Устройство для моделирования одноканальной системы передачи информации с импульсно-кодовой модуляцией Советский патент 1990 года по МПК G06N7/08 

Изобретение может быть использовано как техническое средство обучения при изучении информационных характеристик систем с импульсно-ко- довой модуляцией.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет оценки отношения скорости изменения получаемой информации к пропускной способности канала.

На чертеже представлена схема устройства.

Устройство содержит датчик 1 сообщений, дискретизатор 2, квантователь 3, кодер 4, приемник 5, включающий первый фильтр 6, пороговый блок 7, формирователь 8 импульсов. Устройство содержит также декодер 9, второй фильтр 10, модулятор И, генератор 12 шума, сумматоры 13-1 - 13-3, 14-1 - 14-3, делители 15-1 - 15-3, блоки 16-1 - 16-3 вычитания, блоки 17-1 - 17-4 логарифмирования, блоки 18-1 - 18-4 умножения, инверторы 19-1,19-2, блок 20 дифференцирования, функциональные преобразователи 21-1,21-2, генератор 22 пилообразного напряжения, формирователь 23.

Устройство работает следующим образом.

Сообщения с выхода датчика 1 сообщений, представляющие в общем случае реализации случайного сигнала, поступают на вход дискретизатора 2 и затем - квантователя 3 и кодера 4 На выходе кодера 4 формируется последовательность импульсов и пауз, образующих кодовые слова одинаковой длисл

-sj

00

Ј

тельности. В данной схеме осуществляется синхронизация декодера 9 сигналом с выхода дискретизатора 20 Кодо- k вые слова следуют непосредственно друг за другом, образуя непрерывную последовательность импульсов и пауз, соответствующих О и 1.

Импульсы с выхода кодера 4 поступают на информационный вход модулятог pa 11, который предназначен для моделирования медленных замираний амплитуды импульсов в канале связи„ Период медленных замираний определяется периодом колебаний генератора 2 пилообразного напряжения, и этот период выбирается из условия где ТСА - длительность кодового слова. Пилообразное напряжение с выхода генератора 22 поступает на вход функционального преобразователя 21-.2, на выходе которого образуется модулирующее напряжение, поступающее на управляющий вход модулятора 1,

Выходные импульсы модулятора 11 поступают на вход сумматора 13-1. На другой вход сумматора 13-1 поступает шумовое напряжение с выхода генератора 12 шума, который предназначен для моделирования в канале связи по- мехи с равномерным . спектром мощности в частотной области, соответствующей спектру передаваемых сигналов„ Эффективное напряжение шума на выходе генератора 12 можно регулиро-. вать, устанавливая заданное отношение сигнал/помеха на входе первого фильтра 6, Таким образом, на выходе сумматора 13-1 получаем искаженную последовательность сигналов в канале связи за счет медленных замираний амплитуды импульсов, а также за счет наличия шумового напряжения с равномерной спектральной плотностью Отношение сигнал/помеха на выходе пер- вого фильтра 6 определяется выражением

---9(О

г & где Q J У (t)dt энергия элементарного сигнала;

спектральная плотность мощности помехи в полосе, пропускания фильтра 6.

Вероятность ошибки восстановления символа 1 или О на выходе формирователя 8 импульсов определяется приближенным выражением ЧГоы-0,5 e

(2)

Поскольку Тч Тсл, можно считать, что u(t) uj( const в пределах длительности импульса с 0 На интервале медленных замираний отношение сигнал/помеха изменяется в соответствии с изменением амплитуды импульсов Таким образом, вероятность ошибки Рош изменяется во времени, РОШ f(O.

Рассмотрим теперь дискретный канал, через который передаются в единицу времени п символов из алфавита объемом К 2. При передаче каждого символа в среднем по каналу проходит следующее количество информации:

1((Х,Х ) Н(Х) - Н(Х/Х),

(3)

где X и X

случайные символы на входе и выходе канала; Н(Х) - энтропия, характеризующая информацию передаваемого символа и определяемая источником диск- ретного сигнала кодера 4; Н(Х/Х ) - условная энтропия, определяемая условной вероятностью Р(Х/Х),

Н(Х/Х) - log(l/P(X/X)). (4)

Здесь угловые скобки означают операцию статистического усреднения.

Рассмотрим симметричный канал без памяти, в котором каждый переданный кодовый символ может быть принят ошибочно с вероятностью Роц и правильно с вероятностью 1-Рош В случае ошибки вместо переданного символа 1 в приемнике воспроизводится символ О и наоборот. Для симметричного канала без памяти вероятность ошибочного прие- приема символа не зависит от того, какие символы были переданы до него и как они были приняты. Условная энтропия Н(Х/Х ) не зависит от распределения вероятности символов 1 и О, определяется только переходными вероятностями Рош и 1-Рош и имеет вид

Н(Х/Х) РоЫ1о8 - +

ош

0-Р0ш 1°8 71-Р

OUI

15787196

ся удовлетворительной оценкой вероят ности Р появления символа 1 на выходе кодера 4, т.е.

Изобретение может быть использовано как техническое средство обучения при изучении информационных характеристик систем с импульсно-кодовой модуляцией. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет оценки отношения скорости изменения получаемой информации к пропускной способности канала. Цель достигается введением в устройство модулятора, генератора шума, трех сумматоров, трех накопителей импульсов, трех блоков деления, трех блоков вычитания, четырех блоков логарифмирования, четырех блоков умножения, двух инверторов, блока дифференцирования, двух функциональных преобразователей генератора пилообразного напряжения, формирователя импульсов. 1 ил.

Энтропия Н(Х) при отсутствии корреляционных связей между символами определяется выражением

I

H(X)P,log ,)log т-р ,

где Р( и (1-Р.) - соответственно вероятности появлег ния символов 1 15 и О на выходе кодера 4.

С учетом выражений (5) и (6) при передаче п символов по каналу связи проходит следующее количество ин-20

формации:

I(X,X) n(p,log - t(l-P,)log{ +

+ Р01„1°В Рош + 0-Рш)1о8(1-Рои()(7)

Скорость изменения полученной в приемнике информации равна

i(x,x) -4Ii|p-L-. . (8)

Отношение скорости изменения полученной в приемнике информации к пропускной способности симметричного канала без памяти определяется выражением:

I ПЬХ) ,(9)

где С n(log2-Pob.logPQLUчаем отношение

п

О+1

достаточно больших п 0-и Ю являет-(1-Рош)1°80-Рош)) - пропускная способность симметричного канала без памяти. Для определения Н(Х) согласно выражению (6) в устройстве вначале производится оценка вероятности Р4 появления символа 1 на выходе кодера 4. Для этого в третьем сумматоре 14-2 в течение устанавливаемого с помощью формирователя 23 интервала Т Тз Фиксируется общее число п0+( символов О и I, поступающих с второго выхода кодера 4„ В первом сумматоре 14-1 фиксируется число п символов 1 с выхода модулятора 11, В первом блоке деления 15-1 полуПч

, которое при

4 Р,

Bi

(Ю)

II

o+t

10

15

20

25

,,

40

450Оценка вероятности Р поступает с выхода блока 15-1 на входы первого блока логарифмирования 17-1, первого блока умножения 18-1 и первого блока вычитания 16-1. На входе блока вычитания 16-1 получаем оценку вероятности появления симврла Оу равную 1-Р. которая поступает на вход второго блока логарифмирования 17-2 и вход второго блока умножения 18-2. На выходе первого блока умножения 18-1 получаем напряжение, пропорциональное величине Р{log P , на выходе второго блока умножения 18-2 получаем напряжение, пропорциональное величине (1-Р,) logO-P,). Указанные величины суммируют в четвертом сумматоре 13-2 и инвертируют на выходе первого инвертора 19-1. В результате на выходе инвертора 19-1 получают положительное напряжение, отображающее в заданном масштабе оценку энтропии Н(Х) за интервал Т.

Для определения условной энтропии Н(Х/Х ) по формуле (5) в устройстве производится оценка вероятности ошибки РОШ в симметричном канале без памяти. Для этого в пятом сумматоре 14-3 в течение интервала Т фиксируется число т. символов I с выхода формирователя 8 импульсов. Во втором блоке деления I5-2 получаем отношение

пи

ших п 10 является удовлетворительной оценкой вероятности ошибки Р9Ы воспроизведения символа 1 в формирователе 8 импульсов, т,е„

которое при достаточно больOU)

,ч ЛИСП)

45 0

55

Следует отметить, что интервал Т должен быть таким, чтобы в его пределах изменение отношения сигнал/помеха мало сказывалось бы на величине вероятности ошибки, определяемой формулой (2),

л Оценка Рош, поступая на блоки

16-2, 17-3, 17-4, 18-3, 18-4, 13-3, дает на выходе второго инвертора 19-2 положительное напряжение, отображающее

заданном масштабе оценку условной

нтропии Н(Х/Х),

На выходе третьего блока вычитания 16-3 получаем согласно (7) разность г оценок энтропии Н(Х) и Hj(X/X ), которая согласно (8) поступает на блок 20 дифференцирования. С выхода блока 20 оценка скорости изменения полученной в приемнике информации посту- JQ пает на вход делимого третьего блока еления 15-3. На вход делителя блока 15-3 поступает напряжение с выхода первого преобразователя 21-, отобрат жагощее в заданном масштабе пропуск- J5 ную способность одноканальной системы. На вход первого функционального преобразователя 21-J поступает напряжение с выхода шестого сумматора 13-3, на входе которого имеем оцен-20 ку отрицательной условной энтропии - ).

Таким образом, на выходе третьего лока деления в конце каждого интервала Т будем согласно (9) иметь оцен- 25 ку отношения скорости изменения полученной в приемнике информации к пропускной способности системы.

Формула изобретения 30

Устройство для моделирования одно- канальной системы передачи информации с импульсно-кодовой модуляцией, содержащее датчик сообщений, дискре- 35 тизатор, квантователь, кодер, приемник информации, состоящий из последовательного включения первого фильтра, порогового блока, формирователя. импульсов, выходом подключенного к 40 информационному входу декодера, выход которого подключен к входу второго фильтра, причем выход датчика сообщений соединен с входом дискриминатора, выход которого подклю-45 чен к входу тактов декодера и к входу квантователя, выход которого соединен с входом кодера, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за JQ счет оценки отношения скорости изменения получаемой информации к пропускной способности канала., оно включает модулятор, генератор шума, шесть сумматоров, три блока деления, три блока $$ вычитания, четыре блока логарифмирования, четыре блока умножения, два инвертора, блок дифференцирования, два функциональных преобразователя генеатор пилообразного напряжения, форми- ователь импульсов, причем выход кодеа соединен с информационным входом одулятора, выход которого подключен информационному входу первого суммаора и к первому информационному входу торого сумматора, второй информационый вход которого соединен с выходом енератора шума, а выход второго сум-1 атора подключен к входу первого, фильтра, выход первого сумматора соединен с входом делимого первого блока деления и входом делителя второго блока деления, вход делителя первого блока деления соединен с выходом третьего сумматора, информа - ционный вход которого подключен к второму выходу кодера, выход первого блока деления соединен с входом первого блока логарифмирования, с входом вычитаемого первого блока вычитания и первым входом первого блока умножения, второй вход которого соединен с выходом первого блока логарифмирования, вход уменьшаемого первого блока вычитания соединен с положительным полюсом источника постоянного напряжения, выход первого блока вычитания соединен с входом второго блока логарифмирования и первым входом второго блока умножения, второй вход которого подключен к выходу второго -блока логарифмирования, выход первого умножителя соединен с первым информационным входом четвертого сумматора, второй информационный вход которого подключен к выходу второго умножителя, а выход - че- рез первый инвертор соединен с входом уменьшаемого. третьего блока вычитания, выход формирователя импульсов подключен к информационному входу пятого сумматора, выход которого соединен с входом делимого второго блока деления, выход которого соединен с входом третьего блока логарифмирования, с входом вычитаемого второго блока вычитания и первым входом третьего блока умножения, второй вход котррого подключен к выходу третьего блока логарифмирования, вход уменьшаемого второго блока вычитания соединен с положительным полюсом источника постоянного напряжения, выход второго блока вычитания подключен к входу четвертого блока логарифмирования и к первому входу четвертого блока умножения,

второй вход которого соединен с выходом четвертого блока логарифмирования, выход третьего блока умножения подключен к первому информационному входу шестого сумматора, второй информационный вход которого соединен с выходом четвертого блока умножения, выход шестого сумматора через второй инвертор подключен к входу вычитаемого третьего блока вычитания, выход которого соединен с входом блока дифференцирования, выход которого подключен к входу делимого третьего блока деления, вход делителя которого соединен с выходом, первого функционального преобразователя, информационный вход которого подключен к выходу шестого сумматора, выход генератора пилообразного напряжения соединен с входом формирователя импульсов и входом второго функционального преобразователя, выход которого под ключей к управляющему входу модулятора, выход формирователя импульсов соединен с входом Сброс первого, третьего и пятого сумматора, выход третьего блока деления является выходом устройства.