Устройство для сжатия данных Советский патент 1989 года по МПК G08C19/28 

Изобретение относится к телемеханике и может использоваться в телеметрических системах.

Цепь изобретения - повышение информативности устройства.

На фиг. 1 представлена функх юналь- ная схема устройства, на фиг. 2 - функциональная схема блока 6 кодирования .

Устройство (фиг. 1) содержит информационный вход 1, ортогональный преобразователь 2 Уолша-Пэли, блоки .) делителей напряжения, блоки 4,4., вычитателей, первый ключ 5,, первые группы 5j-5 ключей, второй ключ « блок 6 кодирования, первый дискрими- натор 7, , блоки дискриминаторов, второй дискриминатор 7,, первый дифференцирующий элемент 8,, блоки 8,-8

дифференцирующих элементов, второй диф- ференцирующий элемент 8.,, первый триггер 9,, блоки 9.- 9, триггеров.

второй триггер 9

п-и

генератор 10

пилообразного напряжения, элементы 11,-11п-1 ИЛИ элементы 12,- 12., И, вторая группа 13 ключей, первый формирователь 14( модуля числа, блоки , формирователей модуля числа, второй формирователь модуля числа, сумматор 15, блок 16 сравнения, третий триггер 17, третий дифференцирующий элемент 18, информационный управляющий выходы 19 и 20, установочный и синхронизирующий входы 21 и 22.

Блок 6 кодирования (фиг. 2) содержи г информационные входы 234-23у,, 244-24„, синхронизирующий вход 25,

ГО N5

О

00

элементы 26, 27 задержки, генератор 28 тлктовых импульсов, аналого-.цифро- йые преобразователи , буферные регистры 30,-30,, регистр 31 сдвига, . коммутаторы 32-34, блок 35 постоянной памяти, компаратор 36, счетчик 37 имг пульсов,

В основу алгоритма сжатия данных, заложенного в устройство, положено ю следующее свойство разложения степенных функций по функциям Уолша-Пэли г-го ранга;

сГ .24....(-1)%Й.

С

.2...2 коэффициенты разложения с порядковым номером 70

.. Т - длительность интервала преобра- зoвaнияJ |lj;i 1,r - номер разряда 25 двоичного кода К, содержащий J.

Область изменения всех М (,r) жна удовлетворять следующей систеравенства 30

(U. 0,1,...,п-г-1; рг«(«, +.1,...,п-г

,., + 1,...,n-1.

Двоичная зависимость между коэффициентами разложения функции наблюда- еч ся 1 акже в цределах группы коэффициентов (r-l)-ro ранга.

Коэффициенты разложения в пределах групп коэффициентов г-го и (r-l)-ro рангов могут быть получены соответст- вуюпщм двоичным масштабированием первых коэффициентов соответствующего ранга.

cf-H/.....-b2 (li2-i-...f -0-((U,+ (Ut .../Un О

к 2

J

Ч2..ч. +2 ...+2

t - Z

(Ul + ,...+ r-2|-((U,t(Ui4,..fU,.,0.

Из этих свойств следует, что для полиноминальных сигналов первого и второго порядка можно передавать лишь соответственно два и три коэффиищента

(нулевой коэффициент и соответственно первые коэффициенты групп коэффициентов первого и второго рангов), по ним можно точно восстановить исходный сигнал, восстанавливая остальные коэффициенты по формулам (2,3). Для полино- миальньк сигналов более высоких порядков (г 2) соотношения (2,3) точно выполняются лишь для групп коэффициентов (r-l)-ro и г-го рангов, а для остальных групп коэффициентов соответственно с некоторой погрешностью

..:..2f

с:ч2 ч....

+2

(u;-c%24... T( ...f ;-()-{;w,|U,4...+(U;)l.

Таким образом, для точного восстановления произвольных исходных сигналов необходимо знать первые коэффициенты групп коэффициентов и погрешности аппроксимации остальных коэффициентов по ним.

В пмроком классе реальных сигналов диапазон изменения величины погрешности аппроксимации коэффициентов разложения меньше, чем диапазон изменения самих коэффициентов разложения, что приводит к возможности увеличения коэффициента сжатия данных. 1аибольший выигрыш в коэффициенте сжатия достигается в классе полиномиальных сигна- лов невысоких порядков. Например, для разложения полинома первого порядка выигрьпп относительно прототипа оценивается величиной К/

п+1

-j раз.

а для

50

55

40

45

полинома второго порядка К.

П+1Ч-С5, ч

раз, где С - биномиальный коэффициент, т.е. при К, 2-4, при нулевой погрешности аппроксимации сигнала.

Устройство работает следующим образом.

После прихода синхроимпульса на вход триггера 17 триггеры 9 устанавливаются в состояние О после срабатывания триггера 1.

По этому же сигналу начинает функционировать ортогональный преобразователь 2 Уолша-Пэли, на информационный вход которого подается входной аналоговый сигнал. В преобразователе 2 исходный аналоговый сигнал подвергается прямому преобразованию Уолша-Пэли, описьгоаемрму следующим выражением:

с;(ктв) s ;; - s(t)-paii(t-KTo)dt,

где pali(t) - функция Уолша-Пэли;

T(j - временная база функций

Уолша-Пэли

,К - текущий номер анализируемого интервала входного сигнала S(t).

В резуль гате разложения анало1 ового сигнала S(t) в ряд Уолша- Пэли на выходе преобразовагеяя 2 имеем спектр Уолша-Пэли в аналого-дискрётнрй форме.

Первый коэффициент Уолша-Пэли i-ro(,п-1) ранга подается на вход i-ro блока 3 делителей напряжения, с выходов которого аппроксимированные значения коэффициентов Уолша-Пэли i-ro ранга, начиная со второго коэф- фшщенга группы коэффициентов этого.

ранга. С: (R: i) подаются на третие входы вЫчитагелей i-ro блока 4, на первые и вторые входы которых поступают истинные значения этих коэффициентов с соо1 ветствующих выходов ортогонального преобразователя 2. Сформированные в вычитателях значения по

грешности аппроксимации i С , Cj С и первое члены групп коэффициентов i-ro (,n) ранга подаются на входы соответствующих ключей 5 и дискриминаторов 7, Значения первых коэффици- ентов Уоша-Пэли i-ro (,n) ранга и погрешности аппроксимации остальных коэффициентов Уолша-Пэли с помощью дискриминаторов 7 и генератора 10 пилообразного напряжения, который формирует парафазное нарастающее пилообразное напряжение, преобразуются в пш рину импульсов. После дифференцирования выходных сигналов дискриминаторов 7 с помощью дифференцирующих элементов 8 импульсы поступают на входы ус- та.новки в единицу триггеров 9. Благодаря широтно-импульсному преобразованию значений первых коэффициентов - Уагша-Пэли i-ro (,n) ранга и погрешностей аппроксимации остальных коэффициентов, сначала замыкаются те ключи 5, которые коммутируют значения погрешностей аппроксимации коэффициентов Уолша-Пэли, нулевой и (Ы-1)-ый коэффициенты Уолша-Пэли (первые коэффициенты Уолша-Пэли нулевого и п-го ранга) с наименьшими по модулю значениями. Эти значения нулевого и (N-1)- го koэффищieнтoв, погрешностей аппроксимации коэффициентов Уолша-Пэли

0

5

о 0

5

0

5

0

5

поступают через соответствующие формирователи 14 модуля числа в сумматор 15. Поступление первых коэффициентов групп коэ4 фициентов Уолша-Пэли i-ro (,п-1) ранга через ключ 13 на вход формирователя 14 , модуля числа производится лишь при срабатьшании всех , дискриминаторов блока 7;, , так как управляющее воздействие ключа 13j- формируется элементом 12; И при наличии уровня 1 на выходах всех триггеров блока 9 i|4i

Таким образом, в сумматоре 15 формируется максимальная погрешность восстановления сигнала, равная сумме модулей отброшенных первых коэффициентов групп коэффициентов Уолша- Пэли 1-го () ранга .погрешностей восстаноБле;шя аппроксимированных коэффициентов Уолша-Пэли. Как только выходное Напряженке сумматора 15 становится равным или больше заданной максимальной погрешности восстановления бо блок t6 сравнения срабатывает и перебрасывает триггер 17 в 1. При срабатывашш триггера 17 и дифференцирующего элемента tS триггеры 9 устанав шваюгся в нулевое состояние, размыкая ключи 5 и снимая сигналы с информационных входов 23 блока 5 кодирования. При этом первые коэффициенты коэффициентов Уолша Пэли соответствующих рангов и погреш- ности аппроксимации коэффициентов. которые имеют более высокие уровни значений амплитуды, чем наибольшая из амплитуд первых коэффициентов групп коэффициентов Уолша-Пэли и погрешностей аппроксимации коэффициентов, отбрасьтание которых обеспечивает заданную погрешность аппроксима- ции а, окажутся подключенными к блоку 6 кодирования уже после срабатьша- ния триггера 17 и дифференцирующего элемента 18. Это связано с тем, что по мере нарастания напряжения генератора 10 будут срабатьшать дискриминаторы 7, что приведет к установке соответствующих триггеров 9 в единичное состояние, которые замкнут соответствующие ключи 5, подключая сигналы к информахщонным входам 23 блока, б кодирования.

Первый коэффициент группы коэффи- ( циентов Уолша-Пэли i-ro ,n-1 ранга при наличии хотя бы одной существенной погрешности аппроксимации.

i остальных коэффициентов этого ранга также окажется подключенным к блоку б : кодирования, так как управление клю- I чем 5j,.| , осуществляется с выхода j элемента 11; ГШИ, который объединяет ; выходные сигналы соответствующих триггеров 9.

Блок б кодирования осуществляет

2688

дет запись информации (состояний соответствующих триггеров 9 и выходов элементов 11 ИЛИ) с информационных входов 24 в регистр 31 маски.

Последующие тактовые импульсы осу- ществляют вывод данных путем их сдвига в регистрах 30 и 31. При этом включение регистров 30 в последовательную

Изобретение относится к телемеханике и может использоваться в телеметрических системах. Изобретение осуществляет на каждом интервале аппроксимации передачу только необходимой части информации в виде первых коэффициентов существенных групп коэффициентов Уолша-Пэли и существенных погрешностей аппроксимации остальных коэффициентов Уолша-Пэли, которая позволяет восстановить сигналы с заданной погрешностью по всей длине реализации, что повышает информативность устройства. 2 ил.

аналого-цифровое преобразование суще Q цепочку осуществляется при помощи коммутаторов 32-34, управляемых сигналами с информационных входов 24 таким образом, что из последовательной цепочки регистров 30 исключаются те рественных первых коэффициентов групп коэффициентов Уолша-Пэли и погрешностей аппроксимации остальных и обеспечивает их выдачу потребителю в виде

кодограммы с адресной информацией. 5 г истры 30, информация которых несущественна.

Достигается это след тзщйм обраэоМо Коммутатор 32 обеспечивает включение либо исключение регистра 30. из последовательной цепочки и управления сигналом GJ с информационного входа 24 по следующему правилу:

В качестве адресной информации используется кодовое слово-маска 5 в котором уровень 1 в каком-либо разряде указывает на существенность соответствующего коэффициента Уолша-Пэли 20 или погрешности их аппроксимации, а уровень О информирует о том, что соответствующий этому номеру коэффици- Iент Уолша-Пэли или погрешность аппрок- |симации не передается потребителю. 25

.. П

1

1

Z О,

Блок 6 кодирования работает след%ло- щим образом.

На csiKxp о визирующий вход 25 поступает синхроимпульс с синхронизирующе- -JQ L-ому выходу,

I го В1{ода 22 устройства, который за-Каждый i-ый коммутатор 33 управляI держ -шается в элементе 26 задержки на

| время, равное дпигельности временного

интервала., на котором идет процесс вь2:борки существенной информации о спектI ре Уолша-Пэли входного сиг нала (совI падает с длительностью участка линей-i кого нарасгания напряжения генератора

I 10 пилообразного напряжения). Задер жанный синхроимпульс постртает на уп- д равляющие входы преобразователей 29, на информационные входы которых к этому моменту поданы существенные первые коэффициенты групп коэффициентов

35

Запись М означает подключение М-го входа коммутирующего элемента к

ется сигналами с (i+1)-ro и (i+2)-ro информационных входов 24. Логику работы коммутаторов 33 можно задать в виде следующего правила

G t-n G;, Gi.. С;.,

О, G,w О 2- О, G,4i 1 2- 1, GUi О 1- 1 G ; 1 1 2

-1

2

1

где G j.( , G,%2. сигналы соответственно с (i+1)-ro и (i+2)-ro информационного входа 24. Коммутатор 34

Уолша-Пэли и погрешности аппроксима- д управляется сигналами i-ro информа - ции коэффициентов, сохранение которых: цнонного входа 24 согласно правилу: обеспечивает заданную погрешность

представления сигнала бд.. Импульс с выхода элемента 27 задержки (время задержки опред ляется временем преобразования в преобразователях 29) за- аускает генератор 28 тактовых импульсов , сбрасывает счечитк 37 и поступает на входы разрешения записи буферных регистров 30 и регистра 31 маски, вследствие чего первым импульсом гене- ратора 28 кодовые слова с выходов преобразователей 29 запишутся в соответствующие регистры 30. Также произойGN О

G., .1

t,

t

50

55

При рассмогреннх)й логике работы коммутаторов 32-34 формируется последовательная цепочка из регистра 31 маскн и тех регистров . которых записаны кодовые слова величи существенных первых коэффициентов групп коэффициентов Уолша-Пэли и погрешностей аппроксимащн и коэффициентов, сохранение которых обеспечивает

цепочку осуществляется при помощи коммутаторов 32-34, управляемых сигналами с информационных входов 24 таким образом, что из последовательной цепочки регистров 30 исключаются те ре .. П

Z О,

1

1

L-ому выходу,

Запись М означает подключение М-го входа коммутирующего элемента к

ется сигналами с (i+1)-ro и (i+2)-ro информационных входов 24. Логику работы коммутаторов 33 можно задать в виде следующего правила

О, G,w О 2- О, G,4i 1 2- 1, GUi О 1- 1 G ; 1 1 2

-1

2

1

где G j.( , G,%2. сигналы соответственно с (i+1)-ro и (i+2)-ro информационного входа 24. Коммутатор 34

GN О

G., .1

t,

t

При рассмогреннх)й логике работы коммутаторов 32-34 формируется последовательная цепочка из регистра 31 маскн и тех регистров . которых записаны кодовые слова величин существенных первых коэффициентов групп коэффициентов Уолша-Пэли и погрешностей аппроксимащн и коэффициентов, сохранение которых обеспечивает

мых алгебраическими полиномами невысоких порядков, В качестве примера можно привести сигналы изображений некоторых классов, в которых большинство участков характеризуется линейньм изменением яркости.

Формула изобретения

Устройство для сжатия данных, содержащее ортогональный преобразователь,. j Hj opMaufH он ный вход которого являе /рСД..информационным входом уст- ройствА . ;первый вьпсод ортогонального преобразователя соединен с информационным входом первого ключа и первым входом первого дискриминатора, второй выход ортогонального преобразователя

с тем, что данные в пре-20 соединен с информа рюнным входом второго ключа и первьм хрдом второго дискриминатора р reH6JJafl Qp ш-шообраз- ного напряжения, первый и второй выходы которого соединены соответственно с вторыми и третьими входами первого и второго дискриг-шнаторов, выходы которых соединены через одноименные первый и второй дифференцирующие элементы с входами установки в 1 соответственно первого и второго триггеров, выходы которых соединены с управляющими входами соответственно первого и второго ключей, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым информационньми входами блока кодирования и через одноименные первьй и второй формирователи модуля числа - с соответствуюпгнми первым и вторым входами сумматора, первый выход блока кодирования является информационным выходом устройства, выход сумматора соединен с первым входом блока сравнезаданную погрешность аппроксимац1-ш сигнала. Вывод данных из этой цепбчки регистров производится импульсной последовательностью с выхода генератора 28. Сигнал конца вывода информации вы- рабатьшается цифровым компаратором 36, где производится сравнение кода числа тактовых импульсов, подсчитанных счетчиком 37, с кодом требуемого числад тактовых импульсов, необз4одимых доя вывода кодограммы текущего интервала обработки сигнала. Код требуемого числа тактовых импульсов выставляется на выходах блока 35 постоянной памяти, 15 на адресные входы которого подаются сигналы с информационных входов 24.

Необходимость такого способа формирования сигнала конца вьтода информации связано

образователях 29 могут кодироваться двоичными кодами разной разрядности, вследствие чего приходится на каждом цикле вьшода информации заново определять количество тактов, необходимых 25 для вывода кодограммы. Количество этих тактов определяется количеством тактов для вывода кодового слова-маски (эти величина постоянна) и количеством тактов для вывода кодовых слов существенных первых коэффициентов группы коэффициентов Уолша-Пэли и погрешностей аппроксимации коэффициентов (именно эта масть кодограммы может из - меняться от цикла к циклу).

Сигналом конца вьшода информации с выхода компаратора 36 производится останов генератора 28, выход которого является также выходом 20 блока 6 кодирования (тактовые импульсы используются при выводе как синхроимпульсы сопровождения информации).

Кодограмма выдается потребителю с выхода регистра 31 маски, являющегося выходом 19 блока 6 кодирования.

Таким образом, в устройстве в каж - дом интервале аппроксимации передается только необходимая часть информации (первые коэффициенты существенных

30

35

40

45

установочным входом устройства, а выход соединен с входом установки 1 третьего триггера, выход которого соединен через третий дифференцирующий элемент с входами установки в О первого и второго триггеров.

групп коэффициентов Уолша-Пэли и суще-50 вход генератора пилообразного напря- ственные погрешности аппроксимации остальных коэффициентов Уолша-Пэли), которая позволяет восстановить сигнал с заданной погрешностью по всей длине реализации. При этом коэффициент ежа- 55 тия (информативность устройства) по- вьшается для широкого класса реальных сигналов, в особенности для гладких сигналов, достаточно хорошо описываежения объединен с синхронизирующим входом ор гогонального преобразователя и входом установки в О третьего триггера и является синхронизирующим входом устройства, отличающееся тем, что, с целью повьше- ния информативности устройства, в него введены блоки делителей напряжения, блоки вычитателей, группы ключей

20

25

30

-20

25 -

35

20

40

45

установочным входом устройства, а выход соединен с входом установки 1 третьего триггера, выход которого соединен через третий дифференцирующий элемент с входами установки в О первого и второго триггеров.

вход генератора пилообразного напря-

жения объединен с синхронизирующим входом ор гогонального преобразователя и входом установки в О третьего триггера и является синхронизирующим входом устройства, отличающееся тем, что, с целью повьше- ния информативности устройства, в него введены блоки делителей напряжения, блоки вычитателей, группы ключей

блоки дискриминаторов, блоки дифференцирующих элементов, блоки триггеров, элементы ИЛИ, элементы И и блоки формирователей модуля числа, третьи выходы ортогонального преобразователя соединены с входами одноименных блоков делителей напряжейия, первыми входами одноименных блоков вычитателей, информационньши входами первых ключей соответствунищх первых групп и первыми входами одноименных блоков дискри- минаторов, вторые и третие входы которых объединены и подключены соответственно к первому и второму выходам генератора пилообразного напряжения, выходы групп выходов ортогонального преобразователя соединены с однся мен- ными вторыми входами соответствзтощих блоков вычитатепей, выходы блоков де- лителей напряжения соединены с одно- имённыьш третьдаш вкодвьш соответст- вуюащх блоков вычнтателей, вьскод которых соединены с ивформационнымн входами одкоименншг вторых клвгчей со- ответствуюсхих первык групп я одноименными четверт1 {и входами соответствующих блоков дискрн{ в1наторов, которых соединены с однонменншй дамй COOT нет ствуюадпс бпойов диффереш и рующих элементов5 выходы которых соединены с одноименными входа ® установки в 1 соответствунщих блоков- триггеров, входы установки в О которых объединены и подкпючень к выходу третьего дифференцирующего элемента.

выходы блоков триггеров соединены с , одноименными входа ш соответствующих элементов ИЛИ, управляющими входами одноименных вторых ключей соответствующих первых групп, соответствующими третьими информационными входами блока кодирования и одноименными входами соответствующих элементов И, выходы которых соединены с управляющими входами соответствующих ключей второй грзптпы, выходы которых соединены с первЕЛ4И входами одноименных блоков формирователей модуля числа, выходы которых соединены с соответствующими третьими входами сумматора, выходы элементов ИЛИ соединены с управляющими входами первых ключей соответствующих первых групп, выходы которых соединены с информационными входами соответствующих ключей второй группы и соответствукрцими четвертыми информационными входами блока кодирования, выходы вторых ключей первых групп сое динешл с одноименшлш вторыми входа- 6®i соответствуяящх блоков формирователей модупя числа и соответствующими пятьфш ииформационнь 01 входами блока кодирова1шя, шестойр седьмой информа ционшй и синхронаэирухящй входы которого под Ш ачены соответственно к выходам, первого, второго триггеров и синхронизирующему входу устройства, второй выход блока кодирования является управлякйцим выходом устройства.

Фиг2