Способ передачи и приема информации

Изобретение относится к вычислительной технике. Технический результат заключается в повышении информационной вместимости без потери информации. Способ передачи и приема информации от источника информации к ее потребителю в системе цифровой связи, в котором каждый из последовательно расположенных в сообщении символов передают взаимно-однозначно соответствующей ему упорядоченной совокупностью битов с заданным количеством и последовательностью кодов этих битов; дополнительно к значениям набора двоичных кодов 0 и 1 вводят другие заданные значения 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 может принимать значения только из дополнительно введенных значений кодов. При приеме каждый из последовательно принимаемых битов идентифицируют двоичным кодам 0, 1 и кодам из набора дополнительно введенных значений кодов, идентифицируют упорядоченную совокупность битов и соответствующую ей последовательность 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 по этой последовательности кодов однозначно восстанавливают символ сообщения. 1 табл.

 

Изобретение относится к технике связи, а точнее - к способам передачи и приема информации (СППИ) в системе 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.

Известен способ передачи и приема информации [Радиотехника: Энциклопедия/под ред. Ю.Л.Мазора и др. -М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2002, с.63-64], признаки которого реализованы, по существу, во всех соответствующих способах, и являющийся аналогом предлагаемому техническому решению. В этом способе информацию источника последовательно преобразуют в сообщение в физико-электрическом преобразователе информации, кодируют его в кодере, в радиопередающем устройстве модулируют несущую частоту закодированным сообщением и посылают сигнал по каналу связи, принимают сигнал в радиоприемном устройстве, демодулируют его, декодируют и производят обратное электрофизическое преобразование сообщения информации в удобный для потребителя вид.

Наиболее близким аналогом является способ 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], в котором на передающей стороне в сообщениях, представляемых последовательностью символов первичного алфавита, каждый символ преобразуют в упорядоченную совокупность битов и последовательность кодов этих битов. Последние преобразуют в сигналы, совместимые с каналом связи, и передают их. На приемной стороне в обратном порядке сигналы преобразуют в цифровые биты, каждый из битов идентифицируют кодам, по последовательности кодов восстанавливают символ первичного алфавита.

Сущность изобретения направлена на повышение технико-экономической эффективности СППИ благодаря тому, что каждый из последовательно расположенных в сообщении символов передают взаимно-однозначно соответствующей ему упорядоченной совокупностью битов с заданным количеством и последовательностью кодов этих битов. В способе дополнительно к значениям набора двоичных кодов 0 и 1 введены другие заданные значения 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_J может принимать значения только из дополнительно введенных значений кодов. Сформированный цифровой поток битов преобразуют в поток сигналов из совокупности сигналов с общим количеством М+2, взаимно-однозначно соответствующей указанной последовательности кодов. При приеме каждый из последовательно принимаемых битов идентифицируют двоичным кодам 0, 1 и кодам из набора дополнительно введенных значений кодов, идентифицируют упорядоченную совокупность битов и соответствующую ей последовательность 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 по этой последовательности кодов однозначно приведенными в способе действиями восстанавливают символ сообщения.

Для достижения указанного технического результата в способе передачи и приема информации от источника информации к ее потребителю в системе цифровой связи на передающей стороне в сообщениях, представляемых последовательностью n-х символов первичного алфавита, где индекс n изменяется от 0 до N, преимущественно предварительно упорядоченных по убыванию вероятности их появления в сообщениях, каждый из последовательно расположенных в сообщении символов синхронизированно передают взаимно-однозначно соответствующей этому n-му символу упорядоченной совокупностью битов с общим количеством J и последовательностью кодов этих битов (K₁,K₂,…,K_j,…,K_J-1,K_J), где индекс j принимает значения от 1 до J, J=tranc(log₂i)+1, где i=ndivM+1, tranc(X) - целая часть числа Х, 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_J принимает значение из набора М дополнительно введенных значений 2, …, М+1 в соответствии с выражением K_J=n-(i-1)M+1, и при J=1 указанная последовательность кодов состоит только из него, а при J>1 возможные коды K_j 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_j=l_j-1div2, где l₀=i, в соответствии с выражениями K_j=l_j-1mod2, где AmodB - остаток при делении целого числа А на целое число В, и таким образом получают цифровой поток битов, соответствующих указанной последовательности получаемых кодов, при необходимости дальнейшей передачи сообщения по каналу связи указанный цифровой поток битов преобразуют в поток сигналов, совместимых с каналом связи, например, посредством идентификации кода каждого передаваемого бита и формирования сигнала, взаимнооднозначно соответствующего значению этого кода, из совокупности сигналов S₀,S₁,S₂,…,S_M+1 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, и на приемной стороне синхронизированно принимают передаваемые по каналу связи сигналы и преобразуют их в цифровой поток битов, каждый из последовательно принимаемых битов идентифицируют двоичным кодам 0, 1 и кодам из указанного набора М дополнительно введенных значений 2,…,М+1, идентифицируют упорядоченную совокупность битов и соответствующую ей последовательность кодов этих битов (K₁,K₂,…,K_j,…,K_J-1,K_J), 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 по этой последовательности кодов однозначно восстанавливают n-й символ первичного алфавита, при этом преимущественно в указанной последовательности кодов заменяют код со значением K_J 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, и через известное на приемной стороне значение М, идентифицированное значение K_J и полученное число i восстанавливают упомянутый номер n в соответствии с выражением n=M(i-1)+K_J-2 и по нему - символ первичного алфавита, при приеме последующих битов указанные действия повторяют, восстанавливают сообщения, представляемые последовательностью символов первичного алфавита, а при необходимости восстановленные сообщения подают потребителю, кроме того, при необходимости указанный цифровой поток битов на передающей стороне и/или на приемной стороне одним из известных способов преобразуют и сохраняют на носителях информации, а при считывании обратно воспроизводят цифровой поток битов и производят указанные действия для восстановления сообщений.

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.

СППИ по настоящему изобретению может быть воплощен в системе цифровой связи с соответствующей организацией ее работы и известными методами обработки сигналов. Ниже изобретение описано более детально.

Сущность способа заключается в следующем. На передающей стороне сообщения от источников информации представляют собою последовательность n-х символов первичного алфавита, где индекс n изменяется от 0 до N, преимущественно предварительно упорядоченных по убыванию вероятности их появления в сообщениях. 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 (K₁,K₂,…,K_j,…,K_J-1,K_J). Индекс j принимает значения от 1 до J, J=tranc(log₂i)+1, где i=ndivM+1, tranc(X) - целая часть числа Х, 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. Код K_J принимает значение из набора М дополнительно введенных значений 2,…,М+1 в соответствии с выражением K_J=n-(i-1)M+2. При J=1 указанная последовательность кодов состоит только из K_J. При J>1 возможные коды K_j 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_j=l_j-1div2, где l₀=i, в соответствии с выражениями K_j=l_j-1mod2, где AmodB - остаток при делении целого числа А на целое число В. Таким образом получают цифровой поток битов, соответствующих указанной последовательности получаемых кодов.

При необходимости дальнейшей передачи сообщения по каналу связи указанный цифровой поток битов 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 S₀,S₁,S₂,…,S_M+1 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.

На приемной стороне синхронизированно принимают передаваемые по каналу связи сигналы и преобразуют их в цифровой поток битов. Каждый из последовательно принимаемых битов идентифицируют двоичным кодам 0,1 и кодам K_J из указанного набора М дополнительно введенных значений 2,…,М+1. Идентифицируют упорядоченную совокупность битов и соответствующую ей последовательность кодов этих битов (K₁,K₂,…,K_j,…,K_J-1,K_J), 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 однозначно восстанавливают n-й символ первичного алфавита. При этом преимущественно в указанной последовательности кодов заменяют код со значением K_J 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_J и полученное число i восстанавливают упомянутый номер n в соответствии с выражением n=M(i-1)+K_J-2 и по нему - символ первичного алфавита. При приеме последующих битов указанные действия повторяют, восстанавливают сообщения, представляемые последовательностью символов первичного алфавита. При необходимости восстановленные сообщения подают потребителю.

Кроме того, при необходимости указанный цифровой поток битов одним из известных способов преобразуют и сохраняют на носителях информации, а при считывании обратно воспроизводят цифровой поток битов и производят указанные действия для восстановления сообщений.

Ниже в таблице показано применение для букв русского алфавита кода Хаффмана и кодов предлагаемого способа при различных значениях М.

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

№ п.п.	Буквы	Веро-ятно-сть, Рп	№ буквы в двоич-ной системе счисле-ния	Код Хаффмана (2 элем. сигнала)	M=1 (3 элем. сигна ла)	М=2 (4 элем. сигнала)	М=3 (5 элем. сиг-на-лов)	М=4 (6 элем. сиг-на-лов)	М=5 (7 элем. сиг-на-лов)	М=6 (8 элем. сиг-на-лов)	М=7 (9 элем. сигна лов)
0	пробел	0,174	00000	111	2	2	2	2	2	2	2
1	0	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	М	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	3	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	Х	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

Приведем для заданных значений М значения средних длин кодов (количество битов, приходящихся на один символ), определяемых как $$d={\displaystyle \sum _{n=1}^{32}{p}_n{k}_n}$$ , где p_n - вероятности появления символов (букв) в сообщениях, k_n - 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 предложенного способа d=3,1 (4,219) при М=1, d=2,425 (3,375) при М=1, 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, способ позволяет существенно сжать передаваемую или сохраняемую информацию, в том числе, и при условии равновероятного появления символов в сообщениях.

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+1=3div1+1=4 и общее число битов (и кодов битов) в указанной совокупности равно J=tranc(log₂i)+1=tranc(log₂4)+1=3. При этом значение последнего кода в указанной последовательности кодов равно K3=n-(i-1)M+2=3-[4-i)×1+2=2. Другие коды последовательности определяются через l_j как l0=i=4, l₁=l₀div2=4div2=2. Тогда K₁=l₀mod2=4mod2=0, K₂=l₁mod2=2mod2=0. Итак, совокупность кодов К₁,К₂,К₃ 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 К₃=2 и полученное число i=4 восстанавливают номер n символа первичного алфавита в десятичной системе счисления n=M(i-1)+K_J-2=1×(4-1)+2-2=3. Этому номеру соответствует буква А.

Проиллюстрируем возможности заявляемого способа 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 по предложенному способу:

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 способа следует находить компромисс между степенью сжатия сообщения и усложнением реализации.

Таким образом, предложена более эффективная передача (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. Способ прост в реализации с использованием современной элементной базы, т.к. алгоритм кодирования и восстановления символов сообщений представлен в виде простых выражений. Также в предложенном способе передачи и приема 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 заявленного способа условию «новизны». Результаты поиска известных решений в области СППИ с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от известных признаками заявленного способа, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».

Способ передачи и приема информации от источника информации к ее потребителю в системе цифровой связи, при котором на передающей стороне в сообщениях, представляемых последовательностью n-х символов первичного алфавита, где индекс n изменяется от 0 до N, преимущественно предварительно упорядоченных по убыванию вероятности их появления в сообщениях, каждый из последовательно расположенных в сообщении символов синхронизированно передают взаимно-однозначно соответствующей этому n-му символу упорядоченной совокупностью битов с общим количеством J и последовательностью кодов этих битов (K₁,K₂,…,K_j,…,K_J-1,K_J), где индекс j принимает значения от 1 до J, J=tranc(log₂i)+1, где i=ndivM+1, tranc(X) - целая часть числа Х, AdivB - 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_J принимает значение из набора М дополнительно введенных значений 2,…,М+1 в соответствии с выражением K_J=n-(i-1)M+2, и при J=1 указанная последовательность кодов состоит только из него, а при J>1 возможные коды К_j 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_j=l_j-1div2, где l₀=i, в соответствии с выражениями К_j=l_j-1mod2, где AmodВ - остаток при делении целого числа А на целое число В, и таким образом получают цифровой поток битов, соответствующих указанной последовательности получаемых кодов, при необходимости дальнейшей передачи сообщения по каналу связи указанный цифровой поток битов преобразуют 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 S₀,S₁,S₂,…,S_M+1 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, и на приемной стороне синхронизированно принимают передаваемые по каналу связи сигналы и преобразуют их в цифровой поток битов, каждый из последовательно принимаемых битов идентифицируют двоичным кодам 0,1 и кодам из указанного набора М дополнительно введенных значений 2,…,М+1, идентифицируют упорядоченную совокупность битов и соответствующую ей последовательность кодов этих битов (K₁,K₂,…,K_j,…,K_J-1,K_J), 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 по этой последовательности кодов однозначно восстанавливают n-й символ первичного алфавита, при этом преимущественно в указанной последовательности кодов заменяют код со значением K_J 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, и через известное на приемной стороне значение М, идентифицированное значение K_J и полученное число i восстанавливают упомянутый номер n в соответствии с выражением n=M(i-1)+K_J-2 и по нему - символ первичного алфавита, при приеме последующих битов указанные действия повторяют, восстанавливают сообщения, представляемые последовательностью символов первичного алфавита, а при необходимости восстановленные сообщения подают потребителю, кроме того, при необходимости указанный цифровой поток битов на передающей стороне и/или на приемной стороне одним из известных способов преобразуют и сохраняют на носителях информации, а при считывании обратно воспроизводят цифровой поток битов и производят указанные действия для восстановления сообщений.