СИСТЕМА ЭФФЕКТИВНОГО КОДИРОВАНИЯ ИНФОРМАЦИИ ПРИ ПЕРЕДАЧЕ ПО КАНАЛАМ СВЯЗИ В СЛУЧАЕ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ НА МОРЕ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Куповых Г.В., Морозов В.H., Шварц ЯМ. Теория электродного эффекта в атмосфере. Монография, Таганрог: Изд-во ТРТУ. 1998. 123 с.
2. . ., . . . 2-изд. - М.: Научный мир, 2003. -316 с.
3. . . -
ре, содержащей слой аэрозольных частиц // Прикладная метеорология. 2002. Выпуск 4 (552). С. 33-43.
4. Куповых Г.В., Марченко АТ., Морозов В.Н. Электрическая структура нестационарного приземного слоя в приближении турбулентного электродного эффекта. // . .- . . . Приложение №5, 2005. С. 46-51.
Редин Александр Александрович
Технологический институт федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в г. Таганроге
E-mail: alexandr redin@mail.ru
347928, Россия, г. Таганрог, ГСП 17а, пер. Некрасовский, 44 Тел.: 8(8634) 32-16-17
Клово Александр Георгиевич E-mail: klovo@egf.tsure.ru
Куповых Геннадий Владимирович E-mail: kupowkh@users.tsure.ru
Redin Alexsandr Alexsandrovich
Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”
E-mail: alexandr redin@mail.ru
44, Nekrasovsky, Taganrog, GSP-17a, 347928, Russia, Ph.: +7 (8634) 32-16-17
Klovo Alexsandr Georgievich E-mail: klovo@egf.tsure.ru
Kupovich Gennadiy Vladimirivich
E-mail: kupovykh@users.tsure.ru
УДК 621.372
Л. Г. Стаценко, Ю. В. Миргородская, А. А. Чусов
СИСТЕМА ЭФФЕКТИВНОГО КОДИРОВАНИЯ ИНФОРМАЦИИ ПРИ ПЕРЕДАЧЕ ПО КАНАЛАМ СВЯЗИ В СЛУЧАЕ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ НА МОРЕ
Проблема своевременной доставки информации о чрезвычайной ситуации на морских судах, терпящих бедствия, является актуальной. Предлагаемый метод кодирования позволяет передавать не только информацию о местоположении
судна, скорости, путевом угле, но и речевую информацию с капитанского мостика по резервному каналу без использования систем спутниковой связи. Разработан
, -, .
Чрезвычайная ситуация; кодирование; мультиплексор; декодер; речевой сиг.
L. G. Stacenko, Y. V. Mirgorodskaya, A. A. Chusov
EFFECTIVE SYSTEM OF CODING INFORMATION TRANSMITTED
THROUGH COMMUNICATION CHANNELS DURING ABNORMAL SITUATIONS ON SEA
The problem of in time delivering of information about abnormal situations on sea ships being in distress is still important. The method offered for encoding lets transmitting either information about location of ship, its speed, movement direction or speech information from captain’s bridge using a reserve channel without using satellite systems. The coder was been developed lets compressing speech signals and ship location data multiplexing them into one channel.
Abnormal situation; encoding; multiplexor; decoder; voice signal.
В отличие от существующих каналов связи предполагаемая разработка позволит мультиплексировать цифровые данные о положении судна (ДПС) и речевую информацию с капитанского мостика. Следует отметить, что кодирующий тракт построен с учетом специфики передаваемой информации и состоит из четырех кодеров и мультиплексора (рис. 1).
Рис. 1. Функциональная схема
Данные, характеризующие положение судна, представляют собой 92-х битовое число, складываемое из значений (табл. 1), которое будет в дальнейшем рассматриваться как последовательность из 23-х блоков, являющихся 4-битовыми символами алфавита [0,15].
Арифметический кодер [1, 5] позволяет приближать битовые размеры сжатых символов к нецелочисленным значениям их энтропии посредством кодирования входной 92-х битовой строки целиком. Для этого он дел ит полуинтервал Ш = [0;1) на непересекающиеся полуинтервалы wi е Ш, длины которых равны вероятностям появления символов алфавита в битовой строке. Далее выбирается полуинтервал, соответствующий текущему символу на входе. Этот интервал делится аналогичным образом на 24 = 16 полуинтервалов и т.д. для всех оставшихся символов во входном потоке. В результате сжатая битовая строка представляет собой одно число с плавающей точкой из полуинтервала wn, принадлежащего полуинтервалу первого символа и соответствующего последнему символу пакета. Так как кадр
23 ,
неадаптивного кодера, что избавит от необходимости передавать таблицу символов с соответствующими полуинтервалами w1. Для этого таблица вероятностей и соответствующих полуинтервалов строится исходя из анализа допустимости значений каждого из 11-ти ДПС и, соответственно, символов (табл. 2). Представленная таблица известна также декодеру на приемной стороне. Результирующая сжатая информация - произвольно выбранное число из итогового полуинтервала wl0..lN, где N - количество символов в сжимаемом потоке (N=23). Это дает возможность ограничивать точность представления используемых чисел с плавающей .
Первоначально кодер речи убирает из потока малые слова для подавления пауз. При накоплении 128-ми слов квантования в очереди кодер проводит разделение их спектра на 8 равных частотных полос по 475 Гц путем свертки слов с цифровым фильтром Добеши Б6 [1, 3] (Н = {0,3326, 0,8068, 0,4598, -0,1350, -
0,0854, 0,0352}) и последующим дискретно-косинусном преобразованием Фурье (ДКП) [4].
=
1
16 127
764 § §
6
§Н]х(б - у + п
і=0 )
008^+1 ^(16/ + к)
к=0 п=0
где х(п) - 8-битовое слово квантования на отчете с индексом п.
Данные о положении судна
(1)
Таблица 1
№ Параметр Диапазон значений Размер, бит Примечание
1 Долгота, 0...359 9
2 Долгота, ' 9 5 0 6
3 Долгота, '' 0.599 10 Последняя цифра - деся-.
4 Широ 9 7 0 9 Дополняется нулевым старшим битом.
5 Шире , 9 5 0 6
6 Широта, '' 0.599 10 Последняя цифра - деся-.
7 Путевой угол, 0.3599 12 Последняя цифра - деся-.
8 Время иТС, ч 3 2 0 5
9 Время иТС, мин 9 5 0 6
10 Время ИТС, с 9 5 0 6
11 Скорость, узлы 0.8191 13 Последние две цифры -десятичная часть.
Кодирование звука производится с учетом особенностей источника (речь) и приемника (слух) (рис. 2). Предполагается, что на выход АЦП (аналого-цифрового преобразователя) (вход кодера) подается равномерно квантованный 8-битовыми словами сигнал с частотой дискретизации 8 кГ ц, согласно теореме Котельникова с
200 - 4 ,
сохранения разборчивости речи.
Образованные полосы не соответствуют критическим полоскам слуха и введены на предварительном этапе для упрощения реализации фильтров. Из нескольких перекрываемых критических полос слуха алгоритм назначения битов кодера
выбирает критическую полосу с наименьшей шумовой маскировкой М и использует ее для нахождения числа битов квантования сигнала перекрывающей полосы. Выходные последовательности соответствующим образом децимируются.
Далее производится более детальное ДКП для группировки частот по критическим полоскам слуха, лишние полосы убираются из спектра. При этом номера коэффициентов в разложении спектра полос (с предварительного этапа кодирования) в ДКП выбираются исходя из соотношения
к = N
а
Кр.В
а
(2)
где N - число неотброшенных слов квантования текущей полосы предварительного этапа, (опол.в. - высшая частота полосы предварительного этапа, а>к-р.в. - высшая частота целевой критической полосы звука.
Звуковой
икм
Банк фильтров Добеши D6
Грубое
ДКП
Дециматор
Детальное
ДКП
Психоакустическая модель
Отношения сигнал/
порог маскирования
Рис. 2. Кодер речи
Таблица 2
Вероятности появления символов из допустимого диапазона чисел ДПС
a Pi Wi
0 0.0751 [0; 0.751)
1 0.0751 [0.0751; 0.1502)
2 0.0751 [0.1502; 0.2253)
3 0.0603 [0.2253; 0.2856)
4 0.0643 [0.2856; 0.3499)
5 0.0643 [0.3499; 0.4142)
6 0.0643 [0.4142; 0.4785)
7 0.0599 [0.4785; 0.5384)
8 0.0717 [0.5384; 0.6101)
9 0.0717 [0.6101; 0.6818)
a 0.0717 [0.6818; 0.7535)
b 0.0586 [0.7535; 0.8121)
c 0.0575 [0.8121; 0.8696)
d 0.0564 [0.8696; 0.926)
e 0.0546 [0.926; 0.9806)
f 0.0546 [0.9806; 1)
После этого к каждой из критических полос применяется получаемая эмпирически функция формирования шумов для вычисления порогов маскирования. Для каждой из полос вычисляется отношение уровня сигнала к порогу маскировки M [2]. Эти отношения должны быть известны декодеру для проведения обратной .
В результате последнего квантования образуются определенные последовательности нулевых битов, которые сжимаются методом RLE (Run-length coding) [7]. Принцип кодера основывается на том, что повторяющаяся последовательность символов заменяется одним 4-битовым числом его повторений и одним значе-. , , , вместо этого размер строки увеличится в 2 раза.
Однако, в этом случае, добавление избыточности исправляется кодером Хаффмана, работающим после мультиплексирования ДПС и акустических данных. Использование метода кодирования КЬБ позволяет использовать единственный бит 0 на месте счетчика КЬБ для обозначения начала и конца речевой части кадра.
Добавление нулевых бит к речевой части кадра, а также конкатенирование сжатых ДПС и звуковых битовых строк осуществляет мультиплексор, выход которого поступает на вход кодера Хаффмана, задачей которого является уменьшение средней длины символов кодируемой строки. В предлагаемой системе используется полуадаптивный кодер Хаффмана [6].
Таблица 3
Критические полосы слуха и предварительное разбиение спектра
№ Критическая область Гц М, Гц Предварительное разбиение спектра, Г ц
1 235..330 95 235..710
2 330..420 90
3 420..560 140
4 560..660 100
5 660..800 140
6 800..940 140 710..1275
7 940..1125 185
8 1125..1265 140
9 1265.. 1500 235 1275..1750
10 1500..1735 235
11 1735..1970 235 1750..2225
12 1970..2340 370 2225...2700
13 2340..2720 380 2700..3175
14 2720..3280 560 3175..3650
15 3280..3840 560 3650..3840
Кодер работает с буфером, в который заносится выход мультиплексора, по принципу замены наиболее вероятных символов в буфере наименее короткими кодами при сохранении обратимости операции, а также минимальной дисперсии длин кодов (для минимизации непостоянства скорости передачи кодированных данных). Последний дополняется справа необходимым количеством 0-х бит для обеспечения кратности его длины 8-ми.
Далее кодер проходит буфер и собирает статистику появления (веса) 4-х битовых символов в строке. При этом символы и их веса заносятся в очередь, упорядочиваемую в порядке убывания вероятностей ее элементов, в качестве листьев строимого дерева Хаффмана. После этого из очереди извлекаются пары символов ( ), . записывается суммарный вес его потомков. Затем он помещается обратно в очередь. Данная процедура повторяется до тех пор, пока в очереди не останется один , . рекурсивно исходя из структуры полученного дерева. Если искомый символ находится в правой ветви дерева от текущего узла, то код символа дополняется младшим нулем, иначе - 1.
Выходом всех четырех кодеров является кадр переменной длины, содержащим числовые ДПС, а также речевую информацию, сжатую с потерей некоторого количества энтропии при сохранении при этом разборчивости речи. Кадр синхронизируется, как было указано, на этапе между кодером КЬБ и мультиплексором. 204
Сжатие двух разнородных потоков информации в один дает возможность довольно точно определять текущее местоположение судна, терпящего бедствие. Ввиду того, что данные о местоположении судна (широта и долгота) определяются довольно медленно спутниковыми системами (GPS, ГЛОНАС), передаются дан-( ), -ляющие с определенной долей вероятности предсказать текущее актуальное положение судна, входящие в поток ДПС. Существует возможность модифицировать предложенную схему кодера так, чтобы поток данных о положении судна (выход )
, -
.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Д. Сэломон. Мир программирования. Сжатие данных, изображений и звука. -М: Техносфера, 2004. - 368 с.
2. D. Pan. A tutorial on MPEG/Audio Compression. Motorola Inc.,1995.-12c.
3. G. Moser. MPEG-4 aacPlus - Audio coding for today’s digital media world. Coding Technologies, 2005. - 13 c.
4. . . . . : ,
2002. - 347 c.
5. http://en.wikipedia.org/wiki/Arithmetic_coding/ - Arithmretic coding.
6. http://en.wikipedia.org/wiki/Huffman_coding/ - Haffman coding.
7. http://en.wikipedia.org/wiki/Run-length_encoding/ - Run-length encoding.
Стаценко Любовь Григорьевна
Дальневосточный государственный технический университет (ДВПИ имени . . )
E-mail: rts@festu.ru
690002, , . , , 83, . 30
.: 8 (4232)-45-89-34
Миргородская Юлия Вячеславовна E-mail: rts@festu.ru
Чусов Андрей Александрович E-mail: rts@festu.ru
Stacenko Lyubov Grigoryevna
The Far Eastern National Technical University E-mail: rts@festu.ru
30-83, Okeansky prospect, Vladivostok, 690002, Russia Ph.: +7(4232)-45-89-34
Mirgorodskaya Yulia Vyacheslavovna
E-mail: rts@festu.ru
Chusov Andrey Alexandrovich E-mail: rts@festu.ru