Устройство передачи и приема информации Советский патент 1990 года по МПК G08C19/28 

Изобретение относится к технике передачи (хранения) информации и может быть использовано в системах телемеханики и связи.

Цель изобретения - повышение сте пени сокращения избыточности негауссовских сообщений.

На чертеже представлена функциональная схема устройства.

Устройство содержит на передающей стороне аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 1, блок 2 задержки, первый и второй вычитатели 3 и 4, первый и второй сумматоры 5 и 6, фильтр-интерполятор 7, фильтр-предсказатель 8,

первый и второй квантователи 9 и 10, блок 11 уплотнения информации, с первого по четвертый усилители 12-15, с первого по третий нелинейные преобразователи 16-18 и блок 19 идентификации параметров, канал связи 20, на приемной стороне блок 21 разделения информации, с первого по третий сумматоры 22-2, первый и второй восстанавливающие фильтры 25 и 26, с первого по четвертый усилители 27-30, фильтр-интерполятор 31, фильтр-предсказатель 32, с первого по третий нелинейные преобразователи 33-35 и блок 36 идентификации параметров.

сд

Јъ

с&

Јь

00

Устройство работает следующим образом.

Входное сообщение x(t), если оно непрерывно, преобразуется на передаю- щей стороне в дискретную (цифровую) форму с помощью АЦП 1, и далее цифровая последовательность lx;j подается на первый вход вычитателя 3. Если сообщение x(t) дискретно (или цифро- вая последовательность), то оно через согласующее устройство (вместо АЦП) поступает на вычитатель 3. Ошибками квантования в АЦП 1 пренебрегаем.

На выходе вычитателя 3, на второй вход которого подаются предсказанные отсчеты х„; , образуется разность е , х - х „;. Она квантуется в адаптивном квантователе, состоящем из нормирующего усилителя 12, коэффи- циент усиления которого К,, (rfle6| jj - оценка дисперсии последовательности Је,), вычисляемая итеративно в блоке 19; j - шаг итерации) и фиксированного квантователя 9. Вы- ходной сигнал е „; квантователя, представляющий результат квантования нормированного сигнала К .,6;, подается на первый вход блока 11 уплотнения информации. Для восстановления отсче- тов исходного сообщения с точностью до ошибки квантования на выходе сумматора 5 формируются значения х

1

„, + К,е i«v:

х nJ + Ј;e

™ X 1

+ 6е- е ,-ч х h + е , + q, х, + q,, где q- - шум квантования последовательности |е. Для этого сигнал е. предварительно усиливается усилителем 12 в К, раз, где К4 г- ,

t

и затем суммируется в блоке 5 с предсказанным значением хп;. Усилие в блоке 13 необходимо для приведения разностного сигнала к динамическому диапазону сигнала е,. Аналогичные операции осуществляются усилителями

15, 27 и 29.

Предсказанный сигнал х„; Формируется на основе нелинейных безынерционных преобразований в блоках 16 и 17 и линейного преобразования в фильтре- предсказателе 8, В нелинейном преобразователе 16 отсчеты х преобразуются в отсчеты у- if(x) так, чтобы негауссовскую последовательность к привести к приближенно гауссовской последовательности у (} Оптимальной процедурой экстраполяции такой гауссовской последовательности является линейная процедура вида

У„, Ъ ajjj- у..„

(1)

k-t

5 0 5 д

5

0

представляющая собой результат цифровой свертки или взвешивания с коэффициентами предыдущих (задержанных) отсчетов {у | }, где aKCj - оценка оптимальных на j-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) преобразование реализуется следующим образом:н

у. - 2i0((x), (2)

т.е. путем разложения нелинейной функции чЧх) в ортогональный ряд по из вестным базисным функциям hK(x)}, К 1,N с коэффициентом cЈKtj, получаемым итеративно в блоке 19 и поступающим на управляющие входы нелинейных преобразователей 16 И 17. Если шкалы (диапазоны изменения) значений xf и у. разбить на N значений (с контролируемой точностью), т.е. х, х U } е - 1,N и у, - у, .У е т° соотношение (2) можно представить в матричном виде

У. цЧ2.) ни,) лл, (з)

где векторы - столбцы у( (у( ..., y(;V, с/ - U,, ...,rfN)T;

j - шаг итерации Н(х°,) -ортогональная матрица с известными элементами Ьк(х{;е ), К 1.N, е 1.N.

По заданной гауссовской статистике вектора у,., известной матрице Н(х) и измеряемой итеративно статистике вектора х} в блоке 19 вычисляются коэффициенты /K{j , К в t,N, которые однозначно определяют зависимость у. с(х,) по (2) или (3) Нелинейный преобразователь 17 выполняет роль обратного нелинейного преобразователя 16. В нем по отсчетам у. формируются отсчеты х . ,), согласованные со статистикой исходного сообщения х ., г/ie ср - функция обратная ц. Реализация обратного преобразования также осуществима, так как при вычисленных коэффициентах

51

К соотношения (2) и (3 однозначны и, следовательно, каждому дискретному уровню х( в памяти блока 17 может быть сопоставлен уровень

у ., и наоборот. Тогда при поступле/ i

нии некоторого уровня yv с выхода фильтра-предсказателя 8 на выходе блока 17 выдается соответствующий ему уровень х(;е , являющийся предсказанным для значения х ;.

Последовательность поступает также на фильтр-интерполятор 7, осуществляющий сглаживающую операцию

tr (

МЯУ;.

m+ к

представляющую собой цифровую свертку или взвешивание с коэффициентами , вычисляемыми итеративно в блоке 19, задержанных гауссовских выборок . После обратного нелинейного преобразования в блоке 13 формируется задержанная на время Тл в m&t, (где ut - интервал дискретизации) оптимальная отфильтрованная от шума квантования q, оценка « -Г1(У)-т) исходного сообщения, где обратная функция, реализуемая в блоке 18 аналогично как, и в блоке 17.

Разностный сигнал Ј,-,„, х т на выходе вычитателя k после

- х

и, f-i

квантования в адаптивном квантователе, состоящем из нормирующего усилителя 14 с коэффициентом усиления

10

сообщения, томно такой же, как на передаче, так и на приеме (в отсутствие ошибок в канале).

Блок 19 идентификации параметров вычисляет значения оптимальных параметров а фильтра-предсказателя 8, оптимальных параметров Ј фильтра-интерполятора 7 и оптимальных параметров ol нелинейных преобразователей 16-18 на основе реализации итеративных алгоритмов типа стохастической аппроксимации, а также вычисляет оптималь- , ные значения коэффициентов усиления

15 К(, Кг, К3 и К, нормирующих усилителей 12-15. Такая нормировка, как указывалось, необходима для обеспечения оптимальности квантования разностных сигналов е и .

20 В блок 19 идентификации параметров подаются следующие сигналы: на первый информационный вход - выходной сигнал кЈ-е } усилителя 13, на второй - выходной сигнал К4-Ј « (туси- лителя 15, на третий - выходной сигнал сумматора 6, на четвертый - выходной сигнал преобразователя.

Итеративный (рекурентный) алгоритм вычисления оптимальных параметров фильтра-предсказателя 8 в векторной форме имеет вид

ЗШ - Z- , (5) где v- постоянная адаптации - малая величина порядка 0,001- 0,0001;

Изобретение относится к технике передачи (хранения) информации и может быть использовано в системах телемеханики и связи. Цель изобретения - повышение степени сокращения избыточности негауссовских сообщений. Устройство содержит на передающей стороне аналого-цифровой преобразователь, блок задержки, два вычитателя, два сумматора, фильтр-интегратор, фильтр-предсказатель, два кантователя, блок уплотнения информации, четыре усилителя, три нелинейных преобразователя, блок идентификации параметров, на приемной стороне блок разделения информации, три сумматора, два восстанавливающих фильтра, четыре усилителя, фильтр-интерполятор, фильтр-предсказатель, три нелинейных преобразователя и блок идентификации параметров. Устройство позволяет повысить степень сокращения избыточности реальных нестационарных негауссовских сообщений путем адаптивного нелинейного их преобразования в гауссовское, оптимального предсказания и интерполяции последних и затем обратного нелинейного преобразования для согласования со статистикой исходного сообщения. 1 ил.

К

1

и фиксированного кванто3 6gUl вателя 10, получает вид Ј и поступает на второй вход блока 11 уплотнения информации. Здесь 6сCj оценка дисперсии последовательности ,}, получаемая итеративно в блоке 19.

Для выработки управляющих сигналов 6e{j , , , , ЫКШ} на вых°Де сумматора 6 формируется восстановленное с задержкой на Т3 сообщение fxB(.,-.m). Для этого выходной сигнал нелинейного преобразователя 18 подается на первый вход сумматора 6, на второй вход которого мерез нормирующий усилитель 15 с коэффициентом усиления К 4 1/Кэ AgCjJ подается выходной сигнал Ј( квантователя 10. Эта операция необходима для того, чтобы иметь сигнал, по которому проводится идентификация параметров исходного

0

- еа - выходной сигнал усиTr J

лителя 13j - вектор размерности п с компонентами xAfj, х В| j., ,

5

X в, j п- 1

Аналогичный алгоритм справедлив для вычисления оптимальных параметров фильтра-интерполятора 7

- btJ-1 - 2 v.Ј Cj - m - m3 ,(6)

Ј,jtj - m « g- S.j-n,

x,j - m (x.e,j-m-e

Данную итеративную процедуру можно применить и для оптимальной в среднем квадратическом смысле оценки вектора of

«ГШ Cj - 1 - 2 r-dCjJ-htx.,

где j р(у. - р(у,). Здесь р(у;) - заданная вероятность попадания гаус- совской случайной величины в интерП - (8) П - (9)

вал (yj; у, + Ay,), ,) jj .„.,

x оСкШ hK-(x;) - оценка pCy), вы- числяемая по x j с учетом (2), п7(х,), ..., hN(xy) } - элементы ортогональной матрицы Н в (3).

Управление параметрами квантователя с фиксированным числом уровней квантования производится, как отмечалось, путем использования фиксированного квантователя и нормирующего усилителя, коэффициент усиления которого пропорционален оценке дисперсии кван- туемого процесса. При этом коэффициент усиления усилителя 12 К., а коэффициент усиления усилителя I

- 1/6ГЯ.

Оценки дисперсии разностных процессов в|}и ,} получаются в соответствии с итеративными алгорит- ,мами

- &Ш - П - v(

)$

|Ш «6|CJ - 11 - -С Ш), где - ej, - ,

j 0, 1, 2, ....

Блок 36 идентификации параметров на приемной стороне полностью анало- гичен блоку 19 на передающей стороне. На его четыре информационных входа поступают точно такие же, как и на входы блока 19 сигналы: на первый информационный вход - выходной си|- налК$-е; 1/Кг е 6r е ; усилителя 27 на второй вход - выходной ,сигная К6Ј г|1..т- 1/Кэ- Ј ы-т ЈЈ ыусилителя 29, на третий вход - вы- ходкой сигнал х j.m сумматора 2, на четвертый - выходной сигнал преобразователя 33.

На приемной стороне сигналы е и,-т уплотненные в блоке уплот- нения информации и переданные по цифровому каналу 20 связи, подаются на блок 21 разделения информации, откуда подаются на входы усилителей 27 и 29 с коэффициентами усиления К$ 1/Ki e eU и с /К 3 С j соответственно. Выходной сигнал К$ е ; усилителя 27 поступает на сумматор 22, на второй вход которого подается предсказанная последовательность х,-) с- выхода нелинейного преобразователя 3. При этом на выходе сумматора 22 образуется оценка сообщения х Xj,j + , получаемая без эадерж

0

5

0

5

0

$ Q 5

5

ки. Она далее поступает на нелинейный преобразователь 33,и восстанавливающий фильтр 25. Нелинейно преобразованная с функцией q(xp в блоке 33 гауссовская последовательность воздействует на фильтр-предсказатель 32 и фильтр-интерполятор 31. С выхода фильтра-предсказателя 32 сигнал действует на нелинейный преобразователь 3 с функцией if-% обратной у. С выхода фильтра-интерполятора 31 сигнал действует на нелинейный преобразователь 35 (аналогично преобразователю 18).

На выходе сумматора 2k, на входы которого подаются сигнал Kf Ј,;-т с выхода усилителя 29 и сигнал xn i-m (У ,} с выхода нелинейного преобразователя 35, образуется с задержкой на Тэ более точная оценка исходного сообщения x e („m x n + + fegtjH «v, i-. Сигналы х и xej.m в блоках 25 и 26 фильтруются с целью уменьшения шумов, принятых из канала

20 связи, усиливаются в усилителях 28 и 30 и затем суммируются в блоке 23 для образования восстановленной оценки xu(t) исходного сообщения x(t). Преимущество устройства состоит в том, что реализуемые в нем адаптивные алгоритмы нелинейного преобразования (прямого и обратного) негаус- созского Сообщения в гауссовское и наоборот позволяют следить за изменением текущей, как правило негаус- совской, статистики исходного сообщения и соответствующим образом корректировать (нормализовать) сигнал на входах линейных фильтров-предсказателей и фильтров-интерполяторов с целью оптимизации их работы и минимизации 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 преобразователь, 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 вычитателя

у 1

подключен к информационному входу первого усилителя, выход которого через первый кпантователь подключен к первому входу блока уплотнения информации и к информационному входу 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 информационному 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 информационному входу блока.идентификации параметров и к первому входу второго сумматора, выход которого подключен к третьему информационному входу блока идентификации параметров, второй выход которого подключен к управляю- .щим 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 входу блока идентификации параметров и к первому входу первого сумматора, выход которого подключен к входу первого восстанавливающего фильтра, выход которого через второй усилитель подключен к первому входу второго сумматора, выход которого является выходом устройства, второй выход блока разделения информации подключен к информационному входу третьего усилителя, выход которого подключен к второму информационному входу блока идентификации параметров и к первому входу третьего сумматора, выход которого подключен к третьему информаци- онному входу блока идентификации параметров и через второй восстанавли41648ю

вающий фильтр и четвертый усилитель к второму входу второго сумматора, первый, второй, третий и четвертый выходы блока идентификации параметров подключены к управляющим входам первого и третьего усилителей, фильтра- предсказателя и фильтра-интерполятора соответственно, отличающее.ф с я тем, что, с целью повышения степени сокращения избыточности негаус- совских сообщений, введены на передающей стороне первый, второй и третий нелинейные преобразователи, на прием. 5 ной стороне первый, второй и третий нелинейные преобразователи, на передающей стороне выход первого сумматора подключен к информационному входу первого нелинейного преобразователя,

20 выход которого подключен к четвертому информационному входу блока идентификации параметров и к информационным входам фильтра-интерполятора и фильтра-предсказателя, выход последнего

25 подключен к информационному входу второго нелинейного преобразователя, выход которого подключен к вторым входам первых вычитателя и сумматора, выход фильтра-интерполятора подключен

,п к информационному входу третьего нелинейного преобразователя, выход которого подключен к вторым входам вторых вычитателя и сумматора, пятый выход блока идентификации параметров подключен к управляющим входам перво35 го, второго и третьего нелинейных преобразователей, на приемной стороне выход первого сумматора подключен к информационному входу первого нелинейного преобразователя, выход которого подключен к четвертому информа-. ционному входу блока идентификации параметров и к информационным входам фильтра-интерполятора и фильтра-предсказателя, выход которого подключен к информационному- входу второго нелинейного преобразователя, выход которого подключен к второму входу первого сумматора, выход фильтра-интерполятора подключен к информационному входу третьего нелинейного преобразователя, выход которого подключен к второму входу третьего сумматора, пятый выход блока идентификации параметров подключен к управляющим входам

40

45

50

первого, второго и третьего нелинейных преобразователей.