Устройство для измерения отношения сигналшум

(54) УСТР ШЕНИЯ СИГ (57) Изоб технике и измерения го массив РЕНИЯ ОТНОЙСТВО ДЛЯ ИЗАЛ/ШУИетение относповышает досза счет испопоступающей тся к радиооверность ьзования цифровой ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ.10.87. Бюл. В 38С.Кукушкин, В.П.Барановолесников1.317.362(088,8)торское свидетельство С5, кл. С 01 К 29/26, 19 формации. Из соотношения распределений 1 и 2 видно, что кол-во ранговхарактеризует величину отношениясигнал/шум, т.к. распределения дляискаженной и неискаженной шумами информации характеризуются различнымчислом рангов блоков 1, . Подсчеткол-ва рангов, для к-рых частота появления соответствующих блоков оказалась в пределах верхней и нижнейграниц распределения, осуществляетсячерез 1-й эл-т ИЛИ 1-м счетчиком,на выходе к-рого и появляется фактичвеличина отношения сигнал/шум.1 табл3 ил.Изобретение относится к радиотехнике и может использоц: гься в цифроВьгх системах передачи данных для измерения отношения сигнал/шум,Цель изобретения - повьпнение достоверности измерения за счет использования всего массива поступаняцейцифровой информации.На фиг. 1 представлена структурная электрическая схема предложенного устройства; на фиг. 2 - эпюры напряжений, поясняющие его работу; наФиг. 3 - функции распределения инФормациипоступающей на вход устройства.Устройство для измерения отношения сигнал/шум содержит многовходовый элемент И 1, первый счетчик 2,первый, второй, третий и четвертыйэлементы И 3, 3, 3, 3, первый,второй, третий и четвертый элементыНЕ 4 , 4 , 4 , 4 первый, второй,третий и четвертый элементы 5, 52,5 з, 5,г задержки, первый элементИЛИ 6, К блоков 7 -7 к обработкисигнала, каждый из которых содержитпервый элемент И 8, первый элемент9 задержки, инвертор 10, элемент ИЛИ11, счетчик 12, второй элемент И 13,второй элемент 14 задержки и второйицвертор 15, второй элемент ИЛИ 16,второй счетчик 17 К + 1 блоковЭ18, - 18 памяти верхней границыраспределения, К + 1 блоков 19, -19сравнения, К + 1 блоков 2020+,памяти нижней границы распределения.Устройство работает следующимобразом.Основу работы устройства составляет деление всего массива восстановленных с ошибками данных, представленных в двоичном коде, ца блоки"нулей и "единиц" различной длины,где под длиной блока Ь. понимаетсячисло рядов стоящих одноименныхсимволов, подсчет количества и, блоков определенной длины в выбранноммассиве данных (статистической выборке), построение в частотной формеэмпирического закона распределениядлин блоков и подсчет количества рангов Функции плотности распределенияв предположении, что это же распределение построено в ранговой Форме.Основные операции, выполняемыеустройством, о цовцое их содержание,очередность вьцголцеция, а также саедеция об их техцццсской реализацииприведены в табгг, 1.Сообщения, предстацлецые в двоичном коде и искажеццые шумами и помехами, интенсивность которых необходимо оценить,ц имеюшиеся вследствие этого ошибки поступают на входустройства и на ньгходах первого ивторого элементов И 3 3 формируются сигналы,представляняцие собойпризнаки одиночных блоков0 и 1соответственно. Связано это с тем,что задержка во всех элементах 9 и14 задержки всех блоков 7, - 7, обработки сигнала и, в частности, вэлементах 5 5, 5 5,г задержкивыбрана равной периоду следованияОдиегочных двоичцьгх симВОлОВ. Поэтомупри поступлении ца вход устройствакодовой комбинации "01", что соответствует случаю одиночно стоящего"0", первый символ "0" будет инвертирован первым элементом НЕ 4 за тем задержан первым элементом задержки 5, и поступит нг второй вход первого элемента И 3, одновременно совторым символом "1", пришедшим наего первый вход, В результате на выходе первого элемента И 3, будетсформирован признак блока Ь,. Прикодовой коглбицации "10", определяющей одиночно стоящусю "1", признакЬ, будет сформирован на выходе второго элемента И 3Последовательносг"ти сформированных сигналов Ь объединяются в единый поток вторым элементов ИЛИ 16 и подсчитываются вторым счетчиком 17 При кодовых комбигнациях "11" и "00" признаки будутсформированы на выходах третьего ичетвертого элементов И Зз и 3,г соответственно. Поскольку признакн 1.где 1 = 1,2 включает в себя каксоставную часть 1, (Ь; С Ь;+ ), тосформироваццые ца выходах третьегои четвертого элементов И 3, и 3 сиг 4налы поступят на выход счетчика 12первого блока 7 г обработки сигналатолько после того, как будет установлено, что анализируемые кодовыекомбинации "11" ц "ОО" не имеют продолжения в виде следующей "1" или"0" (це являются частью более длинных комбинаций "11" и "000"). Поэтому признак Ь будет считаться окончатепьно сформированным только послезадержки сигнала в элементах 9, 14задержки первого блока 7 Г и в случае5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 13 отсутствия запрещающих сигналов, в качестве которых в устройстве используются сигналы очередного признакаформируемые на выходах первого и второго элементов И 8, 13 первого блока 7 . Следующий признак Ь посту 1ь пит на вход счетчика 12 второго блока 7 обработки сигнала только пос 2ле того, как будет установлено, что кодовые комбинации "111" и "ООО" не являются частью более длинных блоков; Формирование последующих признаков аналогично рассмотренному.Последовательность результатов счета, зарегистрированных в счетчике 17 и счетчиках блоков 7, - 7обработки сигнала, представляет собой эмпирическое распределение в частотной форме, Оценка отношения сигнал/ шум информации производится путем сравнения в К + 1 блоках 19 - 19 сравнения полученного эмпирического распределения с установленными в К + 1 блоках 181 - 18 ,и в блоках 20, - 20, нижней и верхней границами распределений, полученных на этапе обучения и соответствующих определенной оценке (диапазону оценок сигнал/шум) .Суть различий между распределениями, соответствующими оценкам "информация не искажена шумамии подавлена шумами", состоит в том, что всякая искусственно организованная человеком структура передачи данных для того, чтобы противостоять шуму, должна отличаться асимметрией функции плотности распределения вероятностей появления блоков различной длины. Чем больше степень асимметрии распределений блоков "единиц" и "ну - лей", тем в большей степени система передачи информации помехоустойчива, т.е. тем в.большей мере она противостоит тому, что создается приро 1 дой и отличается симметрией, По этой причине нормальный закон распределения, как один из симметричных законов, является универсальным захоном распределения ошибок. Если структура передаваемых данных не разрушена шумами и помехами, то вероятность появления в принятом сигнале длинных блоков не будет такой маленькой, как в случае ее подавления. Проявляется это еще и в том, что в массиве данных с неразрушенной структурой нет такого хаоса в чередовании "единиц" и "нулей", как в случае5454 недостоверной информации (преобладающего вклада не информационного сигнала, а шумов). Таким образом, функцияплотности в случае достоверной информации (не искаженной шумами) будет близкой к гиперболическим распределениям с тяжелыми хвостами(количество рангов, подсчитанное первым счетчиком 2, будет достаточновелико). Количество рангов в случаеполного разрушения шумами структурыбудет примерно в 2 раза меньшим. Приведенные соотношения справедливы дляструктуры сигнала, рассмотренной вкачестве примера, Для других структур отношения г/г " могут быть инымии могут служить оценками помехоустойчивости различных систем передачи данных.Между числом рангов г (г "( г;г),находящимся внутри интервала г",г,границы которого характеризуются двумя крайними случаями:полностью по -давленный шумами сигнал и сигналнеискаженный", и оценкой отношениясигнал/шум могут быть установленывзаимнооднозначные соответствия.Таким образом, количество рангов может быть использовано как оценка отношения сигнал/шум. На входы первого и третьего элементов И 3, 3, первого, второго, третьего и четвертого элементов НЕ 4, 4 , 4, 4 и второго и третьего элемейтов 5 , 5 задержки поступают сообщения, представленные в виде кодово-импульсной модуляции (фиг. 2 а). В первом, втором, третьем и четвертом элементах НЕ 4 4 , 4, 4 эти кодово-импульсные сигналы инвертируются (фиг. 26). После задержки импульсов в первом, втором, третьеми четвертом элементах 5, 5, 5 , 5 задержки (фиг,2 в, г) на выходах первого и второго элементов И 3 3 формируются сигналы, представляющие собой признаки одиночных блоков "0" и "1" соответственно, которые затем поступают на вход второго счетчика 17, с выхода которого (фиг, 2 д)игналы поступают на вход первоголемента 19 сравнения. При кодовых комбинациях, содержащих более чем один элемент в блоке Ь., сигнал формируется на выходе третьего и четвертого элементов И 3 З, 31 (фиг,2 з,е) причем на выходе третьего элемента И Зз формируются признаки для блоков, состоящих из "1", а на выходе чет вертого элемента И 3 - из 0". После задержки в первом и втором элементах задержки 9, 14 первого блока 7, (фиг. 2 ж, и) признаки блоков "00" и "11" поступят на вход счетчика 12 первого блока 7. (Фиг, 2 о) только в случае отсутствия запрещающих сигналов для первого и второго инверторов 10, 15 первого блока 10 7 , в качестве которых в устройстве используются сигналы очередного признака Ь , формированные на выходах первого и второго элементов И 8, 13 . первого блока 7, (фиг.2 к, м). После 15 задержки в первом и втором элементах задержки 9,14 (фиг.2 л.н) второго блока 7; и при отсутствии запрещающих сигналов 10, 15 (фиг, 2 п,о) второго блока 7 на вход счетчика 12 второго блока 7 поступают признаки блоков "111" и "000", Аналогично поступают сигналы с выходов первого и второго элементов 9 и 14 задержки третьего блока 7 (Фиг. 2 р,с,т). Так как 25 блок Ь. ,= 1,2 К состоит из1 гфблоков меньшей длины, то он включает в себя как составную часть признак блока Ь(фиг, 2 ж, и), так как признаки блоков Ь имеют ширину, сос О тоящую из двух имйульсов (Фиг, 2 у).Определение величины отношения сигнал/шум на выходе многовходового элемента И 1 и выходе первого счетчика 2 базируется на свойстве функции35 плотности распределения длин блоков "нулей" и "единиц" массива цифровой информации. Использование данных распределений для массивов текстовой информации позволяет определить структурные закономерности текстов, в частности получить характеристики оценки смысловой информации, неискаженной шумами и помехами, и инфор 4 мации, подавленной шумами, позволяют выявить закономерности для оценки цифровой информации.На фиг. 3 представлено 1-е среднее распределение для неискаженной информации, 2-е среднее распределение для информации, искаженной шумами и помехами, пунктиром обозначены верхняя и нижняя границы распределения 1, г - ранг блока информации Ь. Г - частота его появления в мас 55 сиве, Данные распределения получены путем анализа информации на ЭВМ. Устойчивый характер распределений для соответствующего вида информации позволяет использовать нх для оценки величины отношения сигнал/шум. Эта оценка производится н К + 1 блоках 19 - 19 , Причем блоки 18, - 18содержат величины верхней границы, а блоки 20, - 20- величины нижней границы распределения 1, полученные путем предварительного статистического анализа информации, Оценка отношения сигнал/шум по результатам сравнения в К + 1 блоках 19, - 19появляется на выходе многовходового элемента И 1. Под рангом распределения понимается номер соответствующего блока информации Ь . Из соотношения распределений 1 и 2 (фиг. 3) видно, что количество рангов характеризует величину отношения сигнал/ шум, так как распределения для искаженной и неискаженной шумами информации будет характеризоваться различным числом рангов блоков Ь Подсчет1количества рангов, для которых частота появления соответствующих блоков оказалась в пределах верхней и нижней границ распределения, осуществля ется через первый элемент ИЛИ 6 первым счетчиком 2, на выходе которого и появляется фактическая величина отношения сигнал/шум.Формула изобретенияУстройство для измерения отношения сигнал/шум, содержащее первый элемент ИЛИ, (К+1) блоков сравнения, где К - число каналов, четыре элемента задержки и четыре элемента И, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения достоверности измерения, введены К-й и (К + 1)-й блоки сравнения, первый счетчик, вход которого соединен с выходом первого элемента ИЛИ, а выход является первым выходом устройства, многовходовый элемент И, входы которого соединены с выходами всех блоков сравнения, а выход является вторым выходом устройства, последовательно соединенные второй элемент ИЛИ, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходами первого и второго элементов И, и второй счетчик, выход которого подключен к первому входу первого блока сравнения, а второй вход является тактовым входом устройства, первый элемент НЕ, вход и выход которого соединены соответст1 ЗДЗ 1 ДЗ Очередность выполнения Операция идентификации функций плот-. ности распределения и оценки отношения сигнал/шум Операция определения частоты встречаемости и функции плотности распреде- ления Операция выделения блоков различной длины Принятие решений Частота функция встреча- плотности емости распреде- ления Обозначе- Видние блока блоков 1 - при По статис- По колиподав-тической чествуленин близости рангов2 - принеи,ффООф "11" венно с первым входом первого элемента Ии с входом первого элемента задержки выход которого подключен к второму входу первого элемента И второй эле 95 чент НЕ, вход и выход которого соединены соответственно с входом второго элемента задержки и первым входом второго элемента И, второй вход .которого соединен с выходом второго элемента задержки, выход третьего элемента задержки соединен с первым входом третьего элемента И, второй вход которого соединен с входомтретьего элемента задержки и являет ся входом устройства, третий элемент НЕ, выход которого подключен к входу четвертого элемента задержки, четвертый элемент НЕ, вход и выход которого соединены соответственно с входом третьего элемента НЕ и первым входом четвертого элемента И, второй вход которого соединен с выходом четвертого элемента задержки (К + 1) блоков памяти верхней границы распре В деления, выходы которых подключены к вторым входам соответствующих блоков сравнения,(К + 1) блоков памяти нижних границ распределения, выходы кото= рых подключены к третьим входам соответствующих блоков сравнения, и К последовательно соединенных блоков обработки сигнала, каждый из которых содержит первый и второй элементы И, входы которых являются соответственно первым и вторым входами блоков обработки сигнала, последовательно соединенные первый элемент задержки,вход которого соединен с первым входом первого элемента И, первый инвертор, информационный выход которого подключен к выходу первого элемента И и является первым выходом блоков обработки сигнала, элемент ИЛИ исчетчик, выход первого элемента задержки подключен к второму входу первого элемента И, последовательно соединенные второй элемент задержки,вход которого соединен с первым входом второго элемента И, и второй инвертор, неинвертирующий и инвертирующий выходы которого соединены соответственно с вторым входом элементаИЛИ и выходом второго элемента И,выход которого является вторым выходом блока обработки сигнала, выходпервого элемента задержки подключенк второму входу второго элемента И,первый и второй входы первого блокаобработки сигнала соединены соответственно с выходами третьего и четвертого элементов И, выходы счетчиковявляются третьими выходами блоков обработки сигнала и подключены к первымвходам соответствующих блоков сравнения,.выходы которых являются соответствующими выходами устройства,тактовый вход которого соединен стактовыми входами счетчиков всехблоков обработки сигнала, входы первого, второго и четвертого элементов НЕ и второй вход третьего элементаИ объединены и являются входами устройства,1315145 Продолжение таблицы Очередность выполнения Операция определения частоты встречаемости и Функции пЛотности распреде- ления Функцияплотности Обозначение блока Частота встречаемости распределения искаженчООО 11 фф 11 У ц ном приеме"000" С - область частичного подавления Операция выделения блоков раз личной длины Видблоков к ф 111" кОперация идентификации Функций плотности распределения и оценки отношения сигнал/шум Принятие решений345145 01 001101000 7170 ППР 777 Р 7 Составитель Е.ГолРедактор А.Долинич Техред М.Ходанич Корректор А.Ворович Подписно аз 491 б/45 Тираж 729ВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 венно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 роиз