 K. При J>1 возможные коды К в указанной последовательности кодов 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 цифровой поток битов, соответствующих указанной последовательности получаемых кодов.
0
1
2,
,
M+1
j
1
2
j
j-1
j
j
j
При необходимости дальнейшей передачи сообщения по каналу связи указанный цифровой поток битов в блоке 4 преобразуют в поток сигналов, совместимых с каналом связи. Это преобразование производят, например, посредством идентификации кода каждого передаваемого бита и формирования сигнала, взаимно-однозначно соответствующего значению этого кода, из совокупности сигналов S, SS…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. Сигналы поступают на передатчик 5 и по каналу связи 6 их передают на приемник 7, где их синхронизированно принимают и в блоке 8 преобразуют в цифровой поток битов. В блоке 9 каждый из последовательно принимаемых битов идентифицируют двоичным кодам ОД и кодам K из указанного набора М дополнительно введенных значений 2,…, М+1. Также в нем идентифицируют упорядоченную совокупность битов и соответствующую ей последовательность кодов этих битов (К, К,…, К,…, К, К, 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. По этой последовательности кодов, зная на приемной стороне соответствие последовательности кодов n-тому символу первичного алфавита, однозначно восстанавливают n-тый символ первичного алфавита. Также в блоке 9 преимущественно 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 упомянутый номер n в соответствии с выражением (4) и по нему - символ первичного алфавита. При приеме последующих битов в блоке 9 указанные действия повторяют, восстанавливают сообщения, представляемые последовательностью символов первичного алфавита. При необходимости восстановленные сообщения подают потребителю. Кроме того, при необходимости цифровой поток битов одним из известных способов преобразуют и сохраняют на носителях информации на передающей стороне в блоке 11, и/или на приемной стороне в блоке 12. При считывании с носителя воспроизводят цифровой поток битов и по нему восстанавливают сообщения.
n
Ниже в таблице показано применение для букв русского алфавита кода Хаффмана и кодов предлагаемого способа при различных значениях М. В таблице значения вероятностей р и кода Хаффмана взяты из книги [Яглом A.M., Яглом И.М. Вероятность и информация. Изд. 5-е, стереотипное. - М.: КомКнига, 2007. 512 с.].
№пп
Буквы
Вероят-ность, Р<sub>n</sub>
№буквы в двоичной системе счисления
Код Хаффмана (2 элем. сигнала)
М = 1 (3 элем. сигнала)
М = 2 (4 элем. сигнала)
М = 3 (5 элем. сигналов)
М = 4 (6 элем. сигналов)
М = 5 (7 элем. сигналов)
М = 6 (8 элем. сигналов)
М = 7 (9 элем. сигналов)
0
пробел
0,174
00000
111
2
2
2
2
2
2
2
1
O
0,090
00001
110
02
3
3
3
3
3
3
2
Е,Е
0,072
00010
1011
12
02
4
4
4
4
4
3
А
0,062
00011
1010
002
03
02
5
5
5
5
4
И
0,062
00100
1001
102
12
03
02
6
6
6
5
Т
0,053
00101
1000
012
13
04
03
02
7
7
6
Н
0,053
00110
0111
112
002
12
04
03
02
8
7
С
0,045
00111
0110
0002
003
13
05
04
03
02
8
Р
0,040
01000
01011
1002
102
14
12
05
04
03
9
В
0,038
01001
01010
0102
103
002
13
06
05
04
10
Л
0,035
01010
01001
1102
012
003
14
12
06
05
11
К
0,028
01011
01000
0012
013
004
15
13
07
06
12
M
0,026
01100
00111
1012
112
102
002
14
12
07
13
Д
0,025
01101
00101
0112
113
103
003
15
13
08
14
П
0,023
01110
001100
1112
0002
104
004
16
14
12
15
У
0,021
01111
001010
00002
0003
012
005
002
15
13
16
Я
0,018
10000
001001
10002
1002
013
102
003
16
14
17
Ы
0,016
10001
001000
01002
1003
014
103
004
17
15
18
З
0,016
10010
000111
11002
0102
112
104
005
002
16
19
Ь,Ъ
0,014
10011
000110
00102
0103
113
105
006
003
17
20
Б
0,014
10100
000101
10102
1102
114
012
102
004
18
21
Г
0,013
10101
000100
01102
1103
0002
013
103
005
002
22
Ч
0,012
10110
000011
11102
0012
0003
014
104
006
003
23
И
0,010
10111
0000101
00012
0013
0004
015
105
007
004
24
X
0,009
11000
0000100
10012
1012
1002
112
106
102
005
25
Ж
0,007
11001
0000011
01012
1013
1003
113
012
103
006
26
Ю
0,006
11010
00000101
11012
0112
1004
114
013
104
007
27
Ш
0,006
11011
00000100
00112
0113
0102
115
014
105
008
28
С
0,004
11100
00000010
10112
1112
0103
0002
015
106
102
29
Щ
0,003
11101
00000001
01112
1113
0104
0003
016
107
103
30
Э
0,003
11110
000000001
11112
00002
1102
0004
112
012
104
31
Ф
0,002
11111
000000000
000002
00003
1103
0005
113
013
105
<mrow><mi>d</mi><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mrow><mn>32</mn></mrow></munderover><mrow><msub><mi>p</mi><mi>n</mi></msub><msub><mi>k</mi><mi>n</mi></msub></mrow></mstyle></mrow>
n
n
Приведем для заданных значений М значения средних длин кодов (количество битов, приходящихся на один символ), определяемых как
, где p- вероятности появления символов (букв) в сообщениях, к - количество битов в коде символа с номером n, и заключенные в скобки значения средних длин кодов, определяемых при равновероятных появлениях символов в сообщениях:
- для кода Хаффмана d = 4,401 (5,781),
- для предложенной системы d = 3,1 (4,219) при М = 1, d = 2,425 (3,375) при М = 2, d = 2,088(2,969) при М = 3, d = 1,862(2,625) при М = 4, d = 1,699(2,375) при М = 5, d = 1,606(2,250) при М = 6, d = 1,509(2,125) при М = 7.
Как видим, предложенная система позволяет существенно сжать передаваемую или сохраняемую информацию, в том числе и при условии равновероятного появления символов в сообщениях.
2
2
3
j
0
1
0
1
0
2
1
1
2
3
3
j
Покажем процедуру передачи и приема одного символа, например буквы А, при заданном числе дополнительно введенных значений кодов М = 1. Для буквы А номер n = 3. Тогда значение i = ndivM+l = 3div1+1 = 4 и общее число битов (и кодов битов) в указанной совокупности равно J = tranc(log i)+1 = tranc(log 4)+1 = 3. При этом значение последнего кода в указанной последовательности кодов равно K = n-(i-1) M+2 = 3-(4-1)×1+2 = 2. Другие коды последовательности определяются через l как l = i = 4, l = ldiv2 = 4div2 = 2. Тогда К = l mod 2 = 4 mod 2 = 0, К = l mod2 = 2mod2 = 0. Итак, совокупность кодов К, К, К 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 К = 2 и полученное число i = 4 восстанавливают номер n символа первичного алфавита в десятичной системе счисления n = М(i-1)+K-2 = 1×(4-1)+2-2 = 3. Этому номеру соответствует буква А.
Проиллюстрируем возможности заявляемой системы на примере передачи сообщения ТИТАНИК с использованием вероятностей появления символов в сообщениях, приведенных в таблице. Передача сообщения с использованием кода Хаффмана:
10001001100010100111100101000 - длина сообщения 29 битов, использованы 2 вида элементарных сигналов (0 и 1).
Передача сообщения в предложенной системе:
при М = 1: 0121020120021121020012 - длина сообщения 22 бита, использованы 3 вида элементарных сигналов (0, 1 и 2),
при М = 2: 1312130300212013 - длина сообщения 16 бит, использованы 4 вида элементарных сигналов (0, 1, 2 и 3),
при М = 4: 0302035040215 - длина сообщения 13 бит, 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 более эффективная система передачи (и хранение) информации, позволяющая затратить на передачу сообщения 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 символов сообщений 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».