Система передачи и приема информации

Область техники

Изобретение относится к технике связи, а точнее - к системам передачи и приема информации (СППИ) посредством цифровой связи. Проблема уве- личения технико-экономической эффективности систем передачи и приёма информации с учетом всех компонентов, влияющих на ее стоимость и техни- ческие показатели, в том числе повышения информационной вместимости без потери информации, рационального хранения и передачи сообщений яв- ляется актуальной, что, в свою очередь, требует развития и совершенство- вания способов передачи и приема информации.

Предшествующий уровень техники

Известна система передачи и приема информации [Радиотехника: Энцик- лопедия/ под ред. Ю.Л. Мазора и др. - М.: Издательский дом «Додэка -XXI», 2002, с.63-64], признаки которой реализованы, по - существу, во всех соот- ветствующих 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. Циф- ровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е испр. : пер. с англ. - М.: Издательский дом «Вильяме», 2004. - 1104 с. 32-36], содержащая последовательно функционально связанные источник информа- ции, блок представления сообщений последовательностью символов пер- вичного алфавита, блок преобразования цифрового потока в поток сигналов, передатчик, канал связи, приёмник, преобразователь потока сигналов в цифровой поток, блок восстановления символов первичного алфавита и со- общений, потребителей информации и функционально связанная с ними подсистема синхронизации.

Раскрытие изобретения

Сущность изобретения направлена на повышение технико- экономической эффективности СППИ благодаря тому, что на передающей стороне введён блок преобразования символов, выполненный с возможно- стью передачи каждого из последовательно расположенных в сообщении символов взаимно-однозначно соответствующей ему упорядоченной сово- купностью 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, причём коды с первого до предпоследнего в последователь- ности кодов, соответствующих упорядоченной совокупности битов, могут принимать значения только из набора двоичных кодов 0 и 1 , а последний код К _j может принимать значения только из дополнительно введённых зна- чений кодов. На приёмной стороне система содержит блок восстановления символов первичного алфавита, выполненный с возможностью идентифика- ции каждого из последовательно принимаемых битов двоичным кодам 0 , 1 и кодам из набора дополнительно введённых значений кодов и идентификации упорядоченной совокупности битов и соответствующей ей последовательно- сти кодов, расположенных между предыдущим принятым битом с кодом из набора дополнительно введённых значений кодов и последующим принятым битом с кодом из набора дополнительно введённых значений кодов, включая его, и возможностью по этой последовательности кодов однозначного вос- становления символа сообщения.

Для достижения указанного технического результата в системе передачи и приема информации от источника информации к её потребителю в системе цифровой связи на передающей стороне источник информации функцио- нально связан с блоком сообщений, выполненным с возможностью представ- ления сообщений последовательностью п - тых символов первичного алфа- вита, где индекс п изменяется от 0 до N , преимущественно предварительно упорядоченных по убыванию вероятности их появления в сообщениях, ука- занный блок соединён с входом блока преобразования символов, имеющим первый, а при необходимости и второй выход, выполненным с возможно- стью синхронизированной передачи каждого из последовательно располо- женных в сообщении символов взаимно-однозначно соответствующей этому п - тому символу упорядоченной совокупностью битов с общим количест- вом J и последовательностью кодов этих битов (K _l , K ₂ , ..., K _J ,..., K _J _ ₁ ,K _J ) , где индекс j принимает значения от 1 до J , J = tranc(log ₂ i) + \ , ( 1 ) где j = п divM + 1 , tr nc(X) - целая часть числа X , A divB - целая часть при де- лении целого числа А на целое число В , а М - количество значений кодов, введённых дополнительно к значениям набора двоичных кодов 0 и 1, причём код K _j принимает значение из набора М дополнительно введённых значений

2,...,М + \ в соответствии с выражением K _j = n - (i - \)M + 2 , (2) и при J = 1 указанная последовательность кодов состоит только из него, а при J > 1 возможные коды K _j в указанной последовательности кодов прини- мают значения только из набора двоичных кодов 0 и 1 для значений индекса j от 1 до J -1 через параметры 1 _} = /\_,<#ν2 , где / ₀ = , в соответствии с выра- жениями K _j = l _j _ mod 2 , (3) где Α πιοά Β - остаток при делении целого числа А на целое число В , и воз- можностью формирования таким образом цифрового потока битов, соответ- ствующих указанной последовательности получаемых кодов, также при не- обходимости дальнейшей передачи сообщения по каналу связи система со- держит блок преобразования цифрового потока битов в поток сигналов, со- вместимых с каналом связи, например, посредством идентификации кода каждого передаваемого бита и формирования сигнала, взаимно-однозначно соответствующего значению этого кода, из совокупности сигналов

S ₀ , S ₁ , S ₂ , ...,S _M+l с общим их количеством М + 2 , в которых индексы сигналов взаимно-однозначно соответствуют значениям кодов из набора двоичных кодов 0,1 и дополнительно введённых значений кодов 2,..., + 1 , указанный блок преобразования цифрового потока битов снабжён входом и выходом, вход которого соединён с первым выходом блока преобразования символов, а выход подключён к передатчику, функционально связанному через канал связи, совместимый с передаваемыми сигналами, с приёмником, подключён- ным к входу блока преобразования сигналов в цифровой поток битов, имеющего первый, а при необходимости и второй выход, первый выход ука- занного блока преобразования сигналов соединён с входом введённого в сис- тему блока восстановления символов первичного алфавита, выполненным с возможностью идентификации каждый из последовательно принимаемых битов двоичным кодам 0,1 и кодам из указанного набора м дополнитель- но введённых значений 2,...,М + \ и идентификации упорядоченной сово- купности битов и соответствующей ей последовательности кодов этих би- тов (K _v K ₂ , ..., K _j ,..., K _j _ , K _j ) , расположенных между предыдущим принятым битом с кодом из набора дополнительно введённых значений кодов и после- дующим принятым битом с кодом из набора дополнительно введённых зна- чений кодов, включая его, и возможностью по этой последовательности ко- дов однозначного восстановления п - того символа первичного алфавита, а также с возможностью замены в указанной последовательности кодов кода со значением К на код со значением 1, считывания в обратном порядке в полученной последовательности кодов двоичных цифр и перевода получен- ного таким образом числа в двоичной системе счисления в упомянутое со- ответствующее ему число / в десятичной системе счисления, кроме того блок восстановления символов первичного алфавита выполнен с возможно- стью через известное на приёмной стороне значение М , идентифицирован- ное значение K _j и полученное число / восстановления упомянутого номера и в соответствии с выражением n = M{i -\) + K _j - 2 (4) и по нему - символа первичного алфавита, также указанный блок восстанов- ления выполнен с возможностью при приёме последующих битов восстанов- ления сообщений, представляемых восстановленной последовательностью символов первичного алфавита, и при необходимости выход блока восста- новления функционально соединён с потребителями информации, а при не- обходимости система на передающей стороне содержит блок преобразования одним из известных способов и сохранения на носителях информации ука- занного цифрового потока битов, соединённый своим входом со вторым вы- ходом блока преобразования символов, и/или на приёмной стороне содержит блок преобразования одним из известных способов и сохранения на носите- лях информации указанного цифрового потока битов, соединённый своим входом со вторым выходом блока преобразования сигналов, также указанные блоки преобразования и сохранения выполнены с возможностью при считы- вании с носителя воспроизведения цифрового потока битов и восстановления по нему сообщений, также система содержит подсистему синхронизации, функционально связанную с её 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.

Осуществление изобретения

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 пре- образования символов, блок 4 преобразования цифрового потока битов в поток сигналов, передатчик 5, канал связи 6, приёмник 7, блок 8 преобразо- вания сигналов в цифровой поток битов, блок 9 восстановления символов первичного алфавита, потребителей информации 10, блоки 11 и 12 преобра- зования и сохранения цифрового потока битов, соответственно, на передаю- щей и приёмной сторонах, подсистему синхронизации 13.

Предложенная система работает следующим образом. На передающей стороне в блоке 2 сообщения от источника информации 1 представляют по- следовательностью п - тых символов первичного алфавита, где индекс п из- меняется 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 и- тому символу упорядоченной совокупностью битов с общим количеством J и последова- тельностью кодов этих битов (K^ K^ .^ KJ ^.^ K _J ^ K _J ) . Здесь J определяется в соответствии с выражением (1). Код К принимает значение из набора М дополнительно введённых значений 2, ..., М + 1 в соответствии с выражением (2). При J = 1 указанная последовательность кодов состоит только из K _S . При J > 1 возможные коды К в указанной последовательности кодов прини- мают 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 по- лучаемых кодов.

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 формиро- вания сигнала, взаимно-однозначно соответствующего значению этого кода, из совокупности сигналов S ₀ , S _{ , S ₂ ,..., S _M+] с общим их количеством М + 2 , в которых индексы сигналов взаимно-однозначно соответствуют значениям кодов из набора двоичных кодов 0,1 и дополнительно введённых значений кодов 2, ..., + 1 . Сигналы поступают на передатчик 5 и по каналу связи 6 их передают на приёмник 7, где их синхронизированно принимают и в блоке 8 преобразуют в цифровой поток битов. В блоке 9 каждый из последователь- но принимаемых битов идентифицируют двоичным кодам ОД и кодам K _j из указанного набора М дополнительно введённых значений 2, ..., + 1 . Также в нём идентифицируют упорядоченную совокупность битов и соответствую- щую ей последовательность кодов этих битовСЛ ^" ,,^,...,^,...,^^, ^) , распо- ложенных между предыдущим принятым битом с кодом из набора дополни- тельно введённых значений кодов и последующим принятым битом с кодом из набора дополнительно введённых значений кодов, включая его. По этой последовательности кодов, зная на приёмной стороне соответствие последо- вательности кодов «-тому символу первичного алфавита, однозначно вос- станавливают п - тый символ первичного алфавита. Также в блоке 9 преиму- щественно в указанной последовательности кодов заменяют код со значени- ем К _j на код со значением 1. В полученной последовательности кодов счи- тывают в обратном порядке двоичные цифры. Полученное таким образом число в двоичной системе счисления переводят в упомянутое соответст- вующее ему число / в десятичной системе счисления. Далее через известное на приёмной стороне значение М , идентифицированное значение К и полу- ченное число восстанавливают упомянутый номер п в соответствии с вы- ражением (4) и по нему - символ первичного алфавита. При приёме после- дующих битов в блоке 9 указанные действия повторяют, восстанавливают сообщения, представляемые последовательностью символов первичного ал- фавита. При необходимости восстановленные сообщения подают потребите- лю. Кроме того, при необходимости цифровой поток битов одним из извест- ных способов преобразуют и сохраняют на носителях информации на пере- дающей стороне в блоке 11, и/или на приёмной стороне в блоке 12. При счи- тывании с носителя воспроизводят цифровой поток битов и по нему восста- навливают сообщения. Ниже в таблице показано применение для букв русского алфавита кода Хаффмана и кодов предлагаемого способа при различных значениях М .

В таблице значения вероятностей р _п и кода Хаффмана взяты из книги [Яглом A.M., Яглом И.М. Вероятность и информация. Изд. 5-е, стереотипное. - М.: КомКнига, 2007. 512 с. ].

Приведём для заданных значений М значения средних длин кодов (коли-

32 чество битов, приходящихся на один символ), определяемых как d = p _n k _n ,

=1 где ρ„ - вероятности появления символов (букв) в сообщениях, к _п - количест- во битов в коде символа с номером п , и заключённые в скобки значения средних длин кодов, определяемых при равновероятных появлениях симво- лов в сообщениях:

- для кода Хаффмана с/ = 4,401 (5,781) ,

- для предложенной системы d = 3,1 (4,219) при М = \, d = 2,425 (3,375) при М = 2, d = 2,088 (2,969) при М = 3, ^ = 1,862 (2,625) при М = 4, d = 1,699 (2,375) при А/ = 5, </ = 1,606 (2,250) при = 6, </ = 1,509 (2,125) при М = 7.

Как видим, предложенная система позволяет существенно сжать переда- ваемую или сохраняемую информацию, в том числе, и при условии равнове- роятного появления символов в сообщениях,

Покажем процедуру передачи и приёма одного символа, например, буквы А , при заданном числе дополнительно введённых значений кодов М = 1. Для буквы А номер п-3. Тогда значение i-ndivM + l = 3divl+l = 4 и общее число битов (и кодов битов) в указанной совокупности равно J = tranc(\og ₂ i) + 1 = tranc(\og ₂ 4) + 1 = 3. При этом значение последнего кода в ука- занной последовательности кодов равно К _ъ =«-(г ^' -1) + 2 = 3-(4-1)х1 + 2 = 2. Другие коды последовательности определяются через как / ₀ = / = 4 , [ = l ₀ div2 = 4div2 = 2. Тогда К _х =/ ₀ mod2 = 4mod2 = 0 , Κ ₂ =Ι _λ mod2 = 2mod2 = 0. Итак, совокупность кодов К _Х ,К ₂ ,К _Ъ есть 002. Их преобразуют в поток сигналов, взаимно-однозначно соответствующих значениям кодов. При приёме сигна- лы обратно преобразуют в цифровые потоки битов, каждый из последова- тельно принимаемых битов идентифицируют двоичным кодам 0,1 и коду 2. При приёме 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 считыва- ют его в обратном порядке. Полученное в двоичной системе счисления чис- ло 100 переводят в соответствующее ему число / в десятичной системе счисления (г = 4). Через известное на приёмной стороне значение = 1, идентифицированное значение К _ъ =2 и полученное число г =4 восстанавли- вают номер п символа первичного алфавита в десятичной системе счисления и = (г ^' -1) + ^ _/ - 2 = 1х (4 -1) + 2 - 2 = 3 . Этому номеру соответствует буква А.

Проиллюстрируем возможности заявляемой системы на примере переда- чи сообщения ТИТАНИК с использованием вероятностей появления симво- лов в сообщениях, приведённых в таблице.

Передача сообщения с использованием кода Хаффмана:

10001001100010100111 100101000- длина сообщения 29 битов, использованы 2 вида элементарных сигналов ( 0 и 1 ).

Передача сообщения в предложенной системе:

при = 1 : 0121020120021121020012 - длина сообщения 22 бита, использованы 3 вида элементарных сигналов (0 , 1 и 2 ),

при = 2 : 1312130300212013 - длина сообщения 16 бит, использованы 4 вида элементарных сигналов (0 , 1 , 2 и 3 ),

при М = А : 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 увеличивает- ся, 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.

Промышленная применимость

Таким образом, предложена более эффективная система передачи (и хра- нение) информации, позволяющая затратить на передачу сообщения меньше времени и, соответственно, увеличить информационную вместимость канала связи, при хранении же используется меньше площади/объёма носителя. Система проста в реализации с использованием современной элементной ба- зы, т.к. алгоритм кодирования и восстановления символов сообщений пред- ставлен в виде простых выражений. Также при передаче и приёме инфор- мации осуществляют её сжатие без потерь и не требуются разделители ме- жду символами. Промышленная применимость. Настоящее изобретение может быть при- менено для развития и совершенствования существующих и перспективных систем связи. СППИ по данному изобретению позволяет эффективно исполь- зовать ресурс. Проведенный анализ позволил установить: аналоги с сово- купностью признаков, тождественных всем признакам заявленного техниче- ского решения, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленной сис- темы условию «новизны». Результаты поиска известных решений в области СППИ с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от из- вестных признаками заявляемой системы, показали, что они не следуют яв- ным образом из уровня техники. Следовательно, заявленное изобретение со- ответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».