Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Диссертация посвящена разработке основ теории адаптивной импульсно — кодовой модуляции (АИКМ) применительно к передаче непрерывных сообщений, в частности, речевых сигналов.
Как известно, обработка, хранение и передача информации являются важнейшими функциями всех отраслей народного хозяйства. Именно поэтому в Основных направлениях экономического и социального развития до 2000-го года запланировано совершенствование средств и систем связи, методов управления информационными потоками, методов эффективной обработки информации.
Задача эффективной передачи сообщений по каналам связи изучалась и изучается как в теории информации, где на первом плане стоит исследование предельно достижимых характеристик, так и в теории связи, где упор, делается на техническую реализацию и на усовершенствование уже существующих решений.
В математической теории информации передача аналогового сообщения трактуется как кодирование непрерывного источника с заданнык' критерием верности. Цель кодирования состоит в получении дискретного представления возможно меньшего объёма, однако при этом должна сохраниться возможность восстановления исходного сигнала с заданной точностью. Первые результаты в этом направлении получень основоположником теории информации К.Шенноном. Дальнейшее развитие эта теория получила в работах многих советских и зарубежных учены? - Добрушина Р.Л., Колмогорова А.Н., Тихомирова В.М., Галлагера Р., Цыбакова B.C., Пинскера М.С., Кричевского Р.Е., Штарькова Ю.М.. Бергера Т. и др.
В практических системах передачи аналоговых сигналов — речевых, телевизионных, телеметрических и других — широко используются цифровые методы, основанные на импульсно—кодовой модулящп (МКМ). Цифровые системы обладают рядом достоинств: повышенной по
мехоустойчивостью, универсальностью, хорошими эксплуатационными качествами. Система ИКМ, кроме того, имеет ценное свойство — относительно простую техническую реализацию. В настоящее время она внедрена почти во все области, нуждающиеся в цифровой связи; имеется рекомендация МККТТ G.711 по применению ИКМ для передачи речи.
Теоретические предпосылки для создания ИКМ содержались в работе В.А.Котельникова 1933 г., в которой указывалось на возможность при определенных условиях восстанавливать аналоговый сигнал по его отсчетным значениям с любой степенью точности. Первая практическая система ИКМ была предложена во Франции А.Ривзом в 1938 г. С тех пор системе ИКМ посвящено много статей, монографий, учебников. Одной из первых была статья Б.Оливера, И.Пирса и К.Шеннона 1948 г. Большой вклад в теорию и применение ИКМ внесли Л.Е Вара-кин, А.И.Величкин, Э.И.Гитис, Г.В.Горелов, В.Э.Гуревич, А.Г.Зюко, З.С.Карамов, И.П.Кнышев, Б.Р.Левин, М.В.Назаров, О.Н.Новоселов, Н.Т.Петрович, В.А.Свириденко, А.В.Солодов, С.Н.Терентьев, Б.Е.Трофимов, А.Ф.Фомин, А.А.Харкевич, К.В.Кэтермоул, Дж.Беллами и др.
Одновременно с широким применением ИКМ возникла потребность в усовершенствовании втой системы. Это связано с тем, что даже для стационарного сигнала система ИКМ не реализует потенциальные возможности аналого — дискретного преобразования, определяемые теорией эпсилон — энтропии. В случае нестационарности или неполной статистической определенности нередко возникает несоответствие расчетных значений параметров и характеристик сигнала, следствием чего является избыточность, снижающая фактическую скорость передачи. Поэтому задача повышения эффективности цифровых систем передачи аналоговых сообщений, использующих ИКМ, является актуальной.
Одно из развивающихся направлений решения втой задачи состоит в разработке адаптивных систем ИКМ, т.е. таких систем, основные параметры которых перестраиваются при изменении характеристик сигнала. Первыми и наиболее простыми адаптивными системами были дельта—модуляция (ДМ) и дифференциальная импульсно—кодовая модуляция (ДИКМ). Система ДМ запатентована во Франции в 1946 г. (авторы — Е.М.Делорэн, С.Ван Миерло, Б.Державин). Независимо система ДМ била
изобретена в нашей стране в 1948 г. (автор — Л.А.Коробков). Сие тема ДИКМ запатентована в США в 1952 г. Большое влияние на стано вление и развитие нового научного направления — адаптивной им пульсно—кодовой модуляции (АИКМ) — оказали Ю.Л.Бортняков. А.И.Величкин, М.Д.Венедиктов, Н. И.Козленке, Г.Г.Меньшиков, В.С.Мо лодцов, М.В.Назаров, Л.В.Панова, В.А.Перцева, Ю.Н.Прохоров. М.З.Петрова, В.А.Погрибной, И.В.Ситняковский, Р.И.Шендеров. В.М.Штейн, Н.Г.Харатишвили, В.П.Яковлев, Х.Ван де Вег, Дж.Вулф. Дж.Джайант, И.О'Нил, Д.Слепян, Л.Сеттерберг, И.Сонг, Т.Л.Файн. Х.Шиндлер, А.Хайаши и др.
Однако, несмотря на большое число работ, опубликованных к на чалу 70-х годов (начало исследований автора диссертации), основі теории АИКМ не были разработаны: не было общих принципов построе ния адаптивных алгоритмов; не представлен весь класс систем АИКМ. разрозненно описаны лишь отдельные системы; не было и общих мето дов анализа, пригодных для любых конкретных систем в различных ус ловиях — отсутствия или наличия шумовых искажений в канале связи
разработка на основе системы ИКМ и при сохранении простої технической реализации общих принципов построения адаптивных сие тем, вырабатывающих сигнал управления основными параметрами путег анализа квантованных отсчетов без необходимости передачи отдельны сообщений о значениях регулируемых параметров;
построение основ статистической теории систем АИКМ, позво ляющей находить любые статистические характеристики для любой и-систем этого класса при заданном статистическом описании входног< сигнала;
проверка применимости различных систем АИКМ для передач-реальных сигналов и оценка их эффективности по отношению к ИКМ.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Работа автора 1972 г. [16] была, по видимому,первой из отечественных работ, положивших начало метод точного вероятностного анализа систем АИКМ. В ней рассмотрен новы алгоритм адаптивного квантования с регулировкой диапазона, осно ванной на алгоритме автоматической регулировки порога [2], и сое
тавлено рекуррентное соотношение для вычисления совместного распределения сигнал» и регулируемого параметра. Идеи етой работы получили непосредственное развитие в: докладе на Третьем Международном симпозиуме по теории информации 1973 г. [17] и в более поздних публикациях [5. 6, 18, 20 - 29]. Вработе 1974 г. [19] и позднее в [4] приведена классификация систем АИКМ и описаны новые алгоритмы. Особенность етой классификации в том. что она позволила выделить класс систем без служебной информации, к который применим разрабатываемый метод вероятностного анализа. Метод вероятностного анализа был распространен на вое системы данного класса в работе [34]. что для многопараметрических систем было сделано впервые. Определенную часть общего метода анализа составила задача оценки влияния шума в канале на характеристики систем АИКМ [7-11. 25. 27 - 29]. Моделирование цифровой переда-чи реального речевого сигнала с использованием различных типовых алгоритмов АИКМ впервые позволило оценить сравнительную еффектив-ность всех 8тих систем по отношению к ИКМ и выявить условия, при которых та или иная система является наиболее аффективной [35].
Отдельные конкретные результаты совпадают с известными: система DOH позволяет вдвое уменьшить длительность цифрового представления по сравнению с ИКМ (см. выводы МККТТ по АДИКМ).
Впервые рассмотрен вопрос о сравнительной оценке сложности устройств АИКМ на передающей и приемной сторонах системы связи. Показано, что сложность примерно того же порядка, что и для систем ИКМ (см. Приложение к диссертации и [1]).
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. В диссертации использованы понятия, методы и результаты теории управления, теории информации, теории вероятностей и случайных процессов, математической статистики. Проведены расчеты и моделирование на ЭВМ.
РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ. Проведенные исследования явились составной частью плановых научно - исследовательских работ, проводимых в Радиотехническом институте имени академика А.Л.Минца АН СССР и связанных с разработкой переспективных методов обработки инфор-
мации. Темы исследований .утверждены директивными органами. Осн нне научные результата использованы и внедрены в ряде организац-что подтверждается соответствуицими актами и справками.
В Лаборатории автоматизированной обработки звукозаписей На но - исследовательского центра космической документации СССР пользован метод анализа статистических характеристик и алгори-сжатия при разработке системы сжатия цифрового представления ре вого сигнала, что Яозволило- в три раза сократить избыточное Разработка системы сжатия необходима для успешного решения за реставрации фотодокументов автоматизированной системой обрабо звукозаписей. Создание автоматизированной системы осуществляете соответствии с заданием 07.12А Научно—технической програ 0.80.03 "Создание новых и развитие действующих систем автоматич кого проектирования и автоматизированных систем научных исследо ний в народном хозяйстве", утвержденной постановлением ГКНТ ССС АН СССР от 10.11.1985 г. J» 573/137.
В Новосибирском электротехническом институте связи в разра тках отраслевой научно - исследовательской лаборатории приме метод анализа отатиотачеоких характеристик систем цифровой пере чи с АИКМ и использована методика', оценки помехоустойчивости, позволило более, чем вдвое сократить время испытаний системы с тиетическото уплотнения телефонного канала и избежать дорогост щих разработок.
В КБ "Связьморпроект" результаты диссертации предполагав применять в перспективных разработках по теме "Подковка - 4", по теоретическим оценкам позволит на 30* снизить избыточность.
Результаты теории АИКМ вошли составной частью в учебные ку и пособия. В Рязанском радиотехническом институте монография рекомендована в качестве учебного пособия по курсу "Основы тео систем передачи сообщений". В Ленинградском институте авиационн приборостроения отдельные главы книги [1] рекомендованы в качес учебного пособия для курсов "Проектирование сиотем передачи инф мации" и "Кодирование и декодирование сообщений".
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ. Она заключается в том, что разработанные методы анализа и адаптивные алгоритмы позволяют решать ряд важных технических задач, в частности:
увеличить реальную скорость передачи непрерывных сообщений за счет сокращения избыточности;
избежать дорогостоящих макетных разработок и испытаний, теоретическим путем определить оптимальные параметры системы;
теоретически обосновать требования к пропускной способности и шумовым свойствам канала, по которому предполагается передавать цифровые сигналы АИКМ.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались: на четырех Международных симпозиумах по теории информации; на пяти Всесоюзных конференциях по теории кодирования; на четырех Всесоюзных симпозиумах по проблеме избыточности; на шести других Всесоюзных и Республиканских конференциях (см.[I6 -36))» а также на научных семинарах в Москве, Ленинграде, Риге, Киеве, Харькове.
ПУБЛИКАЦИИ. Всего по теме диссертации выполнено 58 научных работы, из них печатных — 53. Написана одна монография. Имеется два авторских свидетельства на изобретения.
ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА. Работы [7 - 11, 16, 33J
выполнены единолично. Остальные работы написаны в соавторстве, причем во всех случаях, кроме ИЗ . 30, 31], имеет место неделимое соавторство. В этих последних автору принадлежит принцип действия устройств и связи между блоками, реализующими стандартные операции.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Работа состоит из Введения, семи глав, Заключения, библиографии на русском и английском языках (всего 363 наименования) и одинадцати Приложений. Основной текст содержит 224 стр., библиография и Приложения — 109 стр., рис. — 36, табл. — 23.