Устройство передачи и приема информации

СОЮЗ СОВЕТСНИХшшламасиииРЕСПУБЛИК1 51) 5 с 08 С 19/28 НИЕ ИЭО ТЕН сторонетель, бл 00 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТПРИ ГННТ СССР К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(71) Московский электротехническийинститут связи(56) Авторское свидетельство СССРМ 55263 1, кл. С 08 С 19/28, 1977.(57) Изобретение относится к техникепередачи (хранения) информации и мо"жет быть использовано в системах те"лемеханики и связи, Цель изобретения- повышение степени сокращенияизбыточности негауссовских сообщений.Устройство содержит на передающей лого-цифровой преобразовазадержки, два вычитателя,Изобретение относится к техникепередачи (хранения) информации и может быть использовано в системах телемеханики и связи.Цель изобретения - повышение степени сокращения избыточности негауссовских сообщений,На чертеже представлена функциональная схема устройстваУстройство содержит на передающейстороне аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 1, блок 2 задержки, первыйи второй вычитатели 3 и 4, первый и.второй сумматоры 5 и 6, фильтр-интерполятор 7, фильтр-предсказатель 8,8041648 А два сумматора, фильтр-интегратор,. фильтр-предсказатель, два кантователя, блок уплотнения информации, четы"ре усилителя, три нелинейных преобразователя, блок идентификации парамеров, на приемной стороне блок разделения информации, три сумматора, двавосстанавливающих фильтра, четыреусилителя, фильтр-интерполятор,фильтр-предсказатель, три нелинеиныхпреобразователя и блок идентификациипараметров. Устройство позволяет повысить степень сокращения избыточнос"ти реальных нестационарных негауссовских сообщений путем адаптивного нелинейного их преобразования в гауссовское, оптимального предсказаниФи интерполяции последних и затем обратного нелинейного преобразованиядля согласования со статистикой исходного сообщения. 1 ил. первый и второй квантователи 9 и 10, блок 11 уплотнения информации, с первого по четвертый усилители 12-15,с первого по третий нелинейные йреобраэователи 16-18 и блок 19 идентификации параметров, канал связи 20,на приемной стороне блок 21 разделения информации, с первого по третийсумматоры 22-24, первый и второй восстанавливающие фильтры 25 и 26, с первого по четвертый усилители 27-30, фильтр-интерполятор 31, фильтр-прелскаэатель 32, с первого по третий нелинейные преобразователи 33-35 и блок 36 идентификации параметров.Устройство работает следующим образом,Входное сообщение х(е), если ононепрерывно, преобразуется на передающей стороне в дискретную (цифровую)форму с помощью АЦП 1, и далее цифровая последовательность 1 х;) подаетсяна первый вход вычитателя 3. Бслисообщение х(с) дискретно (или цифро Овая последовательность), то оно черезсогласующее устройство (вместо ЯЦП)поступает на вычитатель 3. Ошибкамиквантования в АЦП 1 пренебрегаем,На выходе вычитателя 3, на второйвход которого подаются предсказанныеотсчеты х , образуется разностье;х; - х ,. Она квантуется в адап тивном квантователе, состоящем изнормирующего усилителя 12, коэффи Оциент усиления которого К = 1/6,Ц 3(где 6 2 Ц 3 - оценка дисперсии послеедовательности е;), вычисляемая итеративно в блоке 19 т - шаг итерации),и фиксированного квантователя 9Выходной сигнал е , квантователя, представляющий результат квантования нормированного сигнала К е подаетсяна первый вход блока 11 уплотненияинформации. Для восстановления отсче- ЗОтов исходного сообщения с точностьюдо ошибки квантования на выходе сумматора 5 формируются значения х ф =1х, +Ке =х +е =х +ь 1 1 1 и К 1 с и1+ 6, е;,= х ,. + е, + с, = х, + 1где ц; - шум квантования последовательности е,). Для этого сигнал е,.предварительно усиливается усилителем 12 в К раз, где К = - = 61и затем суммируется в блоке 5 с предсказанным значением х,. Усилие вблоке 13 необходимо для приведенияразностного сигнала к динамическомудиапазону сигнала е,. Аналогичныеоперации осуществляются усилителями15, 27 и 29.Предсказанный сигнал х ; Формируется на основе нелинейных безынерционных преобразований в блоках 16 и 1750и линейного преобразования в Фильтрепредскаэателе 8, В нелинейном преобразователе 16 отсчеты х", преобразуются в отсчеты у,.(к",) так, чтобынегауссовскую последовательность х",5привести к приближенно гауссовскойпоследовательности у,., Оптимальнойпроцедурой экстраполяции такой гауссовской последовательности являетсялинейная процедура видау ; - "- Г 3 1у;1представляющая собой результат цифровой свертки или взвешивания с коэффициентами а 13 предыдущих (задержанных) отсчетов 1 у, ), где аЦ 3 - оценка оптимальных на т-м шаге итерации параметров Фильтра- предсказателя 8, минимизирующих дисперсию ошибки предсказания е,:, получаемая итеративно в блоке 19 и подаваемая на управляющий вход фильтра- предсказателя 8,Нелинейное (безынерционное) пре- образование реализуется следующим образом:у; = Ч(х",) " В(х), (2)т.епутем разложения нелинейной функции Ч(х) в ортогональный ряд по известным базисным функциям Ь (х, К 1,И с коэффициентом ЫД 1, полу" чаемым итеративно в блоке 19 и поступающим на управляющие входы нелинейных преобразователей 16 и 17. Бсли шкалы (диапазоны изменения) значений х и у; разбить на И значений (с контролируемой точностью), т.е. х, = х " = 1 х,), е " 1,В иУу е , е = 1,И, то соотйошение (2) можно представить в матричном видеу. = (х.,) = Н(х.,) сКЦД, (3) где векторы - столбцы У 1 - (у ;, .и)шаг итера цииН(х,) - ортогональная матрица с известными элементами Ь(х; ),К 1;И, е = 1,И.По заданной гауссовской статистике вектора у известной матрице Н(х) . и измеряемой итеративно статистике вектора х; в блоке 19 вычисляются коэффициенты ЫкЦ , К1,И, кот ор ые однозначно определяют за ви симость у,. = (х,) по (2) или (3). Нелинейный преобразователь 17 выполняет роль обратного нелинейного преобразователя 16, В нем по отсчетам у,1 формируются отсчеты хцт (у,), согласованные со статистикой исходного сообщения х где- функция обратная у. Реализация обратного преобразования также осуществима, так как при вычисленных коэффициентах541648сообщения, точно такой же, как напередаче, так и на приеме (в отсутствие ошибок в канале).5Блок 19 идентификации параметроввычисляет значения оптимальных параметров а фильтра-предсказателя 8, оптимальных параметров р фильтра-интерполятора 7 и оптимальных параметров7 нелинейных преобразователей 16-18на основе реализации итеративных алгоритмов типа стохастической аппроксимации, а .также вычисляет оптималь"ные значения коэффициентов усиления 5 К К,-, К з и К нормирующих усили"телей 12-15. Такая нормировка, какуказывалось, необходима для обеспечения оптимальности квантования разностных сигналов е и Е20 В блок 19 идентйфикации парамет"ров подаются следующие сигналы: напервый информационный вход - выходнойсигнал Кг е 1 УсилителЯ 13, на вто"рой - выходной сигнал Кц Е1 уси лителя 15 на третий - выходйой сиг"нал сумматора 6, на четвертый - выходной сигнал преобразователя.Итеративный (рекурентный) алгоритмвычисления оптимальных параметров З 0 Фильтра-предсказателя 8 в векторнойФорме имеет видаЦ 1 аЦ. Е у е,Ц % ,1, (5)где у- постоянная адаптации - малая величина порядка 0,0010,0001;(4) представляющую собой цифровую свертку или взвешивание с коэффициентами ЬЯ 3 вычисляемыми итеративно в блоке 19, задержанных гауссовских выбо" рок у,. После обратного нелинейного преобразования в блоке 13 формируется задержанная на время Тз = шю(где д е - интервал дискретизации) оптимальная отфильтрованнаяот шума квантования 1 оценка х1, 1- й 1Чг (у, , исходного сообщения, где - обратная функция, реализуемая в блоке 18 аналогично как, .и в блоке 17.Разностный сигнал с;, хи, -- х; на выходе вычитателя 4 после квантования в адаптивном квантователе, состоящем из нормирующего усили" теля 14 с коэффициентом усиления 35 5 1 Ц 1 К = 1,И соотношения (2) и (3) однозначны и, следова тел ьнокаждому дискретному уровню х,." в памяти блока 17 может быть солоставлен уровень у и наоборот. Тогда при поступле еунии некоторого уровня у. с выхода фильтра-предсказателя 8 на выходе блока 17 выдается соответствующий ему уровень х,."= х ,., являющийся предсказанным для значения х;.Последовательность у, поступает также на фильтр-интерполятор 7, осуществляющий сглаживающую операцию К = - и фи кси рова нного ква нтоз цвателя 1 О, получает вид Е ;, и поступает на второй вход блока 11 уплотнения информации. Здесь 6 Г 3- оценка дисперсии последовательности Е, 1, получаемая итеративно в блоке 19.Для выработки управляющих сигналов 6,Ц 3 683 1 аиц 33Ьц ), , я 1 на выходе сумматора 6 формируется восстановленное сзадержкой на Т з сообщение х в.; ;). Для этого выходной сигнал нелинейно" го преобразователя 18 подается на первый вход сумматора 6 на второй вход которого через нормирующий уси" литель 15 с коэфФициентом усиления К1/К- Ь1 подается выходнои сигнал Е;квантователя 10. Эта операция необходима для того, чтобы иметь сигнал, по которому проводится. идентификация параметров исходного 1еЦ 1 = - е . - выходной сигнал усиКлителя 13;хн 1- вектоР РазмеРности и с компо нентами х ., х нхв, -и- .Аналогичный алгоритм справедливдля вычисления оптимальных параметров фильтра-интерполятора 7: Ц -е, .+ЬЦ 3 - Ь-Ц - 2 .я Ц - ш УхГ.1 -шЗ (6) 1где ЕЦ - н 3 = - ЯКг.е50 хИ - т 3= (хн е, ,х ).Данную итеративную процедуру можно применить и для оптимальной всреднем квадратическом смысле оценкивектора о55 а Ц 3 = а Ц - 1- 2) Й Ц . Ь .х31 пгде лЦ 1 = р(у - р(у,1. Здесь р(у;) -заданная вероятность попадания гаус"савской случайной величины в интерх о(к д 3 Ьк (х,) - оценка р(у ), вычисляемая йо х с учетом (2),Ь,(хд), , Ь,(х )- элементы ортогональной матрицы Н в (3)Управление параметрами квантова.теля с фиксированным числом уровнейквантования производится, как отмечалось, путем использования фиксированного квантователя и нормирующего усилителя, коэффициент усиления которого,пропорционален оценке дисперсии кван,ент усиления усилителя 12 К, " 1/4,Ца коэффициент усиления усилителя 14С. - 1/6 Ц .Оценки дисперсий разностных про;на приемной стороне полностью анало,гичен блоку 19 на передающей стороне,На его четыре информационных входапоступают точно такие же, как и на,входы блока 19, сигналы. на первыйинформационный вход - выходной сигнал К е; 1/К, е; Ь е , усилителя 27, на второй вход - выходнойсигнал К 6 Е ,1/Кэ Е,; = ЬЯ,;,усилителя 29, на третий вход " вымодной сигнал хв, сумматора 24,на четвертый " выходной сигнал преобразователя 33.На приемной стороне сигналы е ,иЕ; , уплотненные в блоке уплотнения информации и переданные по цифровому каналу 20 связи, подаются наблок 21 разделения информации, откудаподаются на входы усилителей 27 и 29с коэффициентами усиления К= 1/К, =еЦ 1 и К с 1/К з = 6 Е ,1соответственно. Выходной сигнал Ке. усилителя 27 поступает на сумматор 22,на второй вход которого подается предсказанная последовательность х , )с выхода нелинейного преобразователя 34. При этом на выходе сумматора22 образуется оценка сообщения х=1щ х; + 6 е е ;, получаемая без задержки. Она далее поступает на нелинейный преобразователь 33,и восстанавливающий фильтр 25. Нелинейно преобразованная с функцией (х",) в блоке 33 гауссовская последовательностьу) воздействует на фильтр-предсказатель 32 и Фильтр-интерполятор 31, С выхода Фильтра-предсказателя 32 сигнал дей" ствует на нелинейный преобразователь 34 с функцией у-, обратной у, С выхода фильтра-интерполятора 31 сигнал действует на нелинейный преобразователь 35 (аналогично преобразовате" лю 18).На выходе сумматора 24, на входы которого подаются сигнал К Ф ЕФ с выхода усилителя 29 и сигнал х- (у " ) с выхода нелиней" ного преобразователя 35, образуется с задержкой на Тэ более точная оценка исходного сообщения х . х ,.+Э 1 .+ ьЕЦ 1 Е , , Сигналы хф и х , в блоках 25 и 26 фильтруются с целью уменьшения шумов, принятых из канала 120 связи, усиливаются, в усилителях 28 и 30 и затем суммируются в блоке 23 для образования восстановленной оценки х(1) исходного сообщения х(С).Преимущество устройства состоит в том, что реализуемые в нем адаптивно ные алгоритмы нелинейного преобразования (прямого и обратного) негауссовского Сообщения в гауссовское и наоборот позволяют следить эа изменением текущей, как правило негаус" совской, статистики исходного сообщения и соответствующим образом корректировать (нормализовать) сигнал на входах линейных Фильтров-предсказателей и фильтров"интерполяторов с це" лью оптимизации их работы и миними" эации дисперсий погрешностей предсказания и интерполяции, что обеспечивает большее сокращение избыточности реальных негауссовских сообщений в условиях изменяющейся во времени их статистики.Формула изобретения,Устройство передачи и приема информации, содержащее на передающей стороне аналого-цифровой преобразова" тель, вход которого является входом устройства, выход аналого-циФрового преобразователя подключен к первому входу первого .вычитателя и через блок задержки к первому входу второго вычитателя, выход первого вычитателяподключен к информационному входу первого усилителя, выход которого через первый кяантователь подключен к первому входу блока уплотнения информации и к информационному входу5 второго усилителя, выход которого подключен к первому входу первого сумматора и к первому информационному входу блока идентификации параметров, первый выход которого подключен к управляющим входам первого и второго усилителей, выход второго вычитателя подключен к информацион" ному входу третьего усилителя, выход которого подключен через второй квантователь к второму входу блока уплотнения информации и к информационному входу четвертого усилителя, выхОд которого подключен к второму инфор мационному входу блока, идентификации параметров и к первому входу второго сумматора, выход которого подключен к третьему информационному входу бло" ка идентификации параметров, второй 25 выход которого подключен к управляющим входам третьего и четвертого усилителей, третий и четвертый выходы блока идентификации параметров подключены к управляющим входам фильтра предсказателя и фильтра-интерполятора соответственно выход блока уплотнения информации является входом канала связи, на приемной стороне блок разделения информации, вход которого является выходом канала связи, первый выход блока разделения информации подключен к информационному входу первого усилителя, выход которого подключен к первому информационному вхо" 40 ду блока идентификации параметров и к первому входу первого сумматора,. выход которого подключен к входу первого восстанавливающего фильтра, вы" ход которого через второй усилитель подключен к первому входу второго сумматора, выход которого является выхо" дом устройства, второй выход блока разделения информации подключен к информационному входу третьего усилителя, выход которого подключен к второму информационному входу блока иден" тификации параметров и к первому входу третьего сумматора, выход которого подключен к третьему информаци" онному входу блока идентификации параметров и через второй восстанавливающий фильтр и четвертый усилительк второму входу второго сумматора,первый, второй, третий и четвертыйвыходы блока идентификации параметровподключены к управляющим входам первого и третьего усилителей, фильтрапредсказателя и фильтра-интерполяторасоответственно, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что, с целью повышения сте"пени сокращения избыточности негауссовских сообщений, введены на переда"ющей стороне первый, второй и третийнелинейные преобразователи, на приемной стороне первый, второй и третийнелинейные преобразователи, на пере"дающей стороне выход первого сумматора подключен к информационному входупервого нелинейного преобразователя,выход которого подключен к четвертомуинформационному входу блока идентификации параметров и к информационнымвходам фильтра-интерполятора и фильтра-предсказателя, выход последнегоподключен к информационному входувторого нелинейного преобразователя, .выход которого подключен к вторымвходам первых вычитателя и сумматора,выход фильтра-интерполятора подключенк информационному входу третьего не-линейного преобразователя, выход которого подключен к вторым входам вторых вычитателя и сумматора, пятый выход блока идентификации параметровподключен к управляющим входам первого, второго и третьего нелинейныхпреобразователей, на приемной стороне выход первого сумматора подключенк информационному входу первого нелинейного преобразователя, выход которого подключен к четвертому информа-,ционному входу блока идентификациипараметров и к информационным вкодамфильтра-интерполятора и Фильтра-предсказателя, выход которого подключенк информационному входу второго нелинейного преобразователя, выход которого подключен к второму входу первого сумматора, выход фильтра-интерполятора подключен к информационномувходу третьего нелинейного преобразователя, выход которого подключен квторому входу третьего сумматора,пятый выход блока идентификации параметров подключен к управляющим входампервого, второго и третьего нелинейных преобразователей.1541648 едактор О.Юрковецка Тираж 441 Подписноеарственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. М 5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г,ужгород, ул.Гагарина, 19 Заказ 283ВНИИПИ Гос оставител ехред Л.Ол