Устройство для сжатия информации

(51) 08 С 15 0 ОПИСАНИ К АВТОРСКОМУ ОБРЕТЕ ИЯ ВИДЕТЕПЬСТ,(56) 1, Прэт уизображений. П1982.2. Авторское9 405125, кл. 63. Авторское Бюл. 9 о, А.Ф Зарицки 88.8)Цифроер, с а ая обработка г. М., фМирф СССР72.СССР970 виде8 Свиде08 ельство5/00, 1ельство15/06,ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ В 345503, кл. С С 1(54) 57) 1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЖАТИЯИНФОРМАЦИИ, содержащее на передающей стороне коммутатор, первый аппроксиматор, блок ключей, выходы ко"торого соединены а первыми входамивыходного блока,. выход которого подключен к каналу связи, на приемнойстороне - входной блок, вход кото"рого подключен к каналу связи, выходсоединен с входом дешифратора, первый выход дешифратора соединен спервым входом первого аппроксиматора,блок регистрации, выход которогосоединен с входом блока индикации,о т л и.ч а ю ш е е с я тем, что,с целью повышения информативностиустройства путем увеличения числапередаваемых функций, в него введены на передаюшей стороне блок памяти, блок синхронизации, пороговыйэлемент, задатчик отсчетных коэффи-.циентов, нелинейные элементы, блокортогональной нормализации, второйаппроксиматор, первый вход блокапамяти соединен с выходом коммутатора, второй вход - с выходом блокасинхронизации, выход блока памятисоединен с первым входом пороговогоэлемента, второй вход пороговогоэлемента подключен к первому информационному выходу второго аппроксиматора, первый выход порогового эле-."мента подключен к информационному входу задатчиков отсчетных коэффици-; ентов, второй выход - к управляюшим входам блока ключей и задатчика отсчетных коэффициентов, выходы которого подключены к информационным входам блока ключей и информационным входам первого аппроксиматора,. выходы которого подключены к входам нелинейных элементов, выходы нелинейных .элементов соединены с первым входом блока ортогональной нормализации, выходы которого соединены с информационными входами второго аппроксиматора, второй, третий и четвертый выходы блока синхронизации соответственно подключены к второму входу. блока ортогональной нормализации; ,синхронизирукщему входу первого аппроксиматора и второму входу выходного блоКа, на приемной стороне вве-. дены нелинейные элементы, блок орто" гональной нормализации, второй аппроксиматор, первые выходы дешифратора соединены с информационными вхо дами первого аппроксиматора, вторые выходы в . с информационными входами второго аппроксиматора, выход первого аппроксиматора соединен с входами нелинейных элементов, выходы которых соединены с входами блока ортогональной нормализации, выходы которого подключены к входам второго аппроксиматора, выход второго ап,проксиматора подключен к входу блока регистрации. 2. Устройство по п.1, о т л и ч аю ш е е с я тем, что .блок ортогональной нормализации содержит генератор синхроимпульсов, формирователЬ и каналов. Каждый к-ый (к=1,2, 3Я) канал содержит (-1) проектор, нормализатор, элемент И и эле-мент памяти, первый вход которого подключен к одноименному входу блока ортогональной нормализации, выходТираж 618 Подписногосударственного комитета СССРелам изобретений и открытийМосква, Ж, Раушская наб , д.4/51056244 к первым входам Кпроекторов,второй вход первого проектора подключенк первому входу первого проектора, востальных проекторах К-го каналавторой вход проектора соединен с вы-;ходом предыдущего проектора, выходпоследнего проектора подключен квходу нормализатора, выход которогоподключен к третьему входу одноименного проектора и первому входу элемента И, выходи элементов И каждогоканала подключены к одноименным выходам блока ортогональной нормализации, выход последнего проектора,й -гоканала подключен к первому входуформирователя и одноименному выходублока ортогональной нормализации,выход формирователя подключен. к второму входу элементов И; второй входформирователя подключен к первомувыходу генератора синхроимпульсов,второй выход которого подключен к Йзобретение относится к областй телемеханики, телеметрии и предназначено для уменьшения избыточности информации, передаваемой на расстоя-, ниеИзвестны устройства для .сжатия информации, содержащие на передающей стороне блок отбора информации, выход которого через отсчетный ключ соединен с информационным входом бло ка ввода информации в канал связи, и адаптивный дискретизатор, вход которого подключен через входной ключ к выходу блока отбора информации, первый выход через выходной ключ со единен с одним из адресных входов блока ввода информации в канал свя.зи, а второй выход подключен к одному из входов триггера, выход которого соединен с управляющим вхо" 0 дом входного ключа. На приемной стороне устройство содержит аппроксиматор, выход которого через выход" ной ключ подключен к входу блока регистрации, а вход через входной 5 ключ соединен с первым выходом блока вывода информации из канала связи, второй выход которого подключен к входу дешифратора Ц .Известно: также устройство, содержащее блок отбора информации, первый выход которого соединей с входом интерполятора, а второй выход - с ,одним из входов блока сравнения,запоминающий блок, первый вход которогоподключен к выходу блока сравнения а второй вход - к одному из выходов второму входу элементов памяти кана-лов, входы каналов являются й -входами блока ортогональной нормализации,вход генератора синхроимпульсов является (М 11) -входоМ блока ортогональной нормализации. 3. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е. е с я тем, что проектор содеркит элемент памяти, усилитель, вычитатель, .коррелятор, вход. которого подключен к первому входу проектора, выход коррелятора подключен к входу элемента памяти, выход которого подключен к первому входу усилителя, выход усилителя подключен к первому входу вычитателя, второй вход и вы ход вычитателя подключены соответст венно к второму входу и выходу проектора, второй вход коррелятора и второй вход усилителя подключены к третьему входу проектора. интерполятора, блок управления, вход которого соединен с выходом запоминающего блока, а выходы - с входами блока отбора информации, интерполятора и блока сравнения, устройство такхе содержит и экстраполятор, соединен-. ный с интерполятором, блоком управления и блоком сравнения 2 .Однако эти устройства используют лишь один вид аппроксимирующих функций, вследствие чего при малой априорной информации о сигналах .эффективность сжатия невысока.Наиболее близкиМ по своей сущности и техническому решению к изобретению является устройство, содержащее на передающей стороне схему совпадения, блок отбора информации (коммутатор), выход которого через отсчетный ключ соединен с информационным входом блока ввода информации в канал связи (выходной блок) и адаптивные дискре-. тизаторы, вход каидого из которых через соответствующий входной ключ подключен к выходу блока отбора информации (коммутатор), первый выход через соответствующий выходной ключ соединен с Одним из адресных входов блока ввода информации в канал связи (выходного блока), а второй выход подключен к одному.из входов соответствующего триггера, выход которого соединен с управляющим входом соответствующего входного ключа, на приемной стороне - аппроксиматоры, выход каждого из которых через соответствующий выходной ключ подключен к входублока регистрации, а вход через соответствующий входной ключ соединен с первым выходом блока вывода информации из .канала связи (выходного блока), второй выход которого подключен к входу дешифратора, причем. на передающей сторонб первые выходы адаптивных дискретизаторов соединены с входами схемы совпадения, выход которой под,ключен к другим входам триггеров и к управляющим входам отсчетного и выход-о ых ключей, а на приемной стороне ервый выход дешифратора соединен с дними, а второй - с другими управляющими входами входныМ и выходных ,ключей. 15Известное устройство позволяет испольэовать несколько аппроксимирующих функций различного вида, а в качестве выходной выдается информация, поступившая . с адаптивного дйскретизатора аппроксиматора), наиболее эффективно сжавшего сиГнал на заданном участке его обработкиаппроксимации 1 31 .Однако недостаточно большое количество разновидностей используемых для аппроксимации функций, обусловленное принципом построения известного технического решения, не позволяет получить высокую степень и ка-. чество сжатия информационных сигна". лов.Для получения высокого эффекта сжатия входных сигналов при достаточно высокой степени их разнообра зия в условиях отсутствия оприорной информации о них, необходимое количество видов Функций для аппроксима-. ции может превышать 101000-100.000. При этом аппаратурная реализация по 40 известному;,ф техническому решению становится весьма громоздкой, падает надежность устройства, возрастает стоимость, усложняется обслуживание, ограничиваются условия эксплуатации и 45 применение.В савых различных областях техники необходимы устройства скоростной передачи данных, причем заранее предугадать вид передаваемой информации невозможно. В этом случае приходится идти либо на увеличение объема аппаратуры, либо ограничивать класс задач, решаемых устройствами скоростной передачи информации.Цель изобретения - повышение ин-, формативности устройства.Цель достигается путем существенного увеличения числа различных видов Функций, используемых для аппроксимации. Разнообразные виды функций 60Ч=1, 2,Д, которые используются для аппроксимации сигнала 5(Ц, образуются с помощью одного дополнительного аппроксиматора путем выбора (задания) отсчетных коэффици ентов а, М =1,21. Выбирая отсчетн;.е коэффициенты а при заданных.первичных аппроксимирующих функциях Р (Ц, с =1,2, Д, обес-, печивается достаточное разнообразие вторичных Функций ф; (1) , используемых для сжатия сигналов, количество которых Д не зависит от принципа построения устройства, т.е. для увеличения 3 не требуется лийейного увеличения аппаратурных затрат.Поставленная цель достигается тем,что в устройство для сжатия информации, содержащее на передающай стороне коммутатор, первый аппроксиматор, блок ключей, выходы которого соединены с первыми входами выходного блока, выход которого подключен к каналу связи, на приемной стороне выходной блок, вход которого подключен к каналу связи, выход соединен с входом дешифратора, первый выход дешифратора соединен с первым входомпервого аппроксиматора, блок регистрации, Выход которого соединен с входом блока индикации, введены на передающей стороне блок памяти, блок .синхронизации, пороговый элемент, задатчик отсчетных коэффици-, ентов, нелинейные элементы, блок ортогональной нормализации, второй аппроксиматор, первый вход блока памяти соединен с выходом коммутатора, второй вход - с выходом блока, синхронизации, выход блока памяти соединен с первым входом пороговогоэлемента, второй вход порогового элемента подключен к первому информационному выходу второго аппроксиматора, первый выход порогового элемента подключен к информационному входузадатчиков отсчетных коэффициентов, второй выход - к управляющим входам блока ключей и задатчика отсчетных коэффициентов, выходы которого подключены к информационным входам блока ключей и информационным входам первого аппроксиматора, выходы которого подключены к входам нелинейных элементов, выходы нелинейных элементов соединены с первым входом блока ортогональной нормализации, выходы которого соединены с информационнымивходами второго аппроксиматора, второй, третий и четвертый выходы блокасинхронизации соответственно подключаны к второму входу блока ортого", нальной нормализации, синхронизирующему входу первого аппроксиматора и второму входу выходного блока, на приемной стороне введены нелинейныеэлементы, блок ортогональной нормали-,зации, второй аппроксиматор, первыевыходы дешифратора соединены с, йнформационными входами первого аппроксиматора, вторые выходы - с информационными входами второго аппроксиматоуа, выход первого аппроксиматора соединен с входами нелинейных элементов, выходы которых соединены с входами блока ортогональной нормализации, выходы которого подключены к входам второго аппроксиматора, выход второго аппроксиматора подключен к входу блока регистрации.Кроме того, блок ортогональной нормализации содержит генератор синхроимпульсов формирователь и Г ка налов, каждый 1 с -ый ( =1,2,3уЯ ) канал содеркит ( М - 1) проектор, нормализатор, элемент И и элемент памяти, первый вход которого подключен к одноименному входу блока орто=35 гональной нормализации, выход подключен к первым входам К -1 проекторов, второй вход первого проектора подключен к первому входу первого проекто-. ра, в остальных проекторах М -го ка-о нала второй вход проектора соединен с выходом предыдущего проектора,выход последнего проектора подключен к входу нормализатора, выход которого подклрчен к третьему входу одноименного проектора и первому входу элемента И, выходы элементов И каждого канала подклгбчейы к одноигленным .выходам блока ортогональной нормализации, выход последнего. проектора 0-го канала подключен к первому вхо,ду Формирователя и одноименному выходу блока ортогональной нормализации, выход формирователя подключен к второму входу элементов И, второй вход Формирователя подключен к пер вому выходу генератора сйнхроимпулъ" сов, второй выход которого подключеН к второму входу элементов памяти каналов, входы каналов являются М "вхо- дами блока ортогональной нормализа.-: 40 ции, вход генератора синхроимпульсов является (М г) -входом блока ортогональной нормализации.При этом, проектор содержит элемент памяти усилитель, вычитатель, коррелятор, вход которого подключен к первому входу проектора, выход коррелятора подключен к входу элемента памяти, выход которого подключен к первому входу усилителя, выход усилителя подключен к первому входу вь 1- читателя, второй вход и выход вычитателя подключены соответственно к второму входу и выходу проектора, второй вход коррелятора и второй вход усилителя подключены к третьему 5 входу проектора. На фиг.1 и 2 представлены соответственно передающая и приемная час-, ти устройстваф на фиг,3 - структурно-И Функциональная схема, детализирующая ,блок ортогональной нормализации устройстйа," на Фиг.4 - геометрическая схема-модель, поясняющая принципы функцИо 5 ирования устройства, 65 где с(Ц - входной сигнал, сжатыйсигнал в виде набора отсчетных коэффициентовьь,",ьполученных при аппроксимации функциями9 = 1,Маг(в примере число функций М =3) измножества разнообразныхвидов этих функций г5; - сигнал, сжатый наиболееэффективно,дк, =1,21 - отсчетные коэффициенты, задающие конкретный вид функций ф,"(1)из Гл ( в примере,3( =3по Фиисированным аппроксиглирующим функциям Якв первичном аппроксиматоре,д,О,ДЦ - адресная часть сообщения,задающая вид аппроксими 7 1рующих функцийЬг,ЬДГ;. - отсчетные коэффициенты,по которым на приемномконце восстанавливаетсяисходный сигнал 5(Ц сзаданной точностью пофункциям Р , восстанав"ливаемым по адресуаО, Онелинейное преобразова"ние, выполняемое .Функциональными преобразователямиеУстройство (фиг.1 и 2) содержит коммутатор 1, блок 2 памяти аппрок:симатора 3, Ьу, нелинейные элементы (НФП) 41-4, блок 5 ортогональной нормализации сигналов, пороговый ,элемент 6, задатчик 7 отсчетных коэффициентов, блок 8 ключей, выходной блок 9, блок 10 синхрониза" ции, входной блок 11, дешифратор 12, функциональные преобразователи 131- 13, усилители 14 -14 г с управляемым коэффициентом усиления, сумматоры 15 и 15, нелинейные элементы 16 ЛН, блок 17 ортогональ- ной нормализации, блок 18 регистрации, блок 19 индикации.Рассмотрим принцип работы устройства на примере герометрической модели (Фиг.4) . Для наглядности ограничимся тремя аппроксимирующими Функциями: Ф, У, Ф 7 - в первом аппроксиматоре, которые фиксированы априори ц,; щ,( - во втором аппрокси,маторе, вид которых определяется с помощью суперпозиция первых функций Данное выражение описывает всемногообразие видов аппроксимирующихфункций 1 , которые используютсядля сжатия сигнала во втором аппроксиматоре. Данное многообраэие видовэтих функций Г; 6 1 представленона фиг.4 в виде 3-мерного пространства, ".натянутого" на орты 44 иф ,ф,Для того, чтобы получаемые функции 5Ч;, Ч, М, были независимы, аГ, 1 Г; - минимально изоморфны, производится нелинейное функциональное преобразование Р . СигналЬ(Ц сжимается в втором аппроксиматоре с использованием полученных видов Г ГдГ. Функций, Вид функций Р , наиболее эффективно сжимающих сигнал 4 находится путем выбораотсчетных коэффициентов 1 са,о в 15подпространстве Г (с помощью блокавыбора отсчетных коэффициентов) поминимальной величине ошибки представления А; сигнала б; . Далее коор 4динаты-ой точки в подпространстве Р 4 , ОпределяеМые в вИдЕ Отсчетных коэффициентов й, сР, с пер.вого аппроксиматора, поступают в виде адресной части сообщения для передачи в канал связи а втораячасть 25сообщения,предоставляющаясам сжатыйсигнал 8; в виде отсчетных коэф%фициентовЬ,2 Ь, следует непосредственно за адресной частью.На приемной стороне сначала поадресной 4 асти восстанавливают вндфункций Р; , наиболее эффективносжавших сйгнал, затем по этим функциям и второй. части сообщения восстанавливают сам сигнал.Устройство работает .следующим образом.В начальном состоянии в блоке 2памяти отсутствует входной сигнал(С) . Функции, которыми апнроксимируется 5(Ц в аппроксиматоре 3 и 40которые поступают в него из блока 5ортогональной нормализации в видесигналов (Ц - нулевые. В первичном аппроксиматоре Зу функции Р(Циспользуемые для синтеза ; (Ц , фик сированы и заданы в виде набора сиг-;налов, обладающих свойством ортогональности 4 Р44, ии, Е4, - -и )" ии 4 поступает с первбго выхода порогового элемента б на вход задатчика отсчетных коэффициентов 7 о, М: ,1 , й аппроксиматоре 3.Отсчетные коэффициентыа,Оу, , Ок выбираются блоком 7 таким образом, чтобы минимизировать сигнал погрешности ,.(3) . Задатчиком отсчетных коэффициентов 7 будут выбраны коэффициенты 1 а , О д "4 ккоторым соответствует набор сигналов в виде функций ф;(Ц , наиболее эффективно сжимающих (аппроксимирро:щих в аппроксиматоре Зд сигналб(Цщ ЦБК 1-ЕЪД 4 Й 46, ,)фйфФД 4= если Р 4 4 ) 0 ф(4) =РЕ афЩ;где 7 - интервал времени, на котором производится сжатиесигнала 5(ОВходной сигнал 5(Ц через комму:- татор 1 поступает на блок 10 синхронизации и блок 2 памяти, где времен- . но запоминается до окончания процесса сжатия. Импульсы,от блока 10 синхронизации синхронизируют работу все-ф го устройства, запускают аппроксиматор 3. На выходе аппроксиматора Зу образуется некоторая (сначала произвольная) функция и сигналсоответствующий этой функции, поступает на 65 входы нелинейных элементов 4-4. Закон преобразования в нелинейном элементе,задается заранее либо в видестепенных функций, либо экспоненциальных либо по любому другому нелинейномузакону, обеспечивающему независимостьсигналов, образукдихся на выходах4 -4. Далее сигналы после преобразования в нелинейных элементах поступают на вход блока 5 ортогональнойнормализации и преобразуются в немтак, что где Т - интервал, на котором аппроксимируется 5(Ъ)Ортогонально нормированные сигналы яд (Ц = 4, И поступают на входы аппроксиматора Зд, в котором используются в качестве аппроксимирующих функций, Из блока 2 памяти поступает входной сигнал б(Ю на первый вход порогового элемента б, а на второй его вход аппроксимированный сигнал от аппроксиматора 342. В зависимости от близости сигнала к выбранным ап- проксимирующим Функциям ф(Ц:М,Ц в аппроксиматоре Зд при заданной по" стоянной погрешности его обработки (в виде порога в пороговом элементе б) сигнал погрешности, соответст вующий степени этой близости 45 И-Х 4 и 44411 И, З) 6 яо,о- заданная погреыность представленияб(С 1, 1056244 10После выбора отсчетных коэффициентов сигнал погрешности прохо"дит на второй выход порогового эле-мента 6 и открывает ключевую схему8. В результате этого отсчетные коэффициенты 1 Ь Ьг " Ьо 3 представляющие собой сжатое представление сигнала 5(Ц в функциональном подпространстве Г " (Фиг.4), вместе с адресной частью - .отсчетными коэффициентами 1 и йд, .-, 01, определяющигли вид Р" Функций аппроксимации,поступают от блока 7 выбора коэффициентов и от аппроксиматора З в,блок 9 выхода. В данном блоке (аналогично (3) ) производится при необходимости помехоустойчивое кодирование адресной части коэффициентов исамих отсчетньгх коэффициентовЬ, Ьг ,Ьдля измерения сигнала,5(1) на момент временив интер рвале Т. При поступлении нового вход"ного сигнала в блок 2 памяти, блоки иэлементы устройства по первому сигналу синхронизатора устанавливаются вначальное состояниепосле чего цикл 5сжатия повторяется для нового измерения. Необходимая степень сжатия может регулироваться (задаваться) величиной погрешности отображения сиг.нала в виде порога 6 в пороговом элементе б при фиксированном наборе от;счетов-коэФфициентов Ъ 1 = (,И. в.аппроксиматоре Зд,Поступившая из канала связи информация воспринимается на приемной 35 стороне (Фиг,2) блоком 11 входа. В момент поступления ацресной части сигнала аг,сг 2,ав дешифратор 12 значения отсчетных коэффициентов по-, ступают на управляющгле входй усили телей 14 -14 гг первого аппроксиматорг и устанавливают коэффициенты их усиления соответственно значениям Осг 2.а+ Импульс запуска от де- шифратора 12 поступает одновременно на входы всех функциональных првоб" разователей 13 -13 г, которые реализуют те же самые сигналы функцийфд, Гг , что и на передающей стороне в аппроксиматорв З,г. Усиленные с соответствующими коэффи-циентамисг , О оа ксигналы Функций 9 к 7): л;М поступают на сум матор 15, где складываются. В результате этого образуется тот вид аппроксимирующей функции, используемой во .втором аппроксиматоре, который давал максимальное сжатие сигнала на передающей стороне. Для этого сигнал с выхода сумматора 154 аналогично как, и на передающей стороне проходит чв рвз нелинейные элементы 164 -16 г за" ,тем поггучвнные сигналы ортогонально нормируются согласно (2) блоком 17 ортогональной нормализации и поступают на второй аппроксиматор. На управляющих входах усилителей 14 второго аппроксиматора уже к этому времени поданы от дешифратсгра 12 сигналы отсчетных коэФфициентовЪ, Ь,. Ьн 3 представляющих сжатый сигнал.Восстановленные по аО гО к 3 сигналы Функций максималгного сжатия (9 г( ,И , постУпаЯ от блока 17 ортогонального нормализатора и проходя через усилители 14 с заданными ЬЬЬгг коэффициентами усиления, ггрй сумглировании в сумматоре 15 г восстанавливают исходг;ый сигнал 5(Ч с принятой погрешностью (не более бйорог ), которая реализуется пороговыгл элементом б при сравнении аппрсасимированного и входного сигналов согласно (4) . Сигнал окончания процесса сжатия или достижения 6 хорог с второго выхода порогового элемента 6 поступает на второй вход блока 7 выбора коэффициентов для окончания процесса выбора фиксирования выбранных коэффициентов.Рассмотрим работу блоков 5 и 17 ортогонального нормирования, детализированная функциональная схема кото рых приведена на фиг.З.Блок содержит коррелятор 20, элемент 21 памяти, усилитель 22, вычитатель 23, блок 24 нормализации,проектор 25, Формирователь 26, элемент 27 памяти, генератор 28 синхроимпульсов, схему И 29Блок ортогональной нормализации работает следующим образом.На входы 1, 2, 3, , К, , К поступают сигналы неортогональных функций Як(С)и запоминаются в элеглентах 27 памяти (например, регистрах памяти) . С выбранной частотой запуска, задаваемой, например, импульсами внешней синхронизации, сигналы с генератора синхроимпульсов поступают на входы элементов пагляти, в результате чего с их выходов регенерируются сигналы неортогональных ункций Ъ (1 . Через М тактов реге-. нерации этих сигналов, количество оторых во вреглвнном измерении опрввлявт время начального установлениялока ортогональной нормализации (. из-за пропорциональности запаздывания сигнала номеру канала - К) на выходе блока ортогональной норглализа ции образуются системы сигналов ортогональных нормированных Функций 0 М . Выдача этих сигналов происходит одновременно с Формированием последнего сигнала 0 г(1) по сигналу формирователя 6, открывающего схему И 29, которые синхронизируются сигналами генератора 28.При этогл в первом канале сигнал входной функции Ф Й) только нормализуется блоком 24 норглализации, на выходе которого получают сигналы