Реферат: Структурная схема адаптивной системы сжатия данных

Содержание

Введение

Глава1. РТМС с адаптивной дискретизацией

1.1РТМС со сжатием данных по полосе

1.2РТМС с адаптивной дискретизацией в каждом канале с буферной памятью

1.3РТМС с исключением избыточных данных

1.4РТМС с адаптивной дискретизацией в каждом канале без буферной памяти

1.5Комбинированные РТМС

Глава2. РТМС с адаптивной коммутацией каналов

2.1Обобщенная структурная схема

2.2РТМС с адаптивной коммутацией каналов при параллельном анализе погрешности

Глава3. РТМС с автоматическим регулированием частоты опроса датчиков

Заключение

Списоклитературы

Введение

Введениеадаптации в РТМС может привести к ряду преимуществ. Например, возможноуменьшить объем памяти и число регистрирующих устройств на земле, а приуменьшении частоты коммутации использовать менее быстродействующиекоммутационные элементы. Для решения задачи измерения и передачи рядапараметров можно использовать различные адаптивные РТМС. Сравнение этих РТМСобычно осуществляют по следующим критериям:

-конструктивному;

-метрологическому;

-экономическому.

Конструктивныйкритерий рассматривает техническую осуществимость данной системы с точки зренияреализации следующих характеристик РТМС:

1. Числапараметров при заданной пропускной способности канала связи.

2. Необходимойскорости передачи информации при заданной допустимой задержке.

3. Используемогоспособа сжатия.

4. Возможностивосстановления предаваемой информации на принимаемой стороне.

Метрологическийкритерий рассматривает предельное значение:

1. Показателявероятности.

2. Вероятностипоявления заданной погрешности представляемой информации устройств сжатияданных.

3. Значенияпогрешности, появившейся от введения устройств сжатия данных.

4. Помехоустойчивостисистемы.

Экономическийкритерий рассматривает целесообразность введения адаптации в РТМС, т.е.определяет экономический выигрыш от сжатия информации. При введении адаптации вРТМС уменьшаются требуемая полоса частот КС, объем памяти системы, объемрегистрируемых данных, масса бортовой аппаратуры, но сама система усложняется,поэтому возрастает ее стоимость.

Сравнениеразличных адаптивных РТМС необходимо производить при заданных статистическихмоделях параметров и заданных условиях функционирования всей системы. Обычноэкономический эффект от внедрения системы сжатия данных составляет около 10% отстоимости всей системы, например, для системы “Аполлон” стоимостью 20 млд. $экономический эффект от внедрения системы сжатия данных составил 240 млн. $.

/>Глава1. РТМС с адаптивной дискретизацией

Назначениемданных РТМС является согласованием характеристик входного потока сообщений схарактеристиками канала передачи. Обычно большой объем измерительных сообщенийнеобходимо предавать по КС с ограниченной полосой пропускания. Известно, чтопогрешность представления информации, быстродействие РТМС и полоса частот КСсвязаны соотношением:

/>,   ( 1)

где/> - число уровнейквантования измеряемой величины, /> -период дискретизации, определяющий быстродействие системы, /> - полоса частот КС, /> - мощность сигнала и шумав КС.

Выражениепоказывает, что при сохранении заданной погрешности уменьшение полосы частотканала передачи требует увеличения периода дискретных сигналов и наоборот.

Этообстоятельство позволяет предложить простой способ сжатия данных по полосечастот КС в случае, когда полоса частот КС /> меньшетребуемой полосы частот.

/>   ( 2)

схема адаптивный дискретизация коммутация датчик

/>1.1РТМС со сжатием данных по полосе

Структурнаясхема РТМС со сжатием данных по полосе имеет следующий вид (рисунок 1):

/>

Рисунок1

Схемасостоит из источников сообщений в виде датчиков />,коммутатора />, буферного запоминающегоустройства /> и блока управления. Всяинформация с АЦП записывается в /> соскоростью, соответствующей максимальной частоте дискретизации сигнала. Память /> должна обеспечить записьвсей информации. Считывание информации из /> вканал передачи осуществляется с меньшей скоростью, чем при записи всоответствии с полосой пропускания частот канала передачи.

Достоинствоэтой схемы: простота и отсутствие служебной информации о номере передаваемогоканала, т.к. в этом случае производится циклическая передача и нумерацияканалов не нарушается.

Недостаткомсхемы является невозможность получить высокий коэффициент сжатия по полосе ибольший объём />. Для полученияболее высоких коэффициентов сжатия необходимо предварительное сокращениеизбыточной информации до её записи в />. Этоуменьшит объём памяти /> и время задержкиинформации.

Возможныдва варианта построения адаптивных РТМС с предварительным сокращениемизбыточной информации:

1. Устройствосокращения данных имеется в каждом измерительном канале.

2. Устройствосокращения данных находится после коммутатора или после АЦП.

Рассмотримпервый вариант.

/>1.2РТМС с адаптивной дискретизацией в каждом канале с/>/> буферной

памятью

Вданной РТМС частота выдачи отсчета по каждому контролируемому параметруявляется функцией характера его изменения и определяется допустимойпогрешностью измерения

/>.   ( 3)

Рассмотримиллюстрацию работы РТМС с адаптивной дискретизацией при использованииступенчатого метода восстановления параметра, т.е. при использованииэкстраполяции нулевого порядка (рисунок 2).

/>

Рисунок2

Навыходе временного адаптивного дискретизатора поток отсчетов будетнеравномерным, но всегда выполняется условие, что

 />, где />      ( 4)

Нумерацияканалов в этом случае также случайная.

Рассмотримпервый вариант построения РТМС с адаптивной дискретизацией (рисунок 3).

/>

Рисунок3

Сигналыс датчиков поступают в адаптивные временные дискретизаторы (/>), состоящие изпреобразователя погрешности аппроксиматора (/>)и сравнивающего устройства (/>)./>функционирует всоответствии с одним из полиноминальных методов сжатия данных.

На/> подаётся пороговоенапряжение />, соответствующее допустимойпогрешности аппроксимации. При равенстве сигнала с ППА и />, /> выдает сигнал на схему «/>», на которую поступаюттакже сигналы от распределителя импульсов (/>)./> осуществляет расстановкуотсчетов каждого параметра на временной оси. Сигнал со схемы «/>» поступает на ключ />, пропускающийизмерительную информацию в кодирующее устройство — />идалее в буферную память (/>).Одновременно в /> вводится номерканала – адрес кода />. Отсчеты во всехканалах расположены через различные промежутки времени. />выдает отсчеты в РПУ черезодинаковые интервалы времени.

ДостоинстваРТМС с адаптивной дискретизацией:

1. возможностьполучения высоких коэффициентов сжатия при уменьшении объёма буферной памяти;

2. возможностьприоритета обслуживания отдельного канала путем регулировки порога /> отдельных каналов.

Недостатки:

1. измерительнаяинформация передаётся в ненатуральном масштабе времени;

2. полноенарушение закономерной выдачи отсчетов, что приводит к усложнению аппаратуры;

3. применениеаналоговых />;

4. необходимостьиспользования дискретизатора для каждого канала;

5. высокиетребования к быстродействию />и />, особенно при большомчисле каналов, когда возрастает вероятность совпадения отсчетов на его входе ивозможность переполнения />;

6.  появлениедополнительной погрешности из-за возможного запаздывания опроса канала, вкотором />, но импульс с /> приходит в другой канал.

Рассмотримвторой вариант построения РТМС с адаптивной дискретизацией. Обычно их называютРТМС с исключением избыточных данных.

/>1.3РТМС с исключением избыточных данных

Втаких РТМС применяются цифровые />. Вначале с помощью коммутатора производится аналогично системе с временнымразделением каналов циклический опрос датчиков (рисунок 4), где УУ –управляющее устройство.

/>

Рисунок4

/>преобразуюткаждый отсчет в кодовую форму. Выделение отсчетов соответствующих каналов дляобработки в /> осуществляется в схеме «/>». Сигналы с выхода /> и />открывают ключи /> и />, полученные существенные отсчетыи соответствующие им адреса кодовых комбинаций с выходов ключей /> и /> записываются в />. С помощью /> производится равномерноесчитывание отсчетов из />. Отсчетызапоминаются в />и относительнопоследнего существенного отсчета устанавливается зона допуска />.

ДостоинстваРТМС с исключением избыточных данных:

1. Выдачасущественных отсчетов осуществляется в

соответствиис нумерацией каналов в цикле, что упрощает построение приемной и передающейаппаратуры.

2. Привысокой частоте опроса параметров эффективность данной РТМС приближается кэффективности РТМС с адаптивной дискретизацией. При этом рассматриваемаясистема оказывается более простой.

3. Применениецифровых/>.

НедостаткиРТМС с исключением избыточных данных:

1. Применениебыстродействующих />.

2. Необходимостьобеспечение устойчивой синхронизации.

3. Необходимостьобеспечения высокой помехоустойчивости передаваемых данных.

4. Возможностьпереполнения />.

Припереполнении /> происходит потеряотсчетов. С другой стороны, при полном опустошении />вканал связи будет передаваться нулевая информация, так называемые «пустыеслова», что нежелательно. Для устранения этого недостатка разработаны схемыРТМС с адаптивной дискретизацией в каждом канале без буферной памяти.

/>1.4РТМС с адаптивной дискретизацией в каждом канале безбуферной

памяти

Рассмотримструктурную схему данной РТМС (рисунок 5).

/>

Рисунок5

Достоинствомданной схемы является отсутствие буферной памяти, что позволяет производитьпередачу информации в реальном масштабе времени. Иногда данную систему называютасинхронно — циклической.

Схемаработает следующим образом. С помощью /> вкаждом канале, работающем в соответствии с одним из полиноминальных методовсжатия, осуществляется адаптивная дискретизация. Если погрешность аппроксимациив каждом канале:

/> ,     ( 5)

тона выходе /> появляется единица.

Втоже время импульсы от /> через открытуюсхему запуска (/>) с помощью />поочередно поступают насхему совпадения «/>». На выходесхемы «/>» k– го канала формируется единица, которая открывает ключ (/>) и соответствующий датчикподключается к />. При этом черезсобирательную схему «/>» подается сигналзапрета (З) на схему запуска, запрещающий прохождение импульсов с /> до окончания выдачи кода влинию связи. Распределитель импульсов />останавливаетсяи выдает номер (адрес) выбранного канала в блок считывания />. В /> код адреса и код параметрапреобразуются из параллельного кода в последовательный и передаются в линиюсвязи (/>). По окончания считывания /> выдает сигнал наразрешение дальнейшего прохождения импульсов через схему запуска нараспределитель, а также на один из входов схемы совпадения «/>». Схема «/>» служит для формированиясигнала сброса /> в моментотсчета. Т.к. на второй вход схемы «/>»поступает сигнал от схемы «/>» своегоканала, то сброс /> производитсятолько в выбранном канале. После этого распределители продолжают опрос схем «/>». В асинхронно — циклическихсистемах можно не передавать код адреса, а вместо него через канал связипередаются на приемник импульсы переключения распределителя РИ от схемы запускаСЗ. Для предотвращения передачи нулевой информации может быть использованаобратная связь от блока считывания к />, гдеосуществляется регулировка допустимой погрешности аппроксимации.

Недостаткомтакой системы является сложность аппаратуры.

/>1.5Комбинированные РТМС

Вслучае, если возможно управление с помощью программного устройства режимамиработы РТМС с исключением избыточности данных, то такая система относится ккомбинированным РТМС. (рисунок 6), где ПК – программируемый коммутатор, УСИ –устройство сжатия информации.

/>

Рисунок6

Отличительнымиособенностями этой системы являются:

1. Управлениеработой по программе или командам, передаваемым по обратному каналу.

2. Изменениечастоты опроса коммутатора и связанное с этим сокращение объема вычислений.

3. Изменениеструктуры кода.

4. Возможностьизменения программ измерений и алгоритмов сжатия данных при передаче.

5. Контрольпереполнения БЗУ и изменение скорости считывания данных.

/> 

Глава2. РТМС с адаптивной коммутацией каналов

/>2.1Обобщенная структурная схема

Адаптивнаякоммутация представляет собой способ изменения частоты опроса источниковинформации в соответствии со скоростью изменения входного сигнала. Основнойпроблемой системы сжатия информации является объединение потоков отсчетов,идущих с различной частотой в единый поток, следующий с постоянной частотой,определяемой пропускной способностью КС.

Очередностьпередачи информации от различных источников обычно производится в соответствиис такими характеристиками:

- наибольшаятекущая погрешность аппроксимации;

- экстремальныезначения входных сигналов или их производных;

- отклонениепараметров от нормы.

 Системыадаптивной коммутации позволяют учитывать приоритет отдельных сообщений поотношению к другим источникам. В системахадаптивной коммутации информация передается в КС в натуральном масштабевремени, т.е. без задержки, что является основным преимуществом таких систем.

Вданных системах производится предварительный опрос всех каналов, выявляетсяканал с наибольшей погрешностью аппроксимации, и информация этого каналапоступает в линию связи.

Рассмотримобобщенную структурную схему системы (рисунок 7):

/>

Рисунок7

Вкаждом измерительном канале имеется преобразователь погрешности аппроксимации(ППА), работающий в соответствии с одним из алгоритмов полиномиального методасжатия. Анализатор погрешности аппроксимации (АП) путем последовательногоопроса ППА выявляет канал с наибольшей погрешностью аппроксимации и открываетключ (К) данного канала. Далее сигнал кодируется в АЦП и в параллельном кодепоступает в блок считывания (БС), куда также поступает и адрес канала. В БСпроизводится преобразование параллельного кода в последовательный, а такжепомехоустойчивое кодирование. Выдача отсчетов в линию связи производится черезравные интервалы времени. После выдачи отсчета в линию из БС в АП поступаетсигнал “конец” и сбрасывает АП. Далее операция повторяется.

ДостоинстваРТМС с адаптивной коммутацией каналов:

1. Возможностьполучения существенного сжатия за счет реализации эффективных методоваппроксимации, при этом коэффициент сжатия АК меньше коэффициента сжатия АД.

2. Равномерностьследования отсчетов на выходе РТМС, что позволяет обойтись без буферной памяти.

НедостаткиРТМС с адаптивной коммутацией каналов:

1. Некотораясложность блока анализатора погрешности аппроксимации.

2. Возможностьравенства погрешности аппроксимации в нескольких каналах, увеличивающаяпогрешность телеизмерений.

3. Приошибках аппроксимации />будутпередаваться избыточные отсчеты, а при /> будутвозникать потери важных отсчетов.

Рассмотримболее подробно пути построения блока АП. Возможны три способа анализапогрешности аппроксимации:

- параллельный;

- последовательный;

- параллельно-последовательный.

Наибольшимбыстродействием и простотой обладает АП в случае параллельного анализапогрешности аппроксимации.

/>2.2РТМС с адаптивной коммутацией каналов при параллельном

анализепогрешности

Рассмотримодин из вариантов построения структурной схемы системы (рисунок 8), где ВМС –выявитель максимального сигнала.

Сигналс датчиков поступает на вход ППА и мультиплексора (МК). Мультиплексор находитсяв закрытом состоянии и открывается с поступлением тактовых импульсов с ГТИ.

Мультиплексор– это устройство, предназначенное для передачи сигналов с любого из входов наодну общую выходную шину.

/>

Рисунок8

Вход,с которого сигнал передается на выход, выбирается в зависимости от видапараллельного двоичного кода, подаваемого на управляющие входы. Сигнал с выходаППА анализируется в блоке выявителя максимального сигнала (ВМС), которыйпредставляет собой схему сравнения на Nвходов. На выходе ВМС формируется параллельный двоичный код, соответствующийномеру канала с наибольшей погрешностью аппроксимации. При поступлении на МКтактовых импульсов с ГТИ на выход проходит сигнал канала, двоичный код номеркоторого воздействует на управляющие входы МК. После преобразования в АЦПсигнал в параллельном коде, а также код адреса записывается в память БС. Припоступлении импульса считывания с ГТИ в БС происходит преобразованиепараллельного кода в последовательный, и сигнал передается в линию связи.

Рассмотримпростейшую схему ВМС с использованием диодных сборок (диодных схем ИЛИ) иоперационных усилителей (ОУ), выходные сигналы которых являются двоичным кодомканала с максимальной погрешностью аппроксимации. Использование диодных сборокдля выделения максимального напряжения основан на том, что между операциямиалгебры логики и операциями выделения максимума и минимума существует аналогия.Действительно операция объединения соответствует нахождению максимума, аоперация пересечения – минимуму.

/>.

Припостроении схемы ВМС необходимо учитывать, что в случае соединениясоответствующих входов ОУ при наличии максимального сигнала на одном из входов />соединение должно осуществлятьсяисходя из следующих правил (рисунок 9):

/>.    ( 6)

Придостаточном усилении ОУ, когда напряжение на прямом входе больше напряжения наинверсном входе, ОУ находится в режиме насыщения, и на выходе формируетсяединица. Если наоборот, то ОУ находится в режиме отсечки, и на выходеформируется нуль.

/>

Рисунок9

Дляполучения хороших результатов в этом случая необходимо, чтобы характеристикидиодов были одинаковыми, поэтому применяют диодные сборки, а коэффициентусиления был не меньше 1000.

/>Глава3. РТМС с автоматическим регулированием частоты опроса

датчиков

Вэтих РТМС предусматривается возможность установления различной частоты опросадатчиков, например, в системе МКТ — 1. Так, при аварийных ситуациях увеличениечастоты опроса датчиков позволяет получить более подробную измерительнуюинформацию о происходящих в контролируемом объекте процессов. При ручномпереключении частоты опроса датчиков есть значительная вероятность опоздать сэтим переключением.

Рассмотримодну из возможных схем устройства для автоматического регулирования частотыопроса датчиков (рисунок 10).

Сигналот датчиков поступает на вспомогательный коммутатор К1 и коммутаторК2. К коммутатору К2, работающему синхронно и синфазно скоммутатором К1, подключают генератор импульсов (ГИ). Частотагенератора импульсов ГИ выбирается много больше, чем максимальная частотаспектра сигнала.

/>

Рисунок10

Вдифференциальном усилителе (У) происходит сравнение значения напряжения /> с />, взятым из ячейкианалоговой памяти. После выпрямления разностного сигнала в выпрямителе (В) этотсигнал поступает на амплитудный дискриминатор (АД), определяющий в каком изканалов наибольшая разность. Далее сигнал поступает на преобразовательнапряжение-частота (ПНЧ). Частота переключений первичного сигнала />коммутатора К3будет определяться каналом с наиболее быстро изменяющейся измеряемой величиной,что приводит к образованию избыточной информации в других каналах.

Определимчастоту дискретизации /> коммутатора К3при предположении, что изменяется сигнал только в одном датчике.

Еслиприращение сигнала за время опроса /> всехдатчиков коммутаторами />и /> определяется выражением:

/>,    ( 7)

точастота дискретизации равна:

/> ,      ( 8)

где/> - минимальная частотадискретизации />, /> — коэффициентрегулирования. Частота опроса коммутаторов /> и/> равна:

/>.         ( 9)

Требуетсяопределить значение коэффициента регулирования />.

Приращениефункции можно заменить приближенным выражением:

/> ,       ( 10)

где/> - первая производная />.

Приусловии />, тогда:

/> ,      ( 11)

/>,       ( 12)

Такимобразом, частота дискретизации равна:

/> .        ( 13)

Частоты/> выбирают исходя изтребований к точности алгоритма интерполяции.

НедостатокРТМС с автоматической регулировкой частоты опроса датчиков: низкий коэффициентсжатия и сложность радиоприемного устройства. Усложнение структуры приемногоустройства определяется тем, что отсчеты появляются не в тактовых точках.

Заключение

Радиосвязь- одно из самых простых и надежных средств связи. Рации полезны и удобны, ихможно использовать там, где недоступен ни один другой вид связи, системырадиосвязи недороги по цене, легко развертываются и нетребовательны к условиямокружающей.

Наиболеехарактерными для современных РСПИ являются три формы представления сообщений,которые формируются на борту и передаются по линиям связи:

1. Сообщенияо наличии/отсутствии некоторого априорно известного сообщения(включения/выключения двигателей, удары метеорита).

2. Сообщенияо величинах характеризуют значения параметров в определенный момент времени.

3. Сообщенияо процессах должны с заданной точностью воспроизводить процессы на определенномотрезке времени, т.е. в этом случае также необходимо производить калибровкуамплитуды и масштабирование по времени.

Списоклитературы

1. Радиотехническиеметоды передачи информации: Учебное пособие для вузов / В.А. Борисов, В.В. Калмыков,Я.М. Ковальчук и др.; Под ред. В.В. Калмыкова.М.: Радио и связь. 1990. 304с.

2. Системырадиосвязи: Учебник для вузов / Н.И. Калашников, Э.И. Крупицкий, И.Л. Дороднов,В.И. Носов; Под ред. Н.И. Калашникова. М.: Радиои связь. 1988. 352с.

3. ТепляковИ.М., Рощин Б.В., Фомин А.И., Вейцель В.А. Радиосистемы передачи информации:Учебное пособие для вузов / М.: Радио и связь. 1982. 264с.

4. КирилловС.Н., Стукалов Д.Н. Цифровые системы обработки речевых сигналов. Учебноепособие. Рязань. РГРТА, 1995. 80с.