Адаптивное телеметрическое устройство для сжатия информации

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскихСоциаиистичеснихРеспублин(23) Приоритет 6 08 С 19/16 Государственный комитет СССР но делам изобретений н открытийДата опубликования описания 15.02.83(72) Авторыизобретения Ю.В.Соболев, П.Ф.Поляков и В.Г.Иванов 3 м , кий институт инженеров железнодо жной " трансйорта им. С.М.Кирова(54 ИВНОЕ ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОДЛЯ СЖАТИЯ ИНФОРМАЦИИ по р Изобретение относится к телемет;рии и обработке случайных процессов.Известно адаптивное телеметрическое устройство, содержащее задающийгенератор, коммутатор, каналов, ключи коммутатора каналов, аналого-цифровой преобразователь, запоминающийблок и решающий блок 1.Однако такое устройство можетработать только с одним алгоритмомсжатия данных, который не обеспечивает высокого коэффициента сжатия информации.Наиболее близким к изобретениюПо технической сущности является устойство, содержащее коммутатор, блок определения ошибки и блок анализа входного сигнала, первые входы которых подключены к входу стройства, выход блока анализа входного сигнала через арифметический блок соеди.нен сэ вторым входом коммутатора, блок апертурных алгоритмов сжатия, блок определения ошибки, блок управления апертурой, аналого-цифровой преобразователь, буферный запоминающий блок 2.Известное устройство выбирает только апертурный алгоритм сжатия данных по скорости изменения входного сигнала и не позволяет адаптиро.ваться к базису прецставления случай ного процесса, что существенно снижа ет эффективность работы устройства за счет невысокого коэффициента сжатия.Цель изобретения в . вышение коэффициента сжатия.Поставленная цель достигается тем, что в адаптивное телеметрическое устройство для сжатия информации, содержащее аналого-цифровой преобра-зователь, блок сжатия информации с плавающей апертурой и блок буферной . памяти, выход которого соединен с вы.ходом устройства, введены блок сжатия информации -в базисе Хаара, блок сжатия информации в базисе Фурье, блок определения оптимальных базиса и алгоритма сжатия информации и ключи, вход аналого-цифрового преобразователя соединен с входом устройства, первый выход - с объединенными первыми входами блока сжатия информациК в базисе Хаара, блока сжатия информации в базисе Фурье и входом блока сжатия информации с плавающей апертурой, второй и третий выходы аналого-циФрового преобразователя соединены соответственно с вторыми итретьими входами блока сжатия информации в базисе Хаараи блока сжатия информации в базисе Фурье, первые и вторые выходы блока сжатия ин.Формации в базисе Хаара, блока сжатия информации в базисе Фурье и блокаапертурных .алгоритмов соединенысоответственно с информационными входами ключей и с соответствующими входами блока определения оптимальногобазиса и алгоритма сжатия информации,1 Овыходы которого соединены с управляющими входами соответствующих ключей, выходы ключей соединены с соответствующими входами блока буферной памяти.Блок сжатия информации в базисеХаара и блок сжатия информации в базисе Фурье содержит ключи, элементысравнения, элементы И, элемент ИЛИ,переключающие триггеры, счетчик,триггер запрета, пороговый элемент,дифференцирующие элементы, делитель,сумматор, генератор пилообразногонапряжения и анализатор спектра,выходы анализатора спектра соединены с первыми входами соответствующих ключей и элементов сравнения,выходы которых через соответствующиедифференцирующие элементы соединеныс первыми входами соответствующихэлементов И, выходы элементов И через соответствующие переключающиетриггеры соединены с вторыми входами соответствукщих ключей и соответствующими входами Элемента ИЛИ,выход которого соединен с первым 35входом счетчика, выход счетчика соединен с первым входом делителя,выходы ключей соединены с соответствующими входами сумматора, выходкоторого соединен с входом порогово Ого элемента, выход порогового элемента соединен с первым входом триггера запрети, выход которого соединен с объединенными вторыми входами,элементов И, первый и второй выходы генератора импульсов соединенысоответственно с вторыми и третьимивходами элементов сравнения, входанализатора спектра, объединенныевход генератора импульсов, вторыевходы счетчика, делителя запрета итретий вход делителя соединены соответственно с первым, вторым итретьим входами блока, выходы ключевых элементов и выход делителясоединены соответственно с первыми вторым выходами блока. Блок определения Оптимального базиса и алгоритма сжатия информации содержитключи, элементы задержки, сумматоры, инверторы, триггеры, элементы 60И и элемент ИЛИ, выход первого сумматора соединен через первый инвертор с первым входом первого триг.гера и непосредственно с первымивходами второго триггера первого и .65 второго ключей, выходы которых соединены с первым входом второго сумматора, выход второго сумматора соединен через второй инвертор с первым входом третьего триггера и непосредственно с первыми входами первого и второго элементов И, вторые входы которых соединены с выходами соответственно первого и второ- го триггеров, выходы первого и второго элементов И и третьего триггера соединены с соответствующими входами элемента ИЛИ, выход которого соедйнен с объединенными вторыми входами триггера и второго сумматора и первым входом первого сумматора, выходы элементов задержки соединены с вторыми входами соответствующих ключей, объединенные второй вход первого сумматора и вход первого элемента задержки, объединенные третий вход первого сумматора и вход второго элемента задержки и третий вход второго сумматора соединены соответст- . венно с первым, вторым и третьим входами блока, выходы элементов И и третьего триггера соединены с соответствующими выходами блока.На Фиг. 1 представлена блок-схема устройства; на фиг. 2 - графики результатов обработки моделей случайных процессов с корреляционной функцней с использованием базисов Хаара, Фурье и апертурных алгоритмов; на фиг. 3 - графики результатов обработки натурных телеметрических параметров с использованием базисов Фурье,Хаара и апертурных алгоритмов.устройство содержит: аналого-цифровой преобразователь 1, блоко 2 сжа тия информации в базисе Хаара, блок 3 сжатия информации в базисе Фурье, блок 4 сжатия информации с плавающей апертурой, блок 5 определения наиболее эффективного базиса у алгоритма сжатия данных, ключи 6 и буферный блок 7 памяти. Блок 2 (3,) содержит анализатор 8 спектра по функциям Хаара (или Фурье), генератор 9 пилообразного напряжения, элементы 10 сравнения, дифференцирующие элементы 11, элементы И 12, триггер 13, ключи 14, элемент ИЛИ 15, счетчик 16, сумматор 17,пороговый элемент 18, триггер 19 запрета, делитель 20 . двоичных кодов. Блок 5 содержит сумматоры 21 и 22, элементы 23 и 24 задержки, ключи 25 и 26, инверторы 27 и 28, триггеры 29 - 31, элементы И 32 и 33, элемент ИЛИ 34.Оптимальная система (фиг. 3 ) ба" зисных функций %К(1) - эта система собственных функций корреляционного ядра В(,) случайного процесса Х(,1), которые являются решениями интеГтального уравнения ФредгольмаМЙ) фА йтй(т 1 д.Таким образом, выполняется ортогональность координальных функций и некоррелированность координат. Приведенное разложение имеет особую практическую ценность при решении задачи сжатия данных, т.е, данное 5 разложение является оптимальным представлением случайной функции,. заданной своими известными априори корреляционной функцией и математическим ожиданием, в том смысле, что 10 при заданной.ошибке аппроксимации необхбдимое количество координат является минимальное возможным. Однако, практически получение оптимальных функций очень затруднительно, так как 5 нельзя получить точное решение интегрального уравнения Фредгольма.Поэтому в рядеслучаев можно подобрать в качестве базисных функций близкие к оптимальным по. эффектив-ности сжатия, такие, которые в аппаратуре реализуются значительно проще оптимальных ( квазиоптимальные). Такими квазиоптимальными функциями могут быть, например, тригонометрические функции или Функции Хаара.Предлагаемое устройство работает следующим образом.Телеметрическая информация поступает на вход аналого-циФрового пре образователя 1 и с его выхода параллельно разводится на входы блока 2 сжатия информации в базисе Хаара, блока 3 сжатия информации в базисе Фурье, блока 4 задания апертуры35 Ошибка аппроксимации для всех этих .блоков устанавливается одинаковой.Рассмотрим процесс обработки информации по функциям Хаара в блоке 2. Процесс обработки в блоке 3 сжатия информации в базисе Фурье аналогичен,.так как эти блоки выполнены по идентичнйм схемам.С. выхода анализатора 8 коэффи циенты орготонального разложения 45 поступают на.входы соответствующих элементов 10 сравнения и на входы соответствующих ключей 14, которые находятся в закрытом состоянии. Сигнал со второго выхода аналого-.цифрового преобразователя 1, соответствующий началу времени обработки, запускает генератор 9 пилообразного напряжения 2 и устанавливает в едини- . цу триггер 19 запрета и в нулевое состояние делитель 20 двоичных кодов. 555 и. счетчик 16.Генератор 9 пилообразного напря- жения выдает одинаковое по амплитуде положительное и.отрицательное напряжение, которое поступает на входы 60 элементов 10 сравненияПричем в начальный момент времени эти напряжения максимальны, а потом убывают по линейному закону. Поэтому,. сначала срабатывает тот элемент 10, на входе. 65 которого имеется максимальиый по модулю коэффициент разЛожения по функциям Хаара анализируемого процесса. Таким образом, срабатывают те элементы 10, на входах которых имеются максимальные коэФфициенты, постуца" ющие с анализатора 8. Сигналы с выходов Ьлементов 10 через дифференцирующие элементы 11 поступают на входы элементов И 12, на вторых входах которых имеется разрешающий потенциал с триггера 19 запрета,Сигнал с выхода элементов И 12 . устанавливает в единицу соответствующие триггеры 13, которые замыкают соответствующие ключи 14. Замкнутые ключи 14 позволяют прохождение наи- больших по амплитуде коэффициентов разложения по функциям Хаара на выход блока 2 сжатия в базисе Хаара и одновременно поступают на сумматор 17.Сигнал с выхода .сумматора 17, соответствующий энергии коэффициентов, поступает в пороговый элемент 18, где сравнивается с допустимой ошибкой и, если достигнута требуемая точность аппроксимации, то сигнал с выхода элемента 18 устанавливает в ноль триггер 19 запрета, который блокирует элементы И 12, которые не успели еще сработать, Соответствующие им триггеры 13 остаются в нуле и.коэффициенты разложения с малыми весами поступают на выходы разомкнутых ключей 14.Ранее срабатывающие триггеры 13 через элемент ИЛИ 15 добавляет единицу в счетчик 16 и при .достижении заданной погрешности представления в этом счетчике 16 записывается число коэффициентов разложения по функциям Хаара, дающих эту погрешность . аппроксимации.На третих вход делителя 20 двоичных кодов поступает двоичный код . числа цифровых отсчетов на интервале анализа с третьего выхода аналого-цифрового преобразователя 1.Таким образом, в делителе 20 двоичных кодов происходит деление двоичного кода числа поступивших цифровых отсчетов на анализатор 8 по функциям Хаара на двоичный код числа коэффициентов разложения, записанных в счетчике 16. Результат деления поступает в блок 5 .определения наиболее эффективного базиса и алгоритма сжатия данных. Результат деления в делителе 20 двоичных кодов по существу представляет собой коэффициент сжатия данных в базисе Хаара (отношение числа полных выборок к .числу существенных,). Чем выше двоичное значение этого коэффициеН- та, тем эффективней данный базис.Определение наиболее эффективного базиса и алгоритма сжатия данных5 двоичное значение коэффициента сжа 1 О 15 1 степвни. в блоке 5 происходит следующим образом.Двоичное значение коэФфициента сжатия в базисах Хаара, фурье и с использованием апертурных алгоритмов соответственно из блоков 2 - 4 поступает на первый и второй вход пвр" ного сумматора 21 и на второй вход второго сумматора 22 соответственно. В первом и втором сумматорах 21 и 22 происходит вычитание из двоичного кода, поступившего на их одни входы, двоичного кода, поступившего на другие входы.Предположим, что коэффициент сжатия в базисе Хаара наибольший из всех трех. Тогда на выходе первого :сумматора 21 буДет находиться сигнал положительной полярностй, который поступает .на управляющий вход ключа 25 и открывает его. Ключ 26 при том останется закрытым, так как ключи 25 и 26 срабатывают при поступлении на их управляющие входы положительного и отрицательного сигнала соответственно. Двоичное значение коэффициента сжатия н базисе Хаара через элемент задержки 23 и открытый ключ 25 поступает на первый вход второго сумматора 22, где из этого значения вычитается двоичное значение коэффициента сжатия, поступившее с блока 4. Так как коэффициент сжатия в базисе Хаара в рассматриваемом нами случае больше, то на выходе второго сумматора 22 присутствует сигнал положительной полярности, который поступает на один вход элемента И 32. На другом входе этого элемента И 32 также присутствует разрешающий потенциал с выхода триггера 29, который установлен в единицу положительным сигналом с выхода сумматора 21. Разрешающий сигнал с выхода элемента И 32 поступает на соответствующий уп" равляющий ключ 6 устройства, позволяя тем самым прохождение отобранных коэффициентов орготонального раз. ложения в базисе Хаара в буферный блок 7 памяти.Одновременно сигнал с выхода элемента ИЛИблока 5 устанавливает в фО" состояние триггеры и сумматоры этого блока 5. Предположим теперь, что наиболее эффективным базисом является базис фурье, т.в. на третьем входе первогс сумматора 21 блока 5 находится наибольшее двоичное число. На выходе первого сумматора 21 таким образом присутствует отрицательный потенциал, который поступает на уйранляющий ключ 26 и открывает его.Триггер 29 при этом останется в "0", так как на входе присутствует отрицательный потенциал. Двоичное значение коэффициента сжатия в ба 35 40 45 50 55 60 65 зисе Фурье со входа первого сумматора 21 через элемент 2 задержки24 и открытый ключ 26 поступает на перный вход второго сумматора 22, где иэ этого значения вычитается тия из блока 4На выходе второго сумматора 22при этом появляется положительныйсигнал, который поступает на первыйвход элемента И 33.На первом входе этого элементаИ 33 тоже присутствует разрешающййпотенциал с выхода триггера 30, таккак отрицательный сигнал с выходапервого сумматора 21 через первый инвертор 27 устанавлинает триггер 30 в "1". Триггер 31 остается в нулевом состоянии, так как на его входе присутствует отрицательныйсигнал с выхода инвертора 28. Такимобразом, разрешакщий потенциал появ. ляется только на втором выходе блока 5.Учитывая изложенное, работу устройства при других комбинациях коэффициентов сжатия данных нетрудно проследить по схеме аналогично.На Фиг. 2 кривые 1 и 2 изображают ,зависимости коэффициента сжатия от среднеквадратичной ошибки с исполь;зованием алгоритмов первой и второй Кривые 3 и 4 изображают графики . коэффициента сжатия от среднеквадратической ошибки при обработке случайных процессов в базисе Хаара и фурье соответственно.Из графиков (фиг. 2 ) следует, что наиболее эффективную обработку обеспечивает базис Фурье на всем диапазоне изменения среднеквадратичной ошибки.До значений ошибок, равных 0,17, апертурныйалгоритм второго порядка по эффективности превосходит базис Хаара, а выше этого значения уступает емуНа Фиг. 3 кривые 1-3 изображают зависимости коэффициента. сжатия от среднеквадратичной ошибки при обработке натурных параметрон с использованием апертурных: алгоритмов нулевой, пврвой и второй степени соответственно, а кривые 4 и 5 - с использованием базиса Фурье и Хаара соотввтственно.Из графиков фиг. 3 ) следует, что при значениях ошибки, меньших 0,08, наиболее эффективным является базис Фурье, а при ошибках, лежащих в интервале от 0,08 до 1,12, и при ошибках больших 0,16 наибольшую эфФективность дает базис Хаара. Апертурные алгоритмы уступают по эффективности как базису фурье, так и базису Хаара и только апертурный алгоритм второго порядка при ошибкахменьших 0,06 превосходит по эффективности обработку в базисе Хаара.Таким образом, описанное устройство позволяет адаптироваться к случайному процессу по базису представления и значительно повышает эффектив ность работы за счет увеличения коэф. фициента сжатия для широкого класса телеметрируемых параметров.По сравнению с устройством-прототипом ожидаемый экономический эф- О фект от использования изобретения .можно расчитать следующим образом. Предлагаемое устройство позволяет получить коэффициент сжатия при обработке натурных телеметрических данных равный 10, при среднеквадратичной ошибке 15, Пусть имеется некоторый массив телеметрических данных, которые необходимо хранить на магнитных лентах Мдвоичных чисел. Одна магнитная лента предположим вмещает 200 двоичных чисел. Тогда для хранения исходной информации потребуется 25 магнитных лент. Стоимость одной магнитной лен. ты 50 руб. Применение предлагаемого устройства позволяет сократить исходный массив до 500 двоичных чисел и количество необходимых лент для его хранения равно500200Экономический эффект равен: .25 50 руб. - 2,5 50 руб, = 1125 руб. Обработка сжатого массива на ЭВМ дает З 5 еще дополнительно 80 рублей экономии на 1 ч машинного времени. 20 Формула изобретения 40 45 50 55 З.устройство по и. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что блок определения оптимального базиса и ал горитма сжатия информации содержитключи, элементы задержки, сумматоры, инверторы, триггеры, элементы И и элемент ИЛИ, выход первого сумматор соединен через первый иввертор с 65 первым входом первого триггера и не 1 Адаптивное телеметрическое устройство для сжатия информации, содержащее аналого-цифровой преобразователь, блок сжатия информации с плавающей апертурой и блок буферной памяти, выход которого соединен с выходом устройства, о т л и ч а - ю щ е е с я тем, что, с целью повыаения коэффициента сжатия, в устройство введены блок сжатия инфор-. мации в базисе Хаара, блок сжатия информации в базисе фурье, блок определения оптимального базиса и алгоритма сжатия информации и ключи, вход аналого-цифрового преобразователя соединен с входом устройства, пЕрвый выход - с объединенными первыми входами блока сжатия информации в базисе Хаара, блока сжатияинформации в базисе Фурье и входом блока сжатия информации с плавающей апертурой, второй и третий выходы аналого-цифрового преобразователя ,соединены соответственно с вторыми и третьими входами блока сжатия информации в базисе Хаара и блока сжатия информации в базисе Фурье, первые и вторые выходы блока сжатия информации в базисе Хаара, блока сжатия информации в базисе Фурье и блока апертурных алгоритмов соединены соответственно с .информационными входами ключей и с соответствующими входами блока определения оптимального базиса и ал оритма сжатия информации, выходы которого соединены с управлякщими входами соответствующих ключей, выходы ключей соединены. с соответствующимп входами блока буферной памяти.2Устройство по п. 1, .о т л и ч а ю щ е е с.я тем, что блок сжатия информации в базисе Хаара и блок сжатия информации в базисе Фурье содержит ключи, элементы сравнения, элементы И, элемент ИЛИ, переклю ,чающие триггеры, счетчик, триггер запрета, пороговый элемент, дифференцирующие элементы, делитель, сумматор, .генератор пилообразного напряже. ния и анализатор спектра, выходы анализатора спектра соединены с первыми входами соответствующих ключ й и элементов сравнения, выходы которых через соответствующие дифференцирующие элементы соединены с первыми входами соответствующих элементов И, выходы элементов И через соответствующие переключающие триггеры соединены с вторыми входами соответствующих клю-, чей и соответствующими входами элемента ИЛИ, выход которого соединен с первым входом счетчика, выход счетчика соединен с первым входом делителя, выходы ключей соединены с соответствующими входами сумматора, выход которого соединен с входом порогового элемента, выход порогового элемента соединен с первым входом триггера запрета, выход которого соединен с объединенными вторыми входами элементов И, первый и второй выходы генератора импульсов соединены соответственно с вторыми и третьими входами элементов сравнения, вход анализатора спектра, объединенные вхОд генератора импульсов, вторые входы счетчика, делителя и триггера запрета и третий .вход делителя соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами блока, выходы ключевых элементов и выход делителя соединены соответственно с первым и вторым выходами блока,.1посредственно с первыми входами второго триггера, первого и второгоключей, выходы которых соединены спервым входом второго сумматора, выход второго сумматора соединен черезвторой инвертор с первым входом" 5третьего триггера и непосредственно спервыми входами первого и второгоэлементов И, вторые входы которыхсоединены с выходами соответственнопервого и второго триггеров, выходы 10первого и второго элементов И итретьего триггера соединены с соответствующими входами элемеита ИЛИ,выход которого соединен с объединенными вторыми входами триггеров и Втс 5рого сумматора и первым входом первого сумматора, выходы элементов задерзки соединены с вторыми входами соответствующих ключей, объединенные второй вход первого сумматора и вход первого элемента задержки, объединенные третий вход первого сумматора и вход второго элемента задержки и третий вход второго сумматора соединены соответственно с первым, вторым и третьиМ входами блока, выходы элементов И и третьего триггера соединены с соответствующими выходами блока.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССР 9 222907, кл. 6 08 С 19/16, 1967.2. Авторское свидетельство СССР Р 5,38386, кл. 6 08 С 19/16, 1975 1 прототип) .Заказ 938/68 Тираж 616 Подписно Филиал ППП "Патент", г.Ужгород, ул.Проектная,4 Яфв ЬНИ 997 О 7 О го