Способ передачи и приема измерительнойинформации

р 11 828429 ОПИСАНИЕИЗОВРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз Советских Социалистических Республик(43) Опубликовано 07.05.81. (45) Дата опубликования оп Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий(72) Автор изобретения Гаран 1) Заявите 54) СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ И ПРИЕМА ИЗМЕРИТЕЛЪН ИНФОРМАЦИИИзобретение относится к технике связи и может использоваться в многоканальных телеметрических системах с сокращением избыточности измерительной информации.Известен способ передачи и приема ин формации в многоканальной телеметрической системе, заключающийся в опросе, дискретизации и кодировании на передающей стороне сигналов измерительных каналов, передаче, приеме, дешифрации и регистра ции данных по каналам 1.Однако известный способ передачи и приема информации малоэффективен или неприменим при большом количестве каналов телеметрической системы в силу большой 1" избыточности передаваемой информации по каждому из измерительных каналов.Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ передачи и приема информации в многоканальной те леметрической системе, заключающийся в дискретизации и кодировании на передающей стороне канальных измерительных сигналов, сокращении избыточности канальных измерительных сигналов, формировании группового сигнала, передаче, приеме, дешифрации групповых сигналов и регистрации канальных измерительных сигналов на приемной стороне 2.Недостатком этого способа передачи и 30 приема является малая эффективность в системах измерения быстроменяющихся измерительных сигналов. Известный способ не обеспечивает передачу и прием информации от большого числа высокоинформативных источников быстроменяющихся измерительных сигналов с требуемой скоростью и в требуемом объеме.Цель изобретения - повышение пропускной способности многоканальной телеметрической системы, получение конечного полезного результата измерения на передающей стороне системы измерений, а также повышение скорости необратимого сжатия данных.Для этого в способе передачи и приема измерительной информации в многоканальной телеметрической системе, заключающемся в дискретизации и кодировании канальных измерительных сигналов, сжатии канальных измерительных сигналов, формировании группового сигнала на передающей стороне, дешифрации групповых сигналов и регистрации канальных измерительных сигналов на приемной стороне, на передающей стороне после кодирования разделяют каждый канальный измерительный сигнал на аддитивные квазидетерминированный сигнал и случайный сигнал, а при сжатии канального измерительного сигнала формирупография, пр. Сапунова,Заказ 1002/7 НПО Поиск Изд.сударственного113035, Москв 39 Тираж 712митета СССР по делам из Ж, Раушская наб., д. 4 Подписное етеннй и открытий15 Х, и Л ; (5)=(Ж - д+1); Я) =И)На фиг. 2 приведен пример структуры канального пакета данных длиной В=и+4 кодовых слов разрядности г, где обозначены: 1 кдс - коды сообщения о квазидетерминированной составляющей, представленные коэффициентами аю, аь , , а аппроксимирующего для у(1) полинома уф(1) степени 1; 1 сс - коды сообщения о случайной (стационарной по среднему т) составляющей х(1), представленные оценками т, о, Р(х) вероятностных характеристик т, Р(х); Р (х), Р (х 2) ) ., Р (х, ) - ординаты функции распределения. ют первую сжатую кодовую комбинацию об изменении во времени квазидетерминированного сигнала и осуществляют необратимое сжатие случайного сигнала путем формирования второй сжатой кодовой комбинации о вероятностных характеристиках случайного сигнала и их изменении во времени, причем перед формированием группового сигнала первую и вторую сжатые кодовые комбинации объединяют, а на приемной стороне после дешифрации группового сигнала восстанавливают квазидетерминированный сигнал в виде функции времени.Кроме того, необратимое сжатие случайного сигнала осуществляют путем формирования второй сжатой кодовой комбинации об изменении вероятностных характеристик случайного сигнала во времени.При этом при осуществлении необратимого сжатия накапливают п отсчетов случайного сигнала, распределяют отсчеты по величине амплитуды и формируют вторую сжатую кодовую комбинацию в виде ряда измеряемых вероятностных характеристик, составленного в соответствии со значениями распределенных отсчетов.На фиг. 1 приведены графики, иллюстрирующие возможность ускоренного определения функции распределения Р(х) с помощью порядковых статистик, рангов и их простейших функций. Здесь обозначены: Хв, Хв+юД - непараметрический доверительный интервал для координаты (Х, р) функции распределения Р(х); Р(Х) =р; у - доверительная вероятность; 13 - вероятность попадания случайной составляющей х(1) в толерантный интервал Хя - ХлД;1 -1+и- ординаты функции распре 2 2 деления соответственно в точках На фиг. 3 приведены примеры структур группового сигнала. Здесь дополнительно введены обозначения: ГС - групповой сигнал; ПГС - признак группового сигнала; П; - канальный пакет данных -го канала 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 системы телеизмерения; О - длина 1-гоканального пакета данных в 1-ом групповомсигнале,На фиг. 4 приведены примеры структур групповых сигналов, формируемых на различных отрезках времени, где Т, - информация о временном промежутке (начало, конец, длина) для 1-го группового сигнала.На фиг. 5 приведен пример, иллюстрирующий проведение операции восстановления квазидетер мин ироваиной составляющей у(1) и ее регистрации в виде функции времонн,На фиг. 6 приведены примеры общей структурной схемы многоканальной телеметрической системы, в рамках которой реализуется предлагаемый способ передачи и приема информации. Здесь обозначены: 1 - источники информации (измерительные каналы, датчики); 2 - блок опроса (коммутирования); 3 - блок дискретизации по времени; 4 - блок кодирования (квантования по уровню); 5 - блок разделения канальных измерительных сигналов на аддитивные составляющие; 6 - блок сжатия квазидетерминированной составляющей; 7 - блок необратимого сжатия случайной составляющей; 8 - блок формирования канального пакета данных; 9 - блок формирования группового сигнала; 10, 11, 12 - соответственно блоки передачи, приема и дешифрации групповых сигналов; 13 - блок восстановления квазидетерминированной составляющей; 14 - блок регистрации; 15 - блок синхронизации; 16 - потребитель информации.Способ заключается в следующем. В многоканальной измерительной системе на передающей стороне производится опрос, дискретизация по времени сигналов измерительных каналов и кодирование (квантование по уровню и представление в двоичном коле) дискретных отсчетов каждого канального измерительного сигнала.После этого канальный измерительный сигнал 1(1) разделяют на две аддитивные составляющие (одним из известных приемов): квазидетермированную у(1) и случайную х(1). Различие этих двух составляющих сигнала определяется их названием, а именно: для квазидетерминированной составляющей сигнала в отличие от случайной характерно наличие свойств устойчивости формы зависимости амплитуды от времени для различных реализаций одного и того же измеряемого нестационарного процесса (канального измерительного сигнала). Каждая из этих составляющих канального измерительного сигнала, представленная некоторым числом У дискретных кодированных отсчетов (у(1;, (х(1;, =1,2 Л, подвергается сжатию, т. е. сокращению числа передаваемых по каналу связи данных за счет исключения избыточной (не представляющей интереса для потребителя данных телеизмерений) информации,Квазидетерминированная составляющая каждого канального измерительного сигнала подвергается обратимому сжатию, которое осуществляется одним из множества известных приемов, например с помощью апертурного предсказания, интерполяции или среднеквадратической аппроксимации полиномами различных степеней, а также наборами подходящих функций. В результате сжатия квазидетерминированной составляющей получают первую сжатую кодовую комбинацию, представляющую собой минимальное число данных (в битах), необходимых для восстановления и представления с заданной точностью этой составляющей сигнала на некотором интервале времени в виде функции времени, интересующей потребителя данных. В частном случае информация о квазидетерминированной составляющей на текущем интервале времени может не передаваться, если в пределах наперед заданной погрешности ее представления она не изменилась по сравнению с предшествующим интервалом времени.Случайная составляющая сигнала подвергается необратимому сжатию, в результате которого на приемной стороне невозможно восстановить характер ее изменения во времени. В этом случае на передающей стороне системы измерения определяется заданный потребителем данных набор вероятностных характеристик случайной составляющей сигнала на текущем отрезке времени. Если на текущем интервале времени вероятностные характеристики случайной составляющей несущественно отличаются от вероятностных характеристик предшествующего отрезка времени, то информация о статистических свойствах случайной составляющей может не передаваться (в частном случае) и передаваться лишь тогда, когда определяемые в результате необратимого сжатия вероятностные характеристики случайной составляющей существенно изменились во времени (критерий сушественности определяется при этом потребителем данных).Повышение скорости необратимого сжатия случайной составляющей сигнала в частном случае может достигаться путем накопления У отсчетов составляющей: Хь Х , Х. Затем эти отсчеты упорядочиваются по величине возрастания амплитуды, т. е. каждому отсчету ставится в соответствие ранг отсчета Я), который равен его номеру в упорядоченном рядух(х,) . (Х( (Х,) ((Х( - а) 4 (Х(с) ((Х(с+) (( Х( з) (( Х (лг - у(( Х(й)На основе полученных таким образом порядковых статистик., =. Х) - Х,)1;где д=1,2,3;с - целая часть числа (У/2).Полная среднеквадратическая погрешность определения ои Р=о,. такими приемами также зависит от количества У отсчетов случайной составляющей сигнала и от числа У, отсчетов на интервале корреХ Х, Х Х) Х),, х, , х хгХм д+1)1 (м5 формируется сообщение об измеряемых вероятностных характеристиках в виде заданного набора их (например, математическое ожидание т, среднеквадратическое отклонение о и функция распределения Р(х.При этом сообщение о математическом ожидании т случайной составляющей х(1) может быть сформировано: а) либо в виде одной центральной порядковой статистики (численно равной медиане распределения Х,), б) либо в виде двух порядковых статистик(Х, Ху, Х(2) Х(у ; Х), (Ху д+ ), где д)2; (Х;), Х, где , (й) - соответственно целые части чисел 0,27 У и 0,73 У (или ЛЧ 4 и ЗУ/4); (Х(с ),), Х(с (Х(с), Х(с+д, где 1=1, 2, 3 ; в) либо в виде несколь ких порядковых статистик (Х, ц, Х,),. Х ), Х; г) либо непосредственно в виде простейших функций от двух или нескольких порядковых статистик.ЗО Погрешность таких приемов определенияматематического ожидания, как и любых других приемов, зависит от количества отсчетов У в реализации и от количества отсчетов на интервале корреляции Ун=1/а, 35 которое определяется выбором шага дискретизации Л 1 слу чайной составляющей х(1) по времени перед процедурой упорядочивания. Среднеквадратическая погрешность уменьшается с увеличением У и с 40 уменьшением Ун. Выбор подходящих У иЛ определяет приемлемую для потребителя информации точность измерения. Сообщение о среднеквадратическом отклонении о формируют ускоренно в рассматриваемом 45 частном случае: а) либо с помощью двухпорядковых статистик (Х,), Х; ранги которых (А) и (11) выбираются заранее: (ХлО Х; (Х(м - У-, Хи(Х 1 м) Х(с;50Х,., Х; Х), Х; Х, Х,); б) либо в виде простейших функций от этих пар порядковых статистик55 о: ч Ху , 1) - Х, )1г 10 15 20 25 1 -Р(Х 1= 30 35 40 45 50 55 00 65 ляции составляющей х(1), Выбор подходящих Л и У, определяет приемлемую для потребителя информации точность измерения о,Сообщение о функции распределения случайной составляющей на некотором интервале времени может быть сформировано в частных случаях: а) из нескольких порядковых статистик (Х 1 в, ранговые номера которых известны и определены заранее; б) из нескольких пар (Х 1), Л), образованных порядковой статистикой Х) и ее рангом (Я), если ранговые номера статистик не определены заранее; в) из нескольких пар (Х 1), Х 1 в), образованных порядковыми статистиками с определенными рангами (Р) и (5),При этом в первом и втором случае порядковая статистика Х) определяет значение функции распределения вероятностей г (х) в точке Х 1) в соответствии с соотношением (фиг, 4, а):Р (Х 1 Р: Я/(Ю + 1).Во втором случае количество У отсчетов случайной составляющей х(1) сигнала 1(1) подразумевается переменным и должно. быть включено в сообщение о функции распределения, т. е.: (Х 1), К); У. В третьем случае сообщение о функции распределения, составленное из нескольких пар (Х 1 в), Х 1 в порядковых статистик, может использоваться потребителем как в соответствии с приведенным выше соотношением между Р(х) и (Х 1), й), так и в соответствии с двумя другими соотношениями между парой порядковых статистик Х 1 в), Х 1 в) и ординатами функции распределения Р(х):1. Две порядковые статистики Х 1 я) и Х 18 ранги которых различаются на произвольное число К (5=Я+К), определяют собой непараметрический доверительный интервал Х), Х+, для координаты (Х, Р) функции распределения, т, е. Р(Хр) =Р, причем доверительная вероятность у определяется табулированной разностью двух неполных р-функций (1 р) Пирсона.Т = (Д 1) ( Рг) )1: р( йЛ- А + 1) - У (3 + й, Л -- А + 1). Таким образом, несколько переданных пар порядковых статистик (Х, Х+, определяют интервальную оценку функции распределения, причем точностные свойства ее выражены доверительной вероятностью у (см. фиг. 1),2. Две произвольные порядковые статистики Х 1) и Хя) определяют собой непараметрический толерантный интервал Хз) - Х), заключающий в себе по крайней мере 100 р Огенеральной совокупности с вероятностью Р= 1 - 1 р (5 - Р, Л - 5 + +Я+1). Передача симметричных порядковых статистик (5=У - Я+1), т, е. порядковых статистик, одинаково удаленных от краев ранжированного ряда (Х 1), Х 1- л., позволяет потребителю данных за оценку функции распределения (см. фиг. 1) в точках Х) и Х +0 выбирать с коэффициентом доверия у соответственно ординаты (см. фиг. 4 в): 1 - л 1 +,;Р(Х 1 л д+) ) = 1 -2 2 Использование для передачи тех же порядковых статистик, их рангов и простейших функций от порядковых статистик и рангов позволяет потребителю информации анализировать, определять и другие вероятностные характеристики случайной составляющей х(1).В результате процедур сжатия составляющих сигнала какого-либо канала на интервале времени получают первое и второе сжатые сообщения (кодовые комбинации) в виде нескольких кодовых слов фиксированной длины, которые объединяют в пакет данных по каналу в строго определенном порядке. Последнее означает, что на каждом месте в канальном пакете данных ставится заранее определенный код: либо код сообщения о квазидетерминированной составляющей, либо код сообщения о вероятностнои характеристике стационарной составляющей.На фиг. 2 приведен пример такой структуры канального пакета данных длиной О=п+4 кодовых слов, где сообщение о квазидетер минированной составляющей представлены двумя коэффициентами ао и аь полинома первой степени уа(1) =ао+аА аппроксимирующего квазидетерминированную составляющую у(1), а сообщение о случайной составляющей х(1) представлено кодом математического ожидания т, среднеквадратического отклонения о и координатами функции распределения Р(х), Р(х).Порядок следования канальных пакетов данных в групповом сигнале, характер и объем дополнительной информации, входящей наряду с канальными пакетами данных в групповой сигнал, определяются режимом опроса измерительных каналов и конкретными процедурами сжатия составляющих.В простейшем случае (см, фиг. З,а) групповой сигнал составляют пакеты данных фиксированной заранее, определенной для ка)кдого канального измерительного сигнала длины, причем и порядок следования канальных пакетов данных в групповом сигнале строго определен. Для улучшения качества привязки сообщений по времени, качества дешифрации и синхронизации в начаде группового сигнала формируется и передается признак группового сигнала. Переменная длина канального пакета получается, например, в случаях: а) если объем информации о квазидетерминированной и стационарной составляющих (длина первого и второго сжатых сообщений) устанавливается адаптивным образом (например, только существенное изменение позволяет включать в пакет данных сообщения о составляющих канального измерительного сигнала); б) если длина первого и второго сообщений переменна для различных групповых сигналов. При переменной длине канальных пакетов данных в конце каждого пакета формируют и передают сигнал признака конца пакета данных (см. фиг. 3, б),Более сложные структуры группового сигнала обеспечивают в некоторых случаях и более высокий коэффициент сжатия (более высокую степень разгрузки канала связи). Так, например, если в результате процедур сжатия составляющих какого-либо канального сигнала выявилось, что информация о составляющих сигнала на текущем интервале времени избыточна (несущественна для потребителя данных), то в групповом сигнале пакет данных этого измерительного канала отсутствует. Для безошибочной дешифрации пакетов на приемной стороне и улучшения временной привязки их включается признак группового сигнала, а также специальный и-разрядный код, в котором номера разрядов соответствуют номеру канала и в эти разряды заносится единица, если по соответствующему каналу информация передается и ноль в противном случае (см. фиг. 3, в). Вместо этого р-разрядного кода можно передавать с каждым пакетом данных г-разрядный код номера соответствующего ему канального измерительного сигнала (измерительного канала), где г=1 о 2 р (см. фиг. З,г).В перечисленных частных случаях достаточной информацией об отрезке времени, которому соответствуют данные в пакетах, служит признак группового сигнала. Такими структурами группового сигнала можно пользоваться в том случае, когда все групповые сигналы во время телеизмерений формируют на постоянных отрезках времени, В случае формирования различных групповых сигналов на различных отрезках времени (см. фиг. 4) в составе группового сигнала за признаком группового сигнала передают кодовую комбинацию, дешифрация которой на приемной стороне позволяет определить начало, конец и длину отрезка времени, которому соответствуют пакеты данных, входящие в состав группового сиги ал а (см. фиг. 4) .В наиболее общем случае групповой сигнал и канальные пакеты данных формируются на переменных отрезках времени, длина которых определяется, например, свойствами измеряемых процессов. В составгруппового сигнала в этом случае входитпеременное число канальных пакетов данных, причем количество пакетов данных5 .ля какого-либо фиксированного канального измерительного сигнала также различно.В этом случае с каждым пакетом данныхпередастся информация о номере канального измерительного сигнала (номере изме 10 рительного качала телеметрической системы) и об отрезке времени, которому соответствуют данные в пакеты. Примеры такого группового сигнала приведены на фиг.4, б. По окончании процесса формирования5 группового сигнала производится передача,прием и дешифрация групповых сигналовобычным образом. Селектируемый признакгруппового сигнала на приемной сторонепозволяет осуществлять временную привяз 20 ку и дешифрацию групповых сигналов.После дешифрации групповых сигналови пакетов данных производятся необходимые операции по восстановлению графикаквазидетермпнированной составляющей в25 виде функции времени (см. фиг. 5) и регистрации его для каждого канального измерительного сигнала, Запоминание квазидетерминированной составляющей может осуществляться и в сжатом виде при необхо 30 димости длительного хранения сообщений.Наряду с сообщением о квазидетерминированной составляющей регистрируются вероятностные характеристики случайной составляющей в удобном для потребителя35 виде.Уровень развития современных средстврадиоэлектроники и вычислительной техники позволяет реализовать операции, составляющие суть перечисленных отличительных40 признаков предлагаемого способа с помо- щь.о универсальных модулей вычислительной и радиоэлектронной техники, включающих микропроцессорные БИС и БИС памяти, Примеры общих структурных схем мно 45 гоканальной телеметрической системы. врамках которой мохкет быть реализованпредлагаемый способ передачи и приемаинформации с применением универсальныхсредств радиоэлектроники и вычислитель 50 ной техники приведен на фиг. б, На фиг. б,априведена структурная схема многоканальной системы телеизмерений для случая, когда блок опроса измерительных каналовпредшествует блокам дискретизации и ко 55 дирования, а на фиг. б,б в д случая, когда дискретизация, кодирование, разделениесоставляющих, сжатие составляющих иформирование канального пакета данныхпроизводится непосредственно в каждом из60 измерительных каналов, после чего канальные пакеты данных поступают в блок формирования группового сигнала,Степень эффективности использования нафпрактике предлагаемого способа в многока 65 нальной тслсметрии зависит от многих фак 828429 12торов, в том числе, от числа каналов системы, статистичских свойств канальных сигналов (измеряемых процессов), конкретных вычислительных процедур сжатия составляющих канальных измерительных сигна лов, вида группового сигнала. Результаты статистических испытаний свидетельствуют о том, что в среднем предлагаемый способ позволяет на 1 - 2 порядка сократить объем передаваемых данных и разгрузить канал 10 передачи.Формула изобретения1. Способ передачи и приема измерительной информации в многоканальной телемет рической системе, заключающийся в дискретизации и кодировании канальных измерительных сигналов, сжатии канальных измерительных сигналов, формировании группового сигнала на передающей сторо не, дешифрации группового сигнала и регистрации канальных измерительных сигналов на приемной стороне, о т л и ч а ю щ и йся тем, что, с целью повышения пропускной способности многоканальной телемет рической системы, на передающей стороне после кодирования разделяют каждый канальный измерительный сигнал на аддитивные квазидетер минированный сигнал и случайный сигнал, а при сжатии канального 30 измерительного сигнала формируют первую сжатую кодовую комбинацию об изменении во времени квазидетерминированного сигнала и осуществляют необратимое сжатие случайного сигнала путем формирования второй сжатой кодовой комбинации о вероятностных характеристиках случайного сигнала и их изменении во времени, причем перед формированием группового сигнала первую и вторую сжатые кодовые комбинации объединяют, а на приемной стороне после дешифрации группового сигнала восстанавливают квазидетерминированный сигнал в виде функции времени.2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что необратимое сжатие случайного сигнала осуществляют путем формирования второй сжатой кодовой комбинации об изменении вероятностных характеристик случайного сигнала во времени.3. Способ по п, 1, отличающийся тем, что, с целью повышения скорости необратимого сжатия случайного сигнала, при осуществлении необратимого сжатия накапливают п отсчетов случайного сигнала, распределяют отсчеты по величине амплитуды и формируют вторую сжатую кодовую комбинацию в виде ряда измеряемых вероятностных характеристик составленного в соответствии со значениями распределенных отсчетов.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе 1, Тепляков П. М. Радиотелеметрия, М Советское радио, 1966, с. 45.2, Агаджанов П. А. и др. Основы радио- телеметрии. М., Воениздат, 1971, с. 164 (прототип).