Методи та цифрові процесори обробки даних на основі процедури рандомізації

Размещено на http://www.allbest.ru/

Тернопільська академія народного господарства

УДК 681.325.36

05.13.05 - елементи та пристрої обчислювальної техніки та систем керування

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Методи та цифрові процесори обробки даних

на основі процедури рандомізації

Лазарович Ігор Миколайович

Тернопіль - 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Івано-Франківському Національному технічному університеті нафти і газу Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Николайчук Ярослав Миколайович, Тернопільська академія народного господарства, завідувач кафедри спеціалізованих комп'ютерних систем.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Широчин Валерій Павлович, Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут", професор кафедри обчислювальної техніки;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Алішов Надір Ісмаіл-огли, Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України, провідний науковий співробітник відділу керуючих машин та систем.

Провідна установа - Національний університет "Львівська політехніка", кафедра "Електронні обчислювальні машини", Міністерства освіти і науки України, м. Львів.

Захист відбудеться "15" жовтня 2004 р. о 14 25 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 58.082.02 у Тернопільській академії народного господарства за адресою: 46004, м. Тернопіль, вул. Львівська, 11.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Тернопільської академії народного господарства (46004, м. Тернопіль, вул. Львівська, 11)

Автореферат розісланий 10 вересня 2004 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, к.т.н., доцент Яцків В.В.

Анотації

Лазарович І.М. Методи та цифрові процесори обробки даних на основі процедури рандомізації. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.05 - Елементи та пристрої обчислювальної техніки та систем керування, Тернопільська академія народного господарства, Тернопіль, 2004.

Дисертацію присвячено питанням розробки методів рандомізації інформаційних послідовностей, дослідженню властивостей рандомізованих послідовностей та створенню спецпроцесорів, які реалізують ці процедури. В дисертації запропоновано математичну формалізацію процедур вагової, невагової та функціональної рандомізації. Проведено дослідження властивостей рандомізованих цифрових послідовностей, а також системних характеристик джерел інформації при застосуванні рандомізації. Проаналізовано застосування методів рандомізації для перетворення форми сигналів, шифрування даних, захисту інформації від групових завад та цифрової фільтрації. Розроблено структурні схеми спецпроцесорів оптимальних приймачів з використанням рандомізації, які характеризуються підвищеною завадозахищеністю. Запропоновано метод адаптивного стиснення даних на основі рандомізованого впорядкування інформаційних відліків. Здійснено промислове впровадження програмного забезпечення, яке реалізує розроблений алгоритм стиснення інформації.

Ключові слова: рандомізація, цифрова обробка, стиснення інформації, завадостійкість, рандомізатор, спецпроцесор.

Лазарович І.М. Методы и цифровые процессоры обработки данных на основе процедуры рандомизации. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук за специальностью 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления, Тернопольская академия народного хозяйства, Тернополь, 2004.

Диссертация посвящена вопросам разработки методов рандомизации информационных последовательностей, исследованию свойств рандомизированных последовательностей и созданию спецпроцессоров, которые реализуют эти процедуры.

В работе показано, что в компьютерных системах управления одной из важных задач является формирование фреймов данных. Проанализированы структуры фреймов сетевого уровня и методы улучшения их системных характеристик. Отмечено, что эффективность передачи и сохранения фреймов зависит от методов их обработки. Разработана классификация методов цифровой обработки данных, что позволило определить место методов рандомизации среди других нелинейных методов. Проведен анализ классических линейных методов обработки данных, что показало насыщенность их развития, в то время, как анализ мирового опыта применения процедур рандомизации свидетельствует об их эффективности и перспективности. В это же время процедура рандомизации была малоисследованной.

В диссертации предложена математическая формализация процедур весовой, невесовой и функциональной рандомизации. Установлено и исследовано свойство периодичности многократной рандомизации. Для исследования и моделирования методов рандомизации был разработан пакет программ, результаты работы которых подтвердили теоретические положения диссертации. Проведено исследование свойств рандомизированных цифровых последовательностей, а также системных характеристик источников информации при применении рандомизации. Проанализировано применение методов рандомизации для преобразования формы сигналов, шифрования данных, защиты информации от групповых помех и цифровой фильтрации.

Исследована рандомизация типа упорядочения последовательности по возрастанию, которая базируется на операции сравнения, то есть определение "меньше из двух". Эта функция применяется при цифровой обработке сигналов для вычисления функций авто- и взаимоэквивалентности.

Предложен метод адаптивного сжатия данных на основе рандомизированного упорядочения информационных отсчетов. Предложен алгоритм определения новой логико-статистической информационной модели, которая позволяет учитывать форму сигнала из сенсоров и характеризуется повышенной помехоустойчивостью за счет использования рандомизации.

Предложен метод определения спектральных составляющих на основе рандомизации, преимуществом которого является простота аппаратной реализации, высокое быстродействие, работа в реальном времени.

Одним из направлений исследования было преобразование гармонических сигналов в псевдослучайные типа М-последовательностей на основе рандомизации.

Этот метод применен для повышения помехоустойчивости оптимального приемника, что происходит за счет декорреляции помехи при применении процедуры рандомизации. Разработаны структурные схемы спецпроцессоров оптимальных приемников с использованием рандомизации, которые характеризуются повышенной помехоустойчивостью.

Впервые разработана структурная схема цифрового рандомизатора, а также спецпроцессора сжатия данных, которая характеризуется регулярностью архитектуры, простотой реализации на ПЛИС, высоким быстродействием.

Разработано и осуществлено промышленное внедрение программного обеспечения, которое реализует разработанный алгоритм сжатия информации в системе автоматизированной установки для поверки промышленных счетчиков газа типа ПУЛГ-3.

Ключевые слова: рандомизация, цифровая обработка, сжатие информации, помехоустойчивость, рандомизатор, спецпроцессор.

Lazarowych I.M. Methods and digital processors of the data processing on the basis of randomization procedure. - Manuscript.

Dissertation on competition of the scientific degree of candidate of engineering sciences on speciality 05.13.05 - Elements and devices of the computing engineering and control systems, Ternopil academy of national economy, Ternopil, 2004.

Dissertation is devoted to the questions of development of randomization methods of informative sequences, researching properties of randomized sequences and creation the special processors which will realize these procedures. In dissertation mathematical formalization of weight, non-weight and functional randomization procedures is offered. Research of properties of randomized digital sequences, and also system properties of information sources at application of randomization is conducted. Application of methods of randomization is analyzed for transformation of signals form, data enciphering, protection of information from group hindrances and digital filtration. The flow diagrams of the special processors of optimum receivers with the use of randomization are developed, which are characterized by raised noise immunity. The method of adaptive data compression on the basis of randomization is offered. Industrial introduction of software which realize the developed algorithm of data compression is carried out.

Keywords: randomization, digital processing, compression of information, noise immunity, randomizer, the special processor.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Важливою науково-технічною задачею є вдосконалення методів формування, цифрової обробки та передавання потоків даних в комп'ютерних системах керування (КСК), які би відповідали комплексному критерію ефективності на всіх етапах руху даних. Оцінка сучасних методів та засобів цифрової обробки даних (ЦОД) показує, що лінійні методи, які часто застосовуються для ЦОД, досягли значного насичення в своєму розвитку, а нелінійні методи є малодослідженими.

Практика застосування теоретико-числових перетворень (ТЧП) в галузі цифрової обробки телеметричних, інформаційних даних в телекомунікаційних системах, цифрових даних в комп'ютерних мережах дозволяє передбачити можливості ефективного застосування нелінійних ТЧП на основі процедур рандомізації для кореляційного та спектрального аналізу, цифрової фільтрації, стиснення даних та інше.

В сучасних інформаційних системах методи рандомізації знайшли застосування в галузі шифрування даних, затверджених стандартами DES, ГОСТ-28147-89. Позитивні результати застосування методів рандомізації отримані в галузі спектрального аналізу та завадостійкого передавання інформації. шифрування рандомізація інформаційний

Розвиток теорії методів та апаратно-програмних засобів ЦОД на основі теорії цифрової рандомізації та ТЧП в базисі Галуа дозволяє суттєво підвищити пропускну здатність телекомунікаційних систем та мереж, зменшити об'єми телеметричних даних, що є дуже актуально на низових рівнях систем, підвищити ступінь захисту від несанкціонованого доступу, а також розширити сферу застосування теорії нелінійних ТЧП при вирішенні математичних та інформаційних задач.

Тому тема дисертаційної роботи, яка пов'язана з розробкою методів та засобів ЦОД на основі рандомізації та їх застосування в КСК є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Запропоновані в роботі методи та засоби ЦОД, а також їх використання в КСК розроблялись в межах науково-дослідних робіт, що здійснюються Івано-Франківським Національним технічним університетом нафти і газу (ІФНТУНГ) та Карпатським державним центром інформаційних засобів і технологій Національної Академії Наук України (КД ЦІЗІТ НАНУ).

- Д-6Ф НДР "Розробка теоретичних основ вертикальної інформаційної технології та вдосконалення методів автоматизованого контролю розподілених об'єктів та нафтогазовидобувних підприємств", реєстраційний номер 07.04-МВ/**-97, ТЗ И ГАЦ 6/6 - 98Ф;

- НДР "Розробка методологічних основ (теорії, моделей, алгоритмів, процедур і технічних засобів) діагностування і автоматизованого управління об'єктами нафтогазового комплексу України" (ТЗ И ГАЦ - 573/99);

- НДР "Розробка автоматизованої системи для повірки промислових лічильників газу", Науково-виробничий центр "Новатор", м. Івано-Франківськ та підприємство "Східгазсервіс", м. Харків, "Юрфакторингсервіс", м. Кіровоград, ВАТ "Тера", м. Запоріжжя, 2000-2003рр.

Мета та завдання дослідження. Метою роботи є підвищення ефективності ЦОД та щільності архівування методами рандомізації та створення на їх основі програмних і апаратних засобів формування, перетворення, передавання та цифрової обробки даних в КСК.

Для досягнення мети необхідно вирішити такі завдання:

- проаналізувати способи ЦОД на основі нелінійних і лінійних методів цифрових перетворень;

- розробити теоретичні основи методів рандомізації цифрових даних;

- виконати дослідження методів ЦОД на основі функціональної рандомізації;

- розробити програмні моделі процесорів;

- розробити метод спектрального аналізу на основі рандомізації;

- розробити та дослідити метод стиснення інформації на основі рандомізації;

- реалізувати спецпроцесор рандомізації цифрових потоків даних.

Об'єкт дослідження: елементи та засоби обчислювальної техніки в різних галузях інформаційних систем.

Предмет дослідження: цифрові пристрої формування, приймання та обробки цифрових даних в КСК.

Методи дослідження: Основні наукові результати і висновки одержані на основі теорії інформації, теорії кодових послідовностей максимальної довжини, методів кореляційної та спектральної обробки даних, методів стиснення даних, теорії цифрових автоматів та експериментальних досліджень.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Вперше розроблено математичну формалізацію процедури рандомізації та досліджено властивості рандомізованих цифрових послідовностей, що дозволило визначити системні характеристики функціональної рандомізації в різних базисах та перспективні галузі застосування методів для ЦОД;

2. Запропоновано нові методи ЦОД на основі процедур рандомізації, які стали основою для створення відповідних спецпроцесорів обробки даних, а саме:

- метод підвищення завадостійкості приймання вузькосмугових сигналів, який дозволяє покращити відношення сигнал/шум на виході цифрових приймачів;

- метод спектральної обробки цифрових даних, який дозволяє спростити алгоритм обчислення та підвищити швидкодію спецпроцесорів;

- метод стиснення цифрових даних, який дозволяє покращити коефіцієнт стиснення в порівнянні з відомими методами.

Практичне значення одержаних результатів:

- розроблені алгоритми і програмні засоби спектральної обробки та стиснення даних на основі процедур рандомізації;

- розроблені та синтезовані на ПЛІС спецпроцесори, що реалізують процедуру рандомізації;

- розроблено і впроваджено алгоритм стиснення даних на повірочних установках промислових лічильників газу, що дозволило зменшити об'єми даних при метрологічних випробовуваннях, які реєструються в архіві бази даних і підлягають довготривалому зберіганню як протоколи повірки метрологічних паспортів;

- створені засоби цифрової обробки даних в телекомунікаційних системах з вузькосмуговими сигналами.

Теоретичні і практичні результати дисертаційної роботи використані і впроваджені:

- в науково-дослідних роботах, що проводились в науково-дослідному інституті нафтогазових технологій ІФНТУНГ;

- в науково-дослідних роботах лабораторії проблем інформаційних технологій ІФНТУНГ "Розробка теоретичних основ вертикальної інформаційної технології та вдосконалення методів автоматизованого контролю розподілених об'єктів та нафтогазовидобувних підприємств" (ТЗ И ГАУ 573/98);

- в дослідно-конструкторських роботах "Розробка автоматизованої системи для повірки промислових лічильників газу", що проводились науково-виробничим центром "Новатор", м.Івано-Франківськ та підприємствами "Східгазсервіс", м. Харків, "Юрфакторингсервіс", м. Кіровоград, Сервіснафтогаз, м. Харків, 2000-2003рр.;

- в навчальному процесі кафедри КТіСУ при проведенні лекційних, практичних і лабораторних занять з курсів "Низові обчислювальні мережі" та "Основи побудови АСУ".

Особистий внесок здобувача. Основний зміст роботи, всі теоретичні та практичні розробки, висновки і рекомендації виконані автором особисто. З 10 наукових робіт 4 праці написані без співавторів. У публікаціях, написаних у співавторстві здобувачу належить: [1] - дослідження методу цифрової обробки сигналу на основі процедури рандомізації; [2] - розробка і моделювання методу завадостійкого приймання інформації iз застосуванням процедури рандомізації, розробка архітектури цифрового приймача; [3] - розробка теоретичних основ процедури рандомізації; [4] - розробка покращеного методу завадостійкого передавання інформації на основі процедури рандомізації; [7] - розробка методів цифрової обробки сигналів на основі рандомізації; [9] - розробка, моделювання та дослідження методу адаптивного стиснення даних на основі рандомізації.

Апробація результатів дисертації. Основні наукові результати дисертаційної роботи доповідались і отримали схвалення на науково-технічній конференції професорсько-викладацького складу ІФДТУНГ (Івано-Франківськ, 1999), Міжнародній науково-практичній конференції "Друкотехн 2000" (Львів, 2000), Міжнародних конференціях "Сучасні проблеми радіоелектроніки, телекомунікацій та комп'ютерної інженерії TCSET" (Львів 2002, 2003, 2004), Міжнародних науково-практичних конференціях "Мікропроцесорні пристрої та системи в автоматизації виробничих процесів" (Хмельницький 2002, 2003). Міжнародній науковій конференції "Інтелектуальний збір даних і сучасні комп'ютерні системи: технологія і застосування (IDAACS'2003)" (Львів, 2003).

Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковано 10 робіт, 6 статей, з них 5 в фахових наукових журналах та збірниках, 4 роботи опубліковано одноосібно, 4 тезиси доповідей в матеріалах міжнародних конференцій.

Обсяг і структура дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Загальний об'єм роботи 167 сторінок. Основний зміст викладений на 136 сторінках друкованого тексту, містить 78 рисунків, 9 таблиць. Список використаних джерел - 76 найменувань. Додатки на 25 сторінках.

Основний зміст дисертації

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, визначено її зв'язок з науковими програмами і темами. Сформульовано наукову новизну та практичне значення одержаних результатів, а також показана їх апробація та публікації.

У першому розділі проведено аналіз основних напрямків розвитку універсальних та спеціалізованих процесорів обчислювальної техніки. Визначено, що основною функцією процесорів та інших пристроїв обчислювальної техніки є формування комунікаційних пакетів даних, за допомогою яких відбувається організація обчислень на більш високому рівні комп'ютерних засобів. Одним із таких елементів є формування фрейму. Поняття фрейму було введено М. Мінським для позначення структури знань сприйняття просторових образів. Більш глибоко поняття фреймів для теорії цифрових обчислювальних машин розвинуто академіком В.М. Глушковим.

В зв'язку з тим, що фрейми є вхідними і вихідними пакетами даних для процесорів та спецпроцесорів комп'ютерної техніки, потребує глибокого дослідження теоретична база їх формування та методи апаратної та програмної організації.

Очевидно, що наявність в моделі фрейму ДІ кодів інформаційного стану ОУ, кодів інформаційних параметрів та віртуальних даних передбачає широке використання на низовому рівні комп'ютерних систем керування (КСК) відповідних проблемно орієнтованих засобів обчислювальної техніки та спецпроцесорів.

Крім цього необхідність передавання фреймів по мережі КСК на більш високі рівні потребує реалізації відповідних спецпроцесорів формування фізичних сигналів, приймання та цифрової обробки сигналів, захисту від завад і помилок та ін.

Оскільки від ефективності реалізації спецпроцесорів та програмних алгоритмів ЦОД суттєво залежать техніко-економічні характеристики КСК, в тому числі надійність, живучість, швидкодія, схемотехнічна складність, завадозахищеність та інше, тому питання розвитку теорії методології та техніки їх побудови є завжди актуальним і потребує глибоких теоретичних та експериментальних досліджень.

При цьому потужний розвиток сучасної мікроелектронної техніки, інструментальних засобів їх проектування та відладки створює можливості розвитку теорії ЦОД, яка передбачає реалізацію в спецпроцесорах достатньо складних алгоритмів, теоретико-числових перетворень, методів хешування та рандомізації, які базуються на нелінійних процедурах обробки інформаційних послідовностей.

В кінцевому аспекті створення нових типів процесорів ЦОД забезпечують можливість вдосконалення існуючих комп'ютерних систем, зниження собівартості руху даних, розвиток перспективних напрямків їх успішної адаптації до особливих умов використання на низових рівнях КСК або розширення сфери застосування в специфічних умовах.

Формування фреймів даних здійснюється за допомогою протоколів. Проведено аналіз таких відомих протоколів як BSC (Binary Synchronous Communication), HDLC (High Level Data Link Control), МАС (Medium access control). При цьому визначено, що в усіх цих протоколах використовуються, як правило, синусоїдні або прямокутні амплітудно-фазо-маніпульовані сигнали.

Таким чином певну перспективу в сучасних умовах вдосконалення системних характеристик КМ є розвиток більш досконалих методів формування фізичних сигналів та їх обробки в реальному масштабі часу. Існуючі лінійні методи цифрової обробки фазоманіпульованих сигналів відомих протоколів достатньо повно вивчені і досліджені та практично вичерпали свої можливості. Очевидно, є перспектива ефективного використання методів рандомізації для підвищення завадозахищеності, швидкості передавання даних та створення нових процесорів ЦОД.

Розроблена класифікація методів цифрової обробки даних із врахуванням нелінійних методів що дозволило визначити базові галузі застосування процедури рандомізації в комп'ютерних системах керування. Проведене дослідження статистичних, кореляційних, ентропійних методів обробки даних в часовій області та в Хемінговому просторі, дискретного та швидкого перетворення Фур'є, Уолша-Адамара, Хаара дозволило визначити базові галузі застосування методів рандомізації в комп'ютерних системах.

Обґрунтовано перспективність розробки цифрових процесорів обчислювальної техніки для застосування нелінійних методів ЦОД на основі процедур випадкової та функціональної рандомізації для обробки сигналів і масивів даних в КСК.

У другому розділі наведено визначення терміну рандомізація. Запропоновано математичну формалізацію процедури рандомізації на основі оператора , дія якого полягає в переміщенні i-го елемента на місце j-го елемента послідовності . Відповідність між i та j будемо називається законом рандомізації:

, ,

, , .

- масив-ключ (закон) процедури рандомізації .

В результаті рандомізації послідовності утворюється послідовність , причому , , . У більшості випадків рандомізації , тобто рандомізована послідовність має ту саму довжину, що і початкова. Проте, скажімо при зсуві фази сигналу на основі рандомізації, відбувається розширення розміру рандомізованої послідовності, тобто , де - величина зсуву.

Кількість можливих варіантів рандомізації (тобто кількість різних ключів) визначається довжиною масиву-ключа рандомізації ,, тобто:

Застосування більшості із N ключів рандомізації не є практично ефективними. Проте серед них є ключі, застосування яких дозволяє виконувати наступні операції:

- впорядкування послідовності по зростанню;

- впорядкування послідовності по спаданню;

- утворення сигналу типу "білий шум";

- перетворення сигналу однієї форми в іншу (в т.ч. утворення шумоподібного сигналу (ШПС));

- збільшення або зменшення частоти гармонічного сигналу.

Закон перевпорядкування може бути побудований на базі функції випадкових чисел , що генерує випадкове число з проміжку . Для реалізації такої процедури потрібно генерувати множину , випадкових чисел таких, що не повторюються.

Серед можливих ключів рандомізації є ще й такі, які при рандомізації сигналу певної форми дозволяють отримати сигнал іншої, наперед заданої форми. Така рандомізація є сигнальною, або функціональною. Особливо важливим є перетворення гармонічного сигналу в псевдовипадковий. В якості псевдовипадкових послідовностей вибрано послідовності максимальної довжини, оскільки вони мають оптимальну форму кореляційної функції. Визначено основні властивості М-послідовностей, а також наведено структурну схему спецпроцесора для їх генерації.

Введено поняття вагової рандомізації. Ваговою рандомізацією називається процедура перемішування інформаційної послідовності із введенням масиву додаткових множників - вагових коефіцієнтів рандомізації , що відповідно визначається оператором вагової рандомізації :

, ,

, , .

Запропоновано функції генерування законів рандомізації для виконання зсуву фази, інверсії сигналу, перетворення наростаючого в загасаючий, збільшення та зменшення частоти сигналу. Проаналізовано переваги та недоліки застосування методів рандомізації для шифрування даних, захисту від групових завад та цифрової фільтрації сигналів.

Встановлено властивість періодичності багаторазової рандомізації, тобто шляхом проведення багаторазової рандомізації послідовності по одному і тому ж ключу .

За допомогою програмної моделі "Дослідження рандомізації v1.0" визначено характеристики мінімальної та максимальної довжини періодів для послідовностей різної довжини.

Одним із видів рандомізації є впорядкування послідовності по зростанню. Сама процедура на основі алгоритму впорядкування базується на операції порівняння, тобто визначення "меншого з двох". В цифрових системах обробки даних це є важлива величина, яка визначається згідно виразу:

.

Функція "менше з двох" або використовується для обчислення авто- та взаємокореляційних функцій еквівалентності:

, , . (1)

Очевидно, що операція порівняння і знаходження величини "менше з двох", яку необхідно виконувати при реалізації процедури рандомізації типу впорядкування, може бути ефективно використана для кореляційної обробки.

В табл.3 наведено рандомізацію типу впорядкування для типових сигналів. Для характеристики подібності між цими зображеннями, доцільно ввести міру подібності, яку обчислимо за допомогою виразу:

, (2)

де ,

рандомізовані сигнали двох сигналів різних форм, наприклад типу та .

На основі виразу (2) може бути реалізована логіко-статистична інформаційна модель (ЛСІМ), яку доцільно використовувати для розпізнавання типу сигналу на низових рівнях КСК. На даний час відомі шість ЛСІМ, за допомогою яких ефективно аналізуються дані з ОУ. Тоді сьому ЛСІМ на основі процедури рандомізації типу впорядкування запишемо у вигляді:

,

де - апертура форми рандомізованого сигналу , - міра подібності рандомізованого сигналу з сенсора та еталонного рандомізованого сигналу, яка обчислюється згідно виразу (2).

Застосування ЛСІМ дозволяє зменшити об'єм даних до величини , де - кількість відліків, оскільки для кодування кожного відліку використовується один біт. При цьому коефіцієнт стиснення становитиме

.

За допомогою рандомізації типу впорядкування можна отримати статистичний розподіл випадкової величини, який характеризується функцією щільності розподілу ймовірності , тобто відносною частотою появи значення . Функція щільності розподілу ймовірності визначається як кількість однакових значень у впорядкованому масиві для кожної амплітуди розділену на об'єм вибірки , тобто:

.

В роботі показано, що джерела інформації описуються наступними системними характеристиками:

.

де

-

діапазон зміни амплітуди сигналів; - статистичний розподіл величини ; - математичне сподівання; - дисперсія; - середньоквадратичне відхилення; - автокореляційна функція; - спектр в базисі Фур'є.

Проведено дослідження впливу рандомізації на системні характеристики ДІ, що дозволило встановити постійність статистичних параметрів ДІ та зміну їх спектральних та кореляційних функцій після рандомізації.

У третьому розділі досліджена задача розробки архітектур спецпроцесорів розпізнавання фазомодульованих сигналів в базисі Радемахера, Фур'є та при використанні процедури рандомізації. На основі структури оптимального приймача гармонічних сигналів Котельникова запропоновано архітектуру цифрового процесора приймача гармонічних сигналів в якому використовується процедура рандомізації. Це дозволило виконати перетворення гармонічного сигналу в шумоподібний на вході приймача і забезпечити підвищення відношення сигнал/шум на його виході на 20-30% по відношенню до типових схем оптимальних приймачів за рахунок декореляції завади.

За допомогою розробленого програмного забезпечення RanMod.exe та "Дослідження рандомізації v.1.0" було виконане моделювання цифрового приймача фазо-модульованих (ФМ) сигналів з рандомізатором, що дозволило визначити оптимальні параметри рандомізації: кількість кроків квантування по рівню доцільно вибирати в межах 24…28. Оптимальна кількість кроків квантування в часі становить . Максимальне значення коефіцієнта ефективності рандомізації досягається при функціональній рандомізації з приведенням форми сигналу до форми М-послідовності та при обчисленні кореляції на базі функції еквівалентності (1).

Запропоновано метод спектрального аналізу сигналів на основі рандомізації, виконано математичну формалізацію та розроблено структурну схему спецпроцесора для визначення спектральних складових. Метод характеризується високою швидкодією, простотою, працює в реальному часі, тобто при надходженні кожного наступного відліку вхідного сигналу на виході маємо оцінку його спектру. Ще однією з переваг алгоритму є його підвищена завадостійкість за рахунок використання рандомізації.

Розроблено метод адаптивного стиснення інформації на основі рандомізованого впорядкування відліків. Для моделювання цього алгоритму розроблено програму "Стиснення інформації на основі рандомізації V1.1", робоче вікно.

Таким чином запропонований метод стиснення інформації на основі рандомізації типу впорядкування дає стійкий коефіцієнт стиснення для файлів різного типу, в тому числі стиснених стандартними методами. Також метод ефективний для інформації, що надходить з давачів та інших джерел інформації у промисловості та на виробництві, де процеси здебільшого характеризуються низькою динамічністю.

Результати роботи програми стиснення
Назва файлу	Тип файлу	Розмір до стиснення	Розмір стисненого файлу	Коефіцієнт стиснення
Programs.txt	текстовий DOS	31,4 кб.	37,2 кб.	0,83
Script.doc	документ MS Word	37,5 кб.	32,8 кб.	1,14
Scanregw.exe	програмний додаток	124 кб.	118 кб.	1,05
Лес.bmp	зображення BMP	64,5 кб.	17 кб.	3,8
Backgrnd.gif	зображення GIF	103,5 кб.	65,8 кб	1,57
Звук Microsoft.wav	звук у форматі WAV	486,2 кб.	368,08 кб	1,32
Demo.mp3	звук у форматі MP3	37 кб.	28,1 кб.	1,29
Pr_ad.zip	архів WinZIP	248 кб.	172 кб.	1,44

У четвертому розділі розроблено структурну схему цифрового рандомізатора призначеного для виконання рандомізації деякого дискретизованого сигналу по наперед заданому закону , . Основними перевагами такої схеми є простота апаратної реалізації, висока швидкодія та робота в реальному масштабі часу.

Розроблено архітектуру цифрового процесора стиснення даних на основі рандомізованого впорядкування відліків сигналу. Запропонована архітектура спецпроцесора стиснення даних характерна регулярністю архітектури, що забезпечує легкість апаратної реалізації схеми на ПЛІС, високу її швидкодію, надійність та ефективність.

На основі теоретичних досліджень, проведених у третьому розділі, запропоновано структурні схеми синхронного та асинхронного цифрового приймача з використанням методу рандомізації.

Запропонований метод стиснення інформації на основі рандомізації типу впорядкування було застосовано при розробці та впровадженні установки для повірки промислових лічильників газу типу ПУЛГ-3.

Для управління та контролю установки ПУЛГ-3, а також для обробки і зберігання даних, отриманих в процесі її експлуатації, автором було розроблено програмне забезпечення "Програма повірки промислових лічильників газу ProgPov v.3.5", в якому впроваджено метод стиснення інформації на основі рандомізації типу впорядкування, що дозволило близько в 8-10 раз зменшити об'єм бази даних протоколів повірки лічильників.

Висновки по роботі

В дисертаційній роботі розв'язано наукову задачу розробки та дослідження методів цифрової обробки даних на основі архітектурної та схемотехнічної реалізації процедури рандомізації. Виконано моделювання запропонованих методів на ЕОМ та впроваджено метод стиснення інформації на основі рандомізації. При цьому отримано такі результати:

1. Проведений аналіз методів формування даних цифровими процесорами в КСК на основі фреймів, визначені типи і структури базових фреймів, також наведено оцінки об'ємів надлишковості фреймів стандартних протоколів та визначені класи сигналів на фізичному рівні.

2. Розроблена класифікація методів ЦОД з врахуванням нелінійних методів, проаналізовані системні характеристики алгоритмів ЦОД на основі статистичних, кореляційних, спектральних, ентропійних та Хемінгових моделей в різних теоретико-числових базисах, що дозволило визначити базові галузі застосування методів рандомізації в комп'ютерних системах.

3. Запропоновано математичну формалізацію процедури рандомізації на основі оператора , проведені дослідження процедур псевдовипадкової та сигнальної функціонально-орієнтованої рандомізації гратчастих функцій дискретизованих і квантованих сигналів, які дозволили обґрунтувати застосування вагової і невагової процедури рандомізації та покращити наближення до моделей реальних сигналів.

4. Встановлено властивість періодичності багаторазової рандомізації, досліджено рандомізацію типу впорядкування по зростанню для типових сигналів, що підтвердило потенційні можливості функціональних перетворень сигналів на основі рандомізації. Досліджено системні характеристики ДІ на основі застосування рандомізації, що дозволило встановити постійність статистичних параметрів ДІ та зміну їх спектральних та кореляційних функцій після рандомізації.

5. Досліджена задача і запропоновано метод цифрової обробки даних та архітектуру процесора приймача ФМ сигналів з використанням процедури рандомізації, що дозволило виконати перетворення гармонічного сигналу в шумоподібний на вході приймача і забезпечити підвищення відношення сигнал/шум на його виході на 20-30% по відношенню до типових схем оптимальних приймачів.

6. Запропоновано і досліджено метод спектрального аналізу сигналів на основі рандомізації, а також новий метод стиснення даних на основі рандомізованого впорядкування відліків, який забезпечує збільшення коефіцієнта стиснення близько в 3 рази по відношенню до відомих адаптивних методів, в тому числі в базисі Галуа.

7. Вперше запропонована схемотехнічна реалізація цифрового рандомізатора, а також розроблена архітектура спецпроцесора стиснення даних на основі рандомізації, яка характеризується регулярністю, високою швидкодією та простотою алгоритмів зчитування стиснених даних зовнішніми процесорами цифрової обробки та передавання даних.

8. Подані матеріали практичного впровадження результатів дисертаційної роботи в установці для повірки промислових лічильників газу ПУЛГ-3. Застосування розробленого методу стиснення інформації дозволило при метрологічних випробуваннях зменшити об'єми даних, які реєструються в архіві, і підлягають довготривалому зберіганню як протоколи повірки метрологічних паспортів.

Публікації

1. Лазарович І.М. Николайчук Я.М., Дослідження методу цифрової обробки сигналів на основі процедури рандомізації // Розвідка і розробка нафтових і газових родовищ. Серія: Методи та засоби технічної діагностики. - Івано-Франківськ: ІФДТУНГ.-1999.-Т 8, №36.-С.94-100.

2. Лазарович І.М., Николайчук Я.М. Дослідження застосування процедури рандомізації при передаванні сигналів в каналі з шумом // Комп'ютерні технології друкарства: Зб. наук. пр. - Львів, 2000.-№4.-С.314-320.

3. Лазарович І.М., Николайчук Я.М. Теорія і методи рандомізації цифрових потоків в телекомунікаційних системах // Вісник національного університету "Львівська політехніка". Радіоелектроніка та телекомунікації. - Львів, 2002.- №440.- С.234-240.

4. Лазарович І.М. Николайчук Я.М. Метод рандомізації та цифрової обробки інформаційних потоків в системах автоматизації виробничих процесів. // Вісник технологічного університету Поділля. - Хмельницький, 2002. - Т 2, №3. - С.91-94.

5. Лазарович І.М. Метод спектрального аналізу сигналів на основі процедури рандомізації// Вісник національного університету "Львівська політехніка". Радіоелектроніка та телекомунікації, №464. - Львів, 2003. С.153-157.

6. Лазарович І.М. Метод рандомізації цифрових даних та його застосування в інформаційно-комп'ютерних системах // Вісник технологічного університету Поділля. - Хмельницький. 2003. - Т.1, №3. - С.135-138.

7. Lazarowych I.M., Nikolaychuk J.M. Theory and methods of digital streams randomization in telecommunicational systems. // Proc. of the International Conf. TCSET`2002. - Lviv-Slavsko, Ukraine.-2002.- P.265.

8. Lazarowych I.M., The Method of Spectral Analysis of Signals Based on Randomization Procedure // Proc. of the International Conf. The Experience of Designing and Application of CAD Systems in Microelectronics САDSM 2003. - Lviv-Slavsko, Ukraine.-2003.- P.124-126.

9. Lazarowych I.M., Nikolaychuk J.M. Method of randomization and its application for adaptive data compression // Proc. of Second IEEE International Workshop on Intelligent Data Acquisition and Advanced Computing Systems: Technology and Application IDAACS`2003 - Lviv, Ukraine, 2003. P.362-364.

10. Igor Lazarowych. Randomization - perspective direction of digital data processing development and constructing of special processors in computer systems // Proc. of the International Conf. TCSET`2004. - Lviv-Slavsko, Ukraine.-2004.- P.403-404.

Размещено на Allbest.ru

...