ОДЕСЬКА НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ ЗВ'ЯЗКУ ім. О.С. Попова

МАМЕДОВ ІСА РАХМАН ОГЛИ

УДК 621.397.23: 621.394.832

РОЗРОБКА НОВИХ МЕТОДІВ ПЕРЕДАВАННЯ НЕРУХОМИХ

І ГРАФІЧНИХ ЗОБРАЖЕНЬ ПО КАНАЛАХ ЗВ'ЯЗКУ.

ТЕОРІЯ І ТЕХНІКА

Спеціальність 05.12.17 – радіотехнічні та телевізійні системи

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

ОДЕСА – 2002

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Азербайджанському технічному університеті

Науковий консультант:

заслужений діяч науки і техніки РФ, лауреат Державної премії СРСР, доктор технічних наук, професор Новаковський Сергій Васильович, Московський технічний університет зв'язку й інформатики, професор кафедри.

Офіційні опоненти:

заслужений діяч науки і техніки України, докт. техн. наук, професор Гофайзен Олег Вікторович, Одеська національна академія зв'язку ім. О.С. Попова, завідувач кафедри;

докт. техн. наук, професор Грицьків Зінон Дмитрович, Національний університет “Львівська політехніка”, завідувач кафедри.

докт. техн. наук, професор Філіпський Юрій Костянтинович, Одеський національний політехнічний університет, професор кафедри.

Головна організація:

Національний технічний університет України (КПІ), Міністерство освіти та науки України, м. Київ.

Захист відбудеться 25.04.2002 р. о 14 годині на засіданні Спеціалізованої ради Д41.816.01 в Одеській національній академії зв'язку ім. О.С. Попова за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Кузнечна, 1.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Одеської національної академії зв'язку ім. О.С. Попова

Автореферат розісланий 22.03.2002 р.

Вчений секретар Спеціалізованої вченої

ради, доктор технічних наук, професор А.М. Іваницький

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Прогнозування майбутніх напрямків розвитку телебачення дозволяє говорити про перспективність створення багатофункціонального телебачення, за якого сучасна система телевізійного (ТВ) мовлення стає комплексною ТВ системою, що працює в пасивному й інтерактивному режимах, а домашній телевізор використовується для відтворення сигналів як ТВ-мовлення, так і сигналів різних систем масового телевізійного інформаційного обслуговування (СМТІО). У результаті вдосконалення відомих і розроблення нових СМТІО забезпечується потреба сучасної людини в отриманні необхідної інформації й ефективне використання радіочастотного спектра й апаратури передавання і приймання.

Слід зазначити, що, на відміну від одночасного передавання різних зображень, тут сигнали різних додаткових служб – пасивної системи довідкового телебачення типу “Телетекст”, інтерактивної системи типу “В'юдейта” і системи передавання нерухомих і графічних телевізійних зображень (НТЗ і ГЗ) та інші передаються разом зі звуковим супроводом. Вибираються і відтворюються зображення СМТІО за бажанням глядача. А при звичайному одночасному передаванні всі зображення, що передаються відтворюються незалежно від бажання глядача, що є істотним недоліком останньої. Тому розроблення різних СМТІО, у тому числі й систем передавання НТЗ і ГЗ, є перспективним. Обмежена можливість системи типу “Телетекст”, а саме обмежена кількість переданої інформації, відмінність зображень системи від звичайних ТВ зображень, відсутність зворотного каналу для запиту необхідної інформації призвели до виникнення ідеї створення більш ефективної системи СМТІО у виді систем передавання НТЗ і ГЗ. Подібні питання були поставлені в зарубіжній і радянській літературі два десятиліття тому.

Розроблення систем телебачення високої і підвищеної чіткості призвела до переходу на цифрове ТВ-мовлення. Із запровадженням систем цифрового ТВ-мовлення відкриваються широкі можливості впровадження різноманітних варіантів систем передавання НТЗ і ГЗ. Тому протягом останніх двох років запропоновані різноманітні проекти Міжнародного Союзу Електрозв'язку (МСЕ), в яких пропонується розроблення систем ТВ-мовлення з інтеграцією служб.

Системи передавання НТЗ і ГЗ є більш інформативними порівняно з іншими системами СМТІО, але впровадження цих систем потребує вирішення серйозних наукових проблем, серед яких проблеми формулювання принципів збільшення кількості інформації, що передається, зменшення спотворень і помилок у результаті виникнення часових флуктуацій у системі зв'язку, зменшення міжсимвольних інтерференцій (МСІ), вибір форми сигналу тощо є першорядними. Основні проблеми створення систем передавання НТЗ і ГЗ пов'язані з відмітною від інших видів СМТІО особливістю формування сигналів зображення.

Сигнали систем передавання НТЗ і ГЗ формуються електронним способом – перетворенням “світло-сигнал”, тоді як сигнали систем довідкового телебачення виробляються за допомогою знакогенератора. Ця істотна відмінність ставить нові задачі перед розробниками систем передавання НТЗ і ГЗ. Вивчення статичних особливостей НТЗ і ГЗ, кодування таких зображень, визначення кількості інформації, що передається НТЗ і ГЗ та подання зображень НТЗ і ГЗ у вигляді цифрових сигналів ТБ є основними визначальними задачами при створенні перспективних систем передавання НТЗ і ГЗ. Передавання НТЗ і ГЗ багатофункціональним телебаченням потребує значного збільшення кількості додаткової інформації (ДІ), що передається, що робить актуальним вивчення і впровадження нових, більш ефективних методів передавання сигналів ДІ у складі аналогового і цифрового сигналів ТВ-мовлення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Актуальність проблеми, необхідність вирішення вищезгаданих задач доведені також останніми документами МСЕ, в яких знайшла свій відбиток важливість створення систем передавання НТЗ і ГЗ, та план їх розроблення прийнятий багатьма країнами світу. Виконання цієї роботи в Азербайджані почалося відповідно до плану про економічний і соціальний розвиток країни в 1986 -1990 рр. (постанова Ради Міністрів Азербайджанської РСР № 385 від 13 грудня 1985 р.) за тематикою “Розробка – дослідження оптимальної системи передавання дискретної інформації радіоканалом” (номер державної реєстрації – 01860104255), що увійшло до Загальносоюзного науково-технічного плану за № 074.03. Розроблення пристроїв тактової синхронізації і компенсації часових флуктуацій для цифрових систем передачі вищого порядку проводилися в рамках госпдоговірних НДР в Азербайджанському політехнічному інституті в 1984 – 1989 рр. разом із НДІ “Дальній зв'язок” (м. Санкт-Петербург). До наукових звітів із цих розробок (№ державної реєстрації – 062374; 115262; 055018) увійшли результати дисертації за зазначеною тематикою.

Мета і задачі дослідження. Метою цієї роботи є розроблення нових принципів ефективного передавання додаткової відеоінформації для створення системи передавання НТЗ і ГЗ у багатофункціональному телебаченні.

Для досягнення зазначеної мети в процесі виконання роботи розглядалися такі комплексні задачі:

1. Розроблення систем передавання НТЗ і ГЗ у складі аналогового і цифрового сигналів ТВ-мовлення.

2. Постановка і вирішення проблем передавання сигналів НТЗ і ГЗ у складі аналогового і цифрового сигналів ТВ-мовлення.

3. Розроблення вимог до допустимих значень часових флуктуацій під час передавання різних сюжетів каналом ТВ зв'язку.

4. Визначення й аналіз імовірнісних характеристик викидів, часу перебування в обраній області сигналу яскравості ТВ-мовлення.

5. Постановка і вирішення задач: з визначення енергетичного спектра і кореляційної функції на виході каналу з випадковою затримкою імпульсів сигналу; з розроблення систем точної компенсації часових флуктуацій.

6. Вирішення задач з вибору форми сигналів НТЗ і ГЗ й елементарних імпульсів сигналів, а також зі зменшення міжсимвольних інтерференцій шляхом використання найбільш придатного елементарного імпульсу.

Об'єктом дослідження є системи передавання НТЗ і ГЗ у багатофункціональному мовному телебаченні.

Предметом дослідження є нові методи передавання НТЗ і ГЗ у вигляді додаткової інформації у багатофункціональному ТВ мовленні.

Методи дослідження. У роботі використовуються теоретичні й експериментальні методи дослідження. У теоретичних дослідженнях використовуються теорія оцінки параметрів, теорія завадостійкості, теорія ймовірності, теорія оброблення сигналів.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Вперше знайдена інформативність окремих ділянок сигналів ТВ-мовлення і застосовані статистичні методи часового ущільнення неінформативних ділянок цього сигналу сигналами НТЗ і ГЗ і тим самим збільшена кількість ДІ, що передається. Вперше визначені нові статистичні властивості сигналів НТЗ і ГЗ, за допомогою яких з'являється можливість визначення кількості інформації НТЗ і ГЗ, що підлягає передаванню.

2. Вперше для різних типів зображень отримані вирази для визначення припустимих значень зміни сигналу яскравості ТВ-мовлення і часових флуктуацій, що виникають у цифрових системах ТВ-мовлення і зв'язку.

3. Вперше запропоновані нові, більш точні методи й пристрої виявлення і компенсації часових флуктуацій і можливість застосування кожного з них залежно від умов приймання.

4. Вперше розроблена методика вибору форми сигналу й елементарного імпульсу, що дозволяє зменшити МСІ. Визначено зміни імовірнісних характеристик сигналів НТЗ і ГЗ під час проходження цих сигналів через канал ТВ зв'язку:

·

· енергетичний спектр сигналів НТЗ і ГЗ на виході каналу ТВ зв'язку,

а також форма елементарного імпульсу на виході цього каналу при різноманітній формі імпульсу на його вході.

Достовірність результатів обґрунтована теоретичними й експериментальними дослідженнями. При теоретичних дослідженнях використовується адекватний математичний апарат. Експериментальні дослідження проводяться шляхом моделювання на ЕОМ, а також використанням реального каналу ТВ зв'язку.

У таблиці 1 наведені основні наукові положення і результати, що отримані в дисертаційної роботі.

Практичне значення отриманих результатів. Практична цінність роботи полягає в наступному:

1. Докладна класифікація методів ущільнення всіх видів сигналів дозволяє оцінити і визначити ймовірності передавання сигналів у різних системах зв'язку методом ущільнення.

2. Запропоновані методи ущільнення аналогового сигналу ТВ-мовлення дозволяють ефективно передавати НТЗ і ГЗ, а також можуть бути використані і при ущільненні інших сигналів.

3. Отриманий вираз для визначення оптимального значення потужності АП використовується в інтерактивної системи багатофункціонального ТБ.

4. Отримані вирази для квантування сигналу яскравості ТВ-мовлення, порогові значення помітності зміни яскравості (або припустимі значення рівня часових флуктуацій) можна використовувати під час оброблення ТВ сигналу.

5. Отримані вирази густини ймовірності рівня сигналів НТЗ і ГЗ дозволяють визначити кількість ДІ, що передається в системах СМТІО й в інших системах зв'язку.

6. Визначення статистичних параметрів викидів сигналу яскравості ТВ-мовлення над заданим рівнем – середнього значення числа викидів, тривалості викидів і середнього значення часу перебування цього сигналу в обраній області дозволяє, з одного боку, оцінити інформативність самого сигналу ТВ-мовлення і, з іншого боку, створює можливість ущільнення цього сигналу сигналами НТЗ і ГЗ.

7. Запропонований метод виявлення часових флуктуацій дозволяє побудувати схему більш точної компенсації названих спотворень, що можна використовувати в усіх системах цифрового зв'язку, в яких вимагається компенсація часових спотворень.

8. Вивчення основних параметрів сигналів і імпульсів, а також дослідження спотворень цих імпульсів під час їхнього проходження через канал ТВ зв'язку з різними параметрами дозволяють вибрати форму самого сигналу й елементарного імпульсу.

Результати, отримані в дисертаційній роботі, використані в навчальному процесі під час підготовки навчального посібника “Проектування радіопередавачів з амплітудною модуляцією” і конспектів лекцій за курсом “Основи цифрового телебачення”, складеної для інженерів, які проходили перепідготовку за програмою Тасis.

Результати дисертаційної роботи також були впроваджені в Азербайджанському Державному Комітеті з Гідрометеорології під час уведення до експлуатації супутникової системи зв'язку “ТВ-Метео-Інформ”. При удосконаленні системи “РRESENT” використаний метод ущільнення “малоінформативних” рядків, запропонований у дисертаційній роботі.

Особистий внесок здобувача. Основні матеріали і наукові результати, викладені в докторській дисертації, належать автору. Ці результати відбиті у двох монографіях, статтях і авторських посвідченнях, написаних без співавторів або з науковим консультантом. У спільних публікаціях інші співавтори брали участь у збиранні матеріалів за даною темою й у проведених експериментах. Наукові результати цих статей належать здобувачу. Співавтори Мусаєв М.Б. та Ісмайлов З.А. виконують наукову роботу під керівництвом автора дисертації.

Апробація результатів роботи. Основні результати, отримані в дисертації, доповідались і обговорювалися на семінарах професорсько-викладацького складу Азербайджанського технічного університету (1984-2001 рр.), Московського інституту зв'язку (1994 р.), Московського технічного університету зв'язку й інформатики (1999 р.), Грузинського технічного університету (1998, 2000 р.), на Азербайджанських республіканських і всесоюзних конференціях у Баку (1985, 1988, 1994, 1995, 2000 р.), на Міжнародній конференції у Москві (1994 р.), у Баку (1998 р.).

Публікації. Основний зміст поданої роботи відбито у двох монографіях (видавництва “Радио и связь” – м. Москва, “Наука” – м. Баку), навчальному посібнику, 21 статтях, опублікованих у спеціалізованих закордонних (“Радиотехника”, “Электросвязь”, “Техника кино и телевидения”, “Системы и средства связи, телевидения и радиовещания”, “Georgian Engineering News”, “Интеллект”) і Азербайджанських республіканських (“Technics”, “Ученые записки”, тематичні збірники АзТУ) журналах, 3 авторських посвідченнях.

Обсяг роботи. Дисертація складається зі змісту, шістьох розділів, висновків, списку використаних джерел, що включає 194 найменувань і 10 додатків. Робота містить 346 сторінок тексту, із яких 55 сторінок рисунків, 9 сторінок таблиць та 63 сторінки додатків.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність, наведено сутність проблеми і сформовані основні цілі і задачі дослідження.

У першому розділі “Методи і системи передавання НТЗ і ГЗ у складі аналогового і цифрового сигналів ТВ-мовлення” подається стисла характеристика всіх відомих СМТІО. Показана перспективність систем передавання НТЗ і ГЗ.

У роботі показано, що системи передавання НТЗ і ГЗ знаходяться в стадії розробки і для впровадження цих систем потрібно вирішити серйозні наукові проблеми, що стосуються процесів формування, передавання і відтворення сигналів цих систем.

Порівняння одноканальної, двоканальної і автономної систем показують, що всі три системи потребують подальшого удосконалення. В одноканальній і двоканальній системах кількість ДІ, що передається у складі сигналу ТВ-мовлення обмежена. Крім того, у двоканальній системі ускладнюється декодер системи. В автономних системах потрібний окремий вільний канал ТВ-мовлення й апаратура передавання і приймання. Тому дослідження можливостей збільшення кількості ДІ, що передається в усіх трьох системах є важливою задачею під час створення систем передавання НТЗ і ГЗ.

Сучасний багатофункціональний телевізор забезпечує відтворення сигналів різних додаткових служб, сигналів телебачення високої і підвищеної чіткості. У результаті створюється телебачення з високою інтеграцією служб. При цьому вибір найбільш перспективної системи передавання сигналів НТЗ і ГЗ, структури телевізора, об'єднання різних декодерів із метою зменшення їхньої складності, габаритів і вартості є актуальними задачами.

У літературі з проблем передавання сигналів НТЗ і ГЗ каналами зв'язку і мовлення досліджуються питання підвищення якості зображення шляхом завадостійкого кодування, точної синхронізації, корекції часових флуктуацій, зменшення МСІ тощо, а також збільшення кількості інформації, що передається шляхом застосування більш ефективних методів ущільнення, модуляції і передавання сигналів. Але не визначаються гранично допустимі значення часових флуктуацій, що призводять до спотворень або помилок під час приймання, залежність помітності спотворень від структури виникнення часових флуктуацій, не оцінюються точність корекції часових флуктуацій. З огляду на важливість вирішення зазначених проблем, у роботі ставиться задача визначення зазначених параметрів і розроблення більш точних методів і пристроїв корекції часових флуктуацій.

Збільшення швидкості передавання сигналів ДІ і зменшення МСІ пов'язані з формою обраних імпульсів. У літературі розглянуті параметри і ймовірності застосування різних імпульсів для передавання сигналів ДІ. Але не провадяться конкретні дослідження з вибору форми сигналу й елементарного імпульсу для передавання НТЗ і ГЗ і тому ця проблема має бути вивчена під час розроблення цих систем.

Описано різні досконалі методи ущільнення й ефективного використання радіочастотного спектра, що служать, з одного боку, підвищенню якості зображень, а з іншого – збільшенню кількості інформації, що передається. Можливості ефективного використання і підвищення інформативності комплексного сигналу, що складаються із сигналу ТВ-мовлення і сигналів додаткових служб не вичерпані і потребують подальших теоретичних і практичних досліджень цих питань під час впровадження систем передавання

НТЗ і ГЗ.

Крім зазначених проблем, у результаті аналізу літератури показано, що для впровадження систем передавання НТЗ і ГЗ необхідно також вирішити задачі, пов'язані з підвищенням завадостійкості систем шляхом застосування корегувальних кодів, визначенням статистичних властивостей зображень НТЗ і ГЗ і кількості ДІ, що передається зменшенням кількості інформації, що передається НТЗ і ГЗ шляхом ефективного кодування цих зображень тощо.

Другий розділ “Нові можливості” передавання сигналів НТЗ і ГЗ у складі аналогового і цифрового сигналів ТВ-мовлення” присвячується застосуванню більш ефективних методів ущільнення аналогового і цифрового сигналів ТВ-мовлення, збільшенню кількості переданої інформації НТЗ і ГЗ у складі сигналу основної програми, вивченню шляхів вирішення проблем, що виникають під час передавання цифрового сигналу НТЗ і ГЗ у складі аналогового і цифрового сигналів ТВ-мовлення.

У сумісних системах сигнали НТЗ і ГЗ ущільнюються аналоговим або цифровим сигналами ТВ-мовлення, а в автономних системах відбувається ущільнення сигналів різних програм НТЗ і ГЗ між собою. У роботі виробляється повна класифікація методів ущільнення сигналів. Знаючи особливості кожного з цих методів ущільнення, можна вибрати найбільш придатний, визначити недоліки і переваги кожного з них, вивчити нові можливості ущільнення сигналів НТЗ і ГЗ з аналоговими або цифровими сигналами ТВ-мовлення.

У роботі пропонуються перетворення телевізійного сигналу протягом, наприклад, “малоінформативних” рядків (рядків, протягом яких сигнал яскравості не змінюється за часом) з метою збільшення кількості передаваної ДІ. В одному з них сигнал яскравості “малоінформативних” рядків перетворюється в послідовність П-образних імпульсів, далі ця послідовність піддається широтно-імпульсній модуляції на передавальній стороні. Модулювальним сигналом при цьому є цифровий сигнал НТЗ і ГЗ. Модуляцію виконують із таким розрахунком, щоб отримані “вирізки” в сигналі яскравості не були помітні оку спостерігача на приймальній стороні.

В іншій запропонованій сумісній системі застосовується ущільнення сусідніх “малоінформативних” рядків парного і непарного полів ТВ кадру. Якщо сусідні рядки парного і непарного полів є “малоінформативними”, то в них на піднесівній частоті передаються сигнали НТЗ і ГЗ, наприклад, частотною маніпуляцією. Для нормального частотного суміщення піднесівні частоти вибираються рівними половині непарної кратної рядкової частоти й у тій області спектра частот, що не зайнята кольорорізницевими сигналами. Зміна фази усуває помітність піднесівної частоти, проте не можна надмірно зменшити піднесівну частоту, тому що низькі піднесівні частоти створюють крупноструктурні завади, що можуть виявитися помітними оку спостерігача.

Проте кількість “малоінформативних” рядків у ТВ кадрі може виявитися незначною. По-перше, під час формування повного ТВ сигналу на передавальній стороні до вихідного сигналу добавляються шуми самого датчика сигналу і наступних каскадів. У результаті значення сигналу яскравості даного “малоінформативного” рядка змінюється за часом. По-друге, у реальних ТВ зображеннях рідко зустрічаються рядки з цілком незмінними сигналами яскравості. Тому для збільшення кількості ДІ, що передається, запропоновані різні методи ущільнення сигналів “низькоінформативних” рядків у сумісному багатофункціональному телебаченні.

Для автоматичного виявлення таких “низькоінформативних” рядків пропонується блок дослідження “низькоінформативних” рядків, в якому сигнал яскравості поділяється на постійну і змінні складові. Далі постійна складова (або частина, що повільно змінюється) сигналу яскравості порівнюється із сигналом яскравості цього ж рядка. Для того, щоб рядок вважався “низькоінформативним”, різниця цих двох напруг протягом усього рядка не має перевищувати допустиме значення. Крім того, постійна складова сигналу яскравості не повинна змінюватися за часом протягом цього рядка.

У дисертаційній роботі показано, що вирішення проблем, які виникають під час передавання сигналів НТЗ і ГЗ у складі цифрового сигналу ТВ-мовлення і зв'язку, є актуальною задачею через впровадження в експлуатацію цифрових систем. При цьому виникають проблеми у процесі формування цифрового сигналу багатофункціонального ТБ, цифрового потоку і передаванні комплексного сигналу багатофункціонального ТБ цифровими лінійними трактами систем передавання і каналами цифрового ТВ-мовлення, у процесі розподілу, декодування і відтворення зображень багатофункціонального ТБ. Серед проблем, що виникають, виділені першорядні: показані джерела, що викликають різного роду спотворення, характер і природа їхнього виникнення, загальні напрямки вирішення проблем передавання НТЗ і ГЗ цілком цифровими системами багатофункціонального ТБ.

Виявлені основні проблеми і запропоновані принципи побудови системи зворотного зв'язку у спільних інтерактивних системах передавання НТЗ і ГЗ. Побудована схема інтерактивної системи багатофункціонального ТБ. Отримані вирази для визначення частотної ефективності, формули для визначення підвищення частотної ефективності r у пасивній та інтерактивній системах багатофункціонального телебачення. За допомогою формули

(1)

Запропоновано підвищення реальної пропускної здатності в каналі зворотного зв'язку шляхом відповідного вибору і керування потужностями абонентських передавачів. Задаючись значенням умовної ймовірності помилки на біт, отриманий такий вираз для визначення оптимального значення потужності абонентського передавача в інтерактивній системі при застосуванні кодового розділення каналів:

PАП = PОА – Gпр + L(f, r) + [10lg(2fШПС/R) – 9]/2, дБ, (2)

де PОА – чутливість приймача базового центру; Gпр – коефіцієнт підсилення антени цього приймача; L(f, r) – втрати енергії сигналу під час поширення; fШПС – частота першої гармоніки самого короткого імпульсу шумоподібного сигналу; R – швидкість передачі.

У третьому розділі “Аналіз впливу змін рівня сигналу яскравості і часових флуктуацій на якість відтворення. Розроблення вимог до них” вперше поставлені і вирішенні задачі визначення гранично припустимих значень зміни рівня сигналу яскравості і рівня часових флуктуацій, що виникають у системі зв'язку, оптимальних значень рівнів оцінки квантування сигналу яскравості ТВ-мовлення.

Проаналізована структура цих спотворень, виконана класифікація джерел, що викликають часові флуктуації в системах зв'язку, досліджений вплив рівнів часових флуктуацій на якість зображення залежно від їхнього закону зміни, тракту виникнення, характеру сюжету, що передається. Отримано вирази систематичних часових флуктуацій, за допомогою яких доведено, що спектр систематичних часових флуктуацій містить бічні складові. Також показано, що при використанні декількох регенераторів у системі зв'язку обвідна випадкових часових флуктуацій підпорядковується узагальненому релєєвському закону, а густина ймовірності фази yy(t) при цьому наближається до косинусоїдального закону.

Оцінка гранично допустимих рівнів часових флуктуацій виконано шляхом визначення допустимих змін у рівнях сигналу зображення. Найбільш простою умовою є спостереження зображення при постійному пороговому контрасті ssw = 0,02 ... 0,05, що забезпечується в області дії закону Вебера-Фехнера. Для області дії закону Вебера-Фехнера при Lмaкс /Lмін =

= 30 ... 40 і з урахуванням залежності Тд = визначене припустиме значення рівня часових флуктуацій:

, (3)

де Lмакс і Lмін – відповідно максимальна і мінімальна яскравості зображення; ggк – коефіцієнт “гама” кінескопа, fг – гранична частота спектра ТВ сигналу; Тд – період дискретизації.

Проте в різних практичних умовах спостереження зображень пороговий контраст може залежати від різних параметрів. Знайдено вираз для визначення припустимого рівня часових флуктуацій і за інших умов спостереження зображень. Наприклад, при спостереженні світлової плями на однорідному фоні пороговий контраст залежить від яскравості фону Lф. Використовуючи цю відому залежність, у роботі отримане значення DDtдоп у випадку передавання будь-яких довільних послідовних рівнів позитивного сигналу Un і Un+1:

, (4)

де Uф – напруга, що відповідає яскравості фону; С – постійний розмір, що входить у залежність між яскравістю і напругою сигналу яскравості в кінескопі; А – постійна яскравість; Uмін – мінімальне значення напруги сигналу яскравості.

Останній вираз показує, що для оцінки рівня часових флуктуацій необхідно визначити рівні оцінки квантування сигналу яскравості. Для цього спочатку знайдено формулу апріорної ймовірності значення сигналу. Далі отримано вираз для значення рівнів оцінки квантування, вираз для середньоквадратичного значення шуму при рівномірному квантуванні і при обернено пропорційному й обернено експоненціальному розподілах яскравості на зображеннях без урахування шуму датчика сигналу.

При оптимальному квантуванні використано традиційну схема, при застосуванні якої шляхом прямого перетворення густина ймовірності напруги сигналу яскравості зводиться до рівномірного, після перетворення здійснюється рівномірне квантування. Отримана в результаті такого квантування випадкова величина піддається оберненому перетворенню. Отримані амплітудні характеристики прямого й оберненого перетворювачів.

У реальних системах значення напруги сигналу яскравості змінюється за рахунок впливу завад. Наприклад, на напругу сигналу яскравості накладається шум датчика сигналу, густина ймовірності рівня якого підпорядковується нормальному закону.

Для урахування впливу шуму датчика необхідно визначити закон розподілу суми напруг сигналу яскравості і шуму датчика. Результати показали, що при оберненій пропорційній апроксимації яскравості для визначення густина ймовірності суми двох вищезазначених величин зручно користуватися характеристичною функцією. Далі оберненим перетворенням Фур'є знайдена густина ймовірності значення суми цих двох величин. Для обернено експоненціальної щільності ймовірності яскравості також отримано вираз щільності ймовірності суми напруги сигналу яскравості і шуму датчика. Використанням останнього виразу знайдені значення рівнів оцінки квантування. А також за допомогою відомої формули отримано середньоквадратичне значення шуму при рівномірному квантуванні цієї сумарної величини.

При неоднорідному фоні зображення знайдено вирази для визначення порогового значення зміни сигналу яскравості і порогового рівня часових флуктуацій.

Ахроматичний пороговий контраст для складних сюжетів залежить від багатьох факторів. Отримані вирази і побудовані залежності щодо припустимої зміни напруги сигналу яскравості від різних факторів. Отримані графіки показують область припустимих змін напруги сигналу яскравості й відповідно припустимі межі рівня часових флуктуацій.

У каналі цифрового зв'язку помилки виникають із різних причин. Ймовірності правильного приймання, стирання, випадінь, вставок та інших помилок утворюють повну групу подій, і тому сума їхніх ймовірностей дорівнює одиниці. У сучасній апаратурі ймовірності вставок і випадінь зводяться до мінімуму, тому необхідно було знайти ймовірності переходів символів. У двійковому симетричному каналі без пам'яті ймовірності переходів одиниці до нуля й навпаки однакові, і тому достатньо визначити ймовірність переходу одиниці до нуля. Тут визначається ймовірність такого переходу в результаті виникнення часових флуктуацій та нестабільності порога прийняття рішень.

При великих рівнях часових флуктуацій у момент зняття відліку значення елементарного імпульсу може виявитися нижче вибраного порогового рівня H0, що призведе до помилкового рішення. При відомій формі елементарного імпульсу нескладно визначити допустиме значення рівня часових флуктуацій, при перевищенні якого виникають помилки декодування.

Система виявляється більш чутливою до часових флуктуацій, якщо імпульси передаються з перекриттям. Припустимо, що під час передавання послідовності двох імпульсів із перекриттям виникає затримка на DDt. Приймаючи t як збільшення аргументу, використовуємо розкладання в ряд Тейлора навколо точки t0 для першого і t0 + /2 для другого імпульсу.

При S(t0) = h = 2H0 можна визначити:

, (5)

де h – висота імпульсу.

Для багатьох імпульсів . Для таких імпульсів отримано:

. (6)

Наводиться таблиця 2 значень DDtдоп для найбільш відомих імпульсів. З таблиці випливає, що імпульси з найменшою шириною на рівні H0 більш чутливі до часових флуктуацій. Ця таблиця виявляється корисною під час вибирання форми елементарного імпульсу.

Знайдено вираз для визначення порогового значення часових флуктуацій при дії ?????????? адитивних завад xx(t) з математичним сподіванням а:

. (7)

(8)

При одночасному виникненні часових флуктуацій і нестабільності порога прийняття рішення, зміну порога на DН в роботі запропоновано вважати еквівалентною зміні значущого моменту на DDt. Знаходиться взаємозв'язок між цими параметрами для різних імпульсів, який наводиться в таблиці 3. Рівень Н0, який дорівнює половині висоти імпульсів, відповідає різноманітному значенню часу t1. З таблиці 3 випливає, що при однаковій зміні порога прийняття рішення для імпульсів із більш крутим скатом ця зміна еквівалентна меншому домислюваному зсуву фронту. При нормальному розподілі DН і при малих його значеннях густина ймовірності відповідного зсуву DDt для косинусоїдального, косинусквадратного, косинускубічного імпульсів й імпульсів із “негативним викидом” визначається модулем синусоїди, а для дзвоноподібного імпульсу – релєєвським законом.

У четвертому розділі “Нові статистичні особливості ТВ сигналів. Проблеми подання НТЗ і ГЗ у вигляді цифрових сигналів” вивчені нові статистичні властивості сигналів ТВ-мовлення і зображень НТЗ і ГЗ. Отримані статистичні властивості зображень НТЗ і ГЗ використовуються для визначення кількості інформації в кожному кадрі НТЗ і ГЗ.

У роботі поставлена задача аналітичного опису розподілу яскравості на зображеннях ГЗ і вибору найбільш підхожого виразу розподілу яскравості на НТЗ, що необхідно для подальшого аналізу параметрів перетворення, кодування тощо.

У роботі гістограма розподілу яскравості на ГЗ апроксимована виразом:

, (9)

де w1(x) – релєєвський закон розподілу з параметром = 0,44; w2(x) – нормальний розподіл із математичним сподіванням а1 і дисперсією ss22 = 1.

Коефіцієнти с1 = 5,44 і с2 = 9 визначені за допомогою виразу:

, (10)

де m1 та m2 – відповідно перший і другий початкові моменти розподілу.

Визначено параметри кореляційної функції й отримано вираз для енергетичного спектра сигналу яскравості НТЗ і ГЗ. У роботі знайдені значення рівнів оцінки і порогів при оптимальному квантуванні сигналу яскравості НТЗ.

При рівномірному квантуванні h(n) - h(n-1 )= DD = const – крок квантування. (Тут h(n) – n-й поріг квантування). Приймаємо h(0) = 0. Тоді необхідно знайти тільки оптимальне значення DD, за допомогою якого знаходяться й інші параметри квантування. Користуючись відомою формулою, знаходимо середньоквадратичне значення шуму квантування для оцінки кроку квантування:

(11)

де g – гама-коэффіцієнт передавальної трубки; k1 – коефіцієнт пропорційності; Uсер – напруга, що відповідає середній яскравості на зображенні; s2 – дисперсія яскравості на НТЗ.

З формули (10) випливає, що при рівномірному квантуванні зі збільшенням яскравості щодо середнього значення середньоквадратичне значення шуму квантування сильно зменшується.

Визначення інформативності сигналу ТВ-мовлення дозволяє оцінити можливість передавання сигналів НТЗ і ГЗ у складі сигналу ТВ-мовлення у спільних СМТІО. З цією метою в роботі визначено середнє значення часу перебування сигналу яскравості в заданій області.

Для лінійного перетворювача “світло-сигнал” у роботі визначено тривалість інтервалів між позитивними викидами над рівнем U0:

, (12)

де DDU і – напруги, що відповідають збільшенню приросту яскравості і середньоквадратичному значенню приросту яскравості зображення послідовно; y – похідна напруги сигналу яскравості.

З точки зору інформативності сигналу зображення ТВ-мовлення представляє інтерес визначення “низькоінформативних” рядків. Знаючи припустимі межі зміни сигналу яскравості, визначені в попередньому розділі, можемо визначити “низькоінформативні” ділянки або рядки в ТВ кадрі шляхом визначення часу перебування сигналу яскравості в заданій області. У роботі цей час визначено за допомогою відомого виразу шляхом підстановки в ньому виразів одновимірної інтегральної функції розподілу випадкового процесу xx(t) (напруга сигналу яскравості) й одержаної формули інтенсивності перетинання рівня U0 цим випадковим процесом:

. (13)

Для стаціонарного випадкового процесу формула (13) спрощується:

. (14)

Отриманий вираз показує, що час перебування сигналу яскравості стаціонарного випадкового процесу, в межах U0 ±± DDU не залежить від самого рівня U0. Воно складно залежить від DDU. У роботі побудовано графік цієї залежності.

У пўятому розділі “Проходження сигналів НТЗ і ГЗ через канал зв'язку. Розроблення точних методів корекції часових флуктуацій” вивчаються зміни статистичних параметрів цифрових сигналів НТЗ і ГЗ при їхньому проходженні через ТВ канал зв'язку і мовлення. Для визначення затримки імпульсів у системі зв'язку і для визначення енергетичних параметрів цих сигналів на виході каналу зв'язку, проводиться аналіз цих параметрів, розглядаючи систему зв'язку як лінійну інерційну.

Якщо під час передавання сигналу системою зв'язку одночасно виникають фазові спотворення і випадкова затримка сигналу величину hh(t), то фазовий кут передавальної функції містить детерміновану функцію jj1(ww ), через яку виражається фазо-частотна характеристика (ФЧХ) системи зв'язку при відсутності випадкової затримки і випадкової величини, обумовлених випадковими затримками h(t). Приймаємо jj1(ww) = wwt1 і враховуємо, що затримка всіх частотних складових на величину t1 не становить інтерес з точки зору оцінки часових флуктуацій. Тому враховується тільки затримка вхідного випадкового процесу xxвх(t) на величину h(t) при визначенні випадкового процесу на виході такої параметричної системи.

На основі відомого енергетичного спектра випадкової послідовності прямокутних імпульсів і імпульсів з косинусквадратним зрізом спектра, отримано вирази для кореляційної функції вихідних випадкових процесів. Користуючись теоремою Хінчина-Вінера, визначено енергетичні спектри випадкової послідовності прямокутних імпульсів й імпульсів з косинусквадратним зрізом спектра на виході системи з випадковою затримкою. Побудовані графіки кореляційних функцій й енергетичних спектрів показують, що під час передавання випадкової імпульсної послідовності параметричною системою з нормально розподіленою випадковою затримкою, енергетичний спектр вихідного випадкового процесу має більш вузьку форму, ніж енергетичний спектр вхідного випадкового процесу. Це означає, що під час передавання сигналів НТЗ і ГЗ каналами зв'язку з великою протяжністю, в яких виникають часові флуктуації, відбувається “розтягання” обвідних імпульсів. Точність оцінки рівнів часових флуктуацій при цьому зменшується.

Визначені також кореляційній функції аналогових сигналів НТЗ і ГЗ на виході каналу зв'язку з великою протяжністю.

У теорії оптимального радіоприймання розроблена область оцінки параметрів сигналу, яка широко використовується в радіолокації. Подібні методи можуть бути використані і під час передавання сигналів НТЗ і ГЗ каналами зв'язку з метою виявлення й оцінки часу затримки tt0, де tt0 є неенергетичним параметром, тому що період спостереження T0 іі tt + tt0. Тут tt – тривалість елементарного імпульсу.

У розглянутому розділі поставлена задача вивчення різних методів виявлення і компенсації часових флуктуацій, здійснено порівняння і вибір методу й пристроїв корекції часових флуктуацій. Сигнал, що надходить, підсумовується з сигналом місцевого генератора такої ж самої форми.

Отриману неперервну функцію S(t) виражаємо у вигляді послідовності відліків {S(m)} з кроком T, де m = 0, 1, 2, ..., N-1. Приймаємо = m0T, – відставання імпульсів, що надходять, що виникають в результаті часових флуктуацій. Тоді z-перетворення дискредизованого сумарного сигналу – виражається формулою:

, (15)

де – перетворення сигналу S1(t) після дискретизації; а – коефіцієнт, що показує співвідношення амплітуд цих двох сигналів. Для прямокутних імпульсів знайдено вираз дискретного перетворення Фур'є (ДПФ):

. (16)

Сумарний сигнал проходить через дискретизатор, після чого здійснюється ДПФ. Виділяються уявна і реальна частини, зводяться у квадрат, підсумовуються, далі здійснюється обернене перетворення Фур'є. У результаті на виході пристрою отримаємо кореляційну функцію сумарного сигналу {S(m)}.

За обраною формою елементарного імпульсу отримано вираз кореляційної функції {S1(m)}.

Для обраного елементарного імпульсу з “негативним викидом” визначено ДПФ й отримано вираз:

, (17)

а для косинусквадратичних імпульсів отримано вираз:

. (18)

При кепстральному методі оброблення сигналу в пристрої корекції часових флуктуацій проводиться ще й операція логарифмування. Кепстр потужності сумарного сигналу S(t) визначається як сума кепстрів потужностей першого CS1(m) і другого СS2(m) множників за формулою (15).

Для прямокутного елементарного імпульсу при m = 0 визначено:

, (19)

а при m №№ 0 – СS1(m) = 0.

Для імпульсів із “негативним викидом” визначений кепстр потужності CS1(m):

СS1(m) = , (20)

де

, (21)

– відповідний кепстр потужності прямокутного імпульсу

(22)

Проведений аналіз показав, що точність визначення значень часових флуктуацій залежить від часової характеристики обраного сигналу, умови приймання і методу визначення. Кепстральним методом виявляються навіть незначні часові флуктуації, але він зручний тоді, коли рівні шумів невисокі й енергія сигналу убуває повільно зі збільшенням частоти. Крім того, для точного визначення часових флуктуацій при кепстральному методі необхідно добре відокремити CS2(m) від CS1(m). Для прямокутного сигналу ці складові добре відокремлюються один від одного. А для сигналів із “негативним викидом” і косинусквадратних імпульсів можливості відокремлення кепстра потужності CS2(m) від кепстра потужності CS1(m) однакові.

Шостий розділ дисертації “Розроблення методики вибору форми сигналу і зменшення МСІ під час передавання сигналів НТЗ і ГЗ каналами зв'язку” присвячується вибору форми сигналу й елементарного імпульсу для передавання НТЗ і ГЗ у складі аналогового або цифрового сигналів ТВ-мовлення з найменшими спотвореннями. Для визначення найбільш придатної форми сигналу енергетичні спектри застосовуваних сигналів порівнюються з амплітудно-частотною характеристикою (АЧХ) системи зв'язку. Як канал зв'язку використовується канал, що відповідає вимогам МСЕ.

Для вибору форми елементарного імпульсу визначені і порівняні основні параметри найбільш відомих елементарних імпульсів. Як основні параметри обрані ефективна ширина спектра, ефективна тривалість, час установлення, швидкість зменшення позасмугових випромінювань енергії імпульсів. Складено таблицю, за якою наводяться часові характеристики, вирази спектра і значення параметрів найбільш відомих елементарних імпульсів. Після порівняння основних параметрів відбираються декілька придатних імпульсів. Косинусквадратні імпульси, імпульси з косинусквадратним зрізом спектра (при різних значеннях коефіцієнта згладжування a0) й імпульси з “негативним викидом” виявилися найбільш придатними для передавання сигналів НТЗ і ГЗ. Для остаточного вибору форми імпульсів необхідно вивчити і порівняти між собою інші показники попередньо відібраних імпульсів. Припустимо, що елементарний імпульс із часовою характеристикою u(t) модулює по амплітуді несівне коливання з частотою ww0. У даному розділі для вибору форми сигналу розглядаємо канал зв'язку як систему лінійно інерційну із заданими детермінованими параметрами, на вхід якої підводиться детермінований сигнал. Коефіцієнт передачі каналу зв'язку у вузькій смузі частот dww вважаємо незмінним і знаходимо форму напруги на виході каналу зв'язку. З урахуванням того, що при t ЈЈ 0 вихідна напруга дорівнює нулю, у роботі використано такий вираз для визначення форми цієї напруги:

, (23)

де

, (24)

, (25)

C(ww) і jj(ww) – відповідно АЧХ і ФЧХ каналу зв'язку; S(ww) – спектр імпульсу; w0 – несівна частота.

Для каналу зв'язку, що відповідає вимогам МСЕ, розрахована і побудована форма напруги на виході такого каналу під час передавання поодиноких імпульсів. Отримана форма показала, що викиди в імпульсах на виході каналу зв'язку збільшуються. Вивчені також спотворення сигналу під час передавання послідовності імпульсів. За допомогою розрахунків і експериментальних досліджень визначені спотворення в сигналі, що передається. Як реальний канал зв'язку використано канал супутникового зв'язку типу “Тюрксат”. Дослідження показали, що розкриття “окової” діаграми для імпульсів із косинусоїдальним зрізом спектра й імпульсів із “негативним викидом” можна вважати однаковими. Для косинусквадратних імпульсів розкриття цієї