Адаптивное телеметрическое устройство для сжатия информации Советский патент 1983 года по МПК G08C19/16 

третьими входами блока сжатия информации в базисе Хаара и блока сжатия информации в базисе Фурье, первые и вторые выходы блока ржатия информации в базисе Хаара, блока сжатия информации в базисе Фурье и бло ка1,апертурных . алгоритмов соединены соответственно с информационными вх ключей и с соответствующими вх дами блока определения оптимального базиса и алгоритма сжатия информаци выходы которого соединены с управляющими входами соответствующих ключей, выходы ключей соединены с соответствукщими входами блока буферной памяти. Блок сжатия информации в базисе Хаара и блок сзкатия информации в базисе Фурье содержит ключи, элементы сравнения, элементы И, элемент ИЛИ, переключающие триггеры, счетчик, триггер запрета, пороговый элемент, дифференцируквдие элементы, делитель, сумматор, генератор пилообразного напряжения и анализатор спектра, выходы анализатора спектра соединены с первыми входами соответствующих ключей и элементов сравнения, выходы которых через соответствующи дифференцирунлдие элементы соединены с первыми входами соответствующих элементов И, выходы элементов И через соответствующие переключающие триггеры соединены с вторыми входа,ми соответствующих ключей 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 трйг гера 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 запрета и третий рход делителя соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами блока, выходы ключевых элементов и выход делителя соединены соответственно с первым и вторым выходами блока. Блок определения оптимального базиса и алгоритма сжатия информации содержит ключи, элементы згадержки, сумматоры, инверторы, триггеры, элементы И и элемент ИЛИ, выход первого сумматора соединен через первый инвертор с первым входом первого триггера и непосредственно с первыми входами второго триггера первого и

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 второго триггеров, выходы первого и второго элементов И и третьего триггера соединены с срответствующими входами элемента ИЛИ, выход которого соединен с объединенными вторыми

уходами 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 второг 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.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства; на фиг. 2 - графики результатов обработки моделей случайных процессов с корреляционной функцией с использованием базисов Хаара, Фурье и ап ртурных алгоритмов; на фиг. 3 - графики результатов обработки натурных телеметрических

параметров с использованием базисов .Фурье,Хаара и апертурных алгоритмов. Ус ройство содержит: аналого-цифровой преобразователь 1, блok°2 сжатия 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 С или Фурье), генератор 9 пилообразного напряжения, элементы 10 сравнения, дифференцирующие элементы II, 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 ,элементы23 и 24 задержк ключи 25 и 26, инверторы 27 и 28, триггеры 29 - 31, элементы И 32 и 33

элемент ИЛИ 34.

Оптимальная система (фиг. 3) базисных функций |%опг t)J - эта система собственных функций корреляционного ядра R.(tjt) случайного процесса X(,t), которые являются решениями инTeiga bHoro уравнения Фредгольма

to--AjR(t,C)V(T)drо . Таким образом выполняется ортогональность координальных функций и некоррелированность координат. Пр йеденное разложение имеет особую практическуюценность при решении задачи сжатия данных, . данное разложение является оптимальным представлением случайной функции, заданной своими известными априори корреляционной функцией и математическим ожиданием, в том смысле, что при заданной.ошибке аппроксимации не обхс5димое количество координат явля ется минимальное возможным. Однако, практически получение оптимальных функций очень затруднительно, так к нельзя получить точное решение интегрального уравнения Фредгольма. Поэтому в рядеслучаев можно подобрать в качестве базисных функций близкие к оптимальным по эффективности сжатия,, такие, которые в аппа ратуре реализуются значительно прощ оптимальных ( квазиоптимальные). Такими квазиоптимальными функциями мо гут быть, например, тригонометричес кие функции или,функции Хаара, Предлагаемое устройство работает следующим образом. Телеметрическая информация посту пает на вход аналого-цифрового преобразователя 1 и с его выхода парал лельно разводится на входы блока 2 сжатия информации в базисе Хаара, блока 3 сжатия информации в базисе Фурье, блока 4 задания апертуры. . Ошибка аппроксимации для всех этих блоков устанавливается одинаковой. Рассмотрим процесс обработки информации по функциям Хаара в блоке Процесс обработки в блоке 3 сжатия информации в .базисе Фурье аналоги- чен, так как эти блоки выполнены по идентичным схемам. С.выхода анализатора 8 коэффициенты орготонального разложения поступают на входы соответствующих элементов 10 сравнениями на входы соответствующих ключей 14, которые находятся в закрытом состоянии. Сиг нал со второго выхода, аналого-.цифро вого преобразователя 1, соответству ющий началу времени обработки, запускает генератор 9 пилообразного н пряжения 2 и устанавливает в единицу триггер 19 запрета и в нулевое состояние делитель 20 двоичных кодо и.счетчик 16. Генератор 9 пилообразного напряжения вьщаёт одинаковое по амплитуде положительное и отрицательное на пряжение, которое поступает на вход элементов 10 сравнения. Причем в на чальный момент времени эти напряже ВИЯ максимальны,а потом убывают по линейному закону. Поэтому,- сначала срабатывает тот элемент 10, на вход которого имеется максималь11Ый по модулю коэффициент разложения по функциям Хаара анализируемого процесса. Таким образом, срабатывают те элементы 10, на входах .которых имеются максимальные коэффициенты, пбступающие с анализатора 8. Сигналы с выходов Элементов 10 через дифференцирующие элементы 11 поступаютна входы элементов И 12, на вторых входах которых имеется разрешакхций 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 наибольших по амплитуде коэффициентов разложения по функциям Хаара на выход блока 2 сжатия в базисе Х-аара и одновременно поступают- на сумматор 17. Сигнал с выхода . сумг атора 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 за.прета, 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 дифровых- отсчетов на анализатор 8 по функциям Хаара на двоичный код-числа коэффициентов разложения, з.аписанных в счетчике 16. Результат деления поступает в блок 5 .опредвления наиболее эффективного базиса и алгоритма сжатия данных. Результат деления в делителе 20 двоичных кодов по существу представляет собой коэф.фициент сжатия данных в базисе Хаара ( отношение числа полных выборок к .числу существенных,). Чем выше двоичное значение этого коэффициер та, тем эффективней данный базис. Определение наиболее эффективного базиса и алгоритма сжатия данных в блоке 5 происходит следующим обра зом. Двоичное значение коэффициента сжатия в базисах Хаара, Фурье и с использованием апертурных гшгоритмо соответственнр из блоков 2-4 поступает на первый и второй вход первого сумматора 21 и на второй вход второго сумматора 22 соответственно В первом и втором сумматорах 21 и 2 происходит вычитание из двоичного ко да, поступившего на их одни входы, двоичного кода, поступившего на дру гие входы. Предположим, что коэффициент сжа тия в базисе Хаара наибольший из всех трех. Тогда на выходе первого сумматора 21 буДет находиться сигнал положительной г1олярностй, 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 козффициента сжатия в 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 ежатия в базисе Хаара в рассматриваемом нами случае больше, то на выходе вто рого сумматора 22 присутствует сигна положительной полярности, который поступает на один вход элемента И 32. Надругом входе этого элемента И 32 также присутствует разрешаняций потенциал с выхода триггера 29, кото рый установлен в единицу положитель ным 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 блока 5 устанавливает в О состояние триггеры и сумматоры этого блока 5. Предположим теперь, что наиболее эффективным базисом является базис Фурье, т.е. на третьем входе первог сумма;тора 21 блока 5 наз одится наибольшее двоичное число. На выходе первого сумматора 21 таким образом присутствует отрицательный потенциал, который поступает на управляющи kлюч 26 и открывает его. . Триггер 29 при этом останется в О, так как на входе присутствует отрицательный потенциал. Двоичное значение коэффициента сжатия в базисе Фурье со входа первого сумматора 21 через элемент 2 задержки 24 и открытый ключ 26 поступает на первый вход второго сумматора 22, где из этого значения вычитается двоичное значение коэффициента сжатия из блока 4. На выходе второго сумматора 22 при этом появляется положительный сигнсш, который поступает на первый вход элемента И 33. На первом входе этого элемента И 33 тоже присутствует разрешающий потенциал с выхода триггера 30, так как отрицательный сигнал с выхода первого сумматора 21 через первый инвертор 27 устанавливает триггер 30 в 1. Триггер .31 остается в нулевом состоянии, так как на его входе присутствует отрицательный СигнсШ с выхода инвертора 28. Таким образом, разрешающий потенциал появляется только на втором выходе блока .5. Учитывая изложенное, работу устройства при других комбинациях коэффициентов сжатия данных нетрудно проследить по схеме ангшогично. На фиг. 2 кривые 1 и 2 изображаю1 зависимости .коэффициента, сжатия от среднеквадратичной ошибки с использованием алгоритмов первой и второй степени. Кривые 3 « 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 обработ-ку обеспечивает .базис Фурье на всем диапазоне; изменения среднекв.сщратичной ошибки. До значений ошибок, равных 0,17%, апертурный алгоритм второго порядка по эффективности превосходит базис Хаара, а выше этого значения уступает ему. На фиг. 3 кривые 1-3 изображают зависимости коэффициента.сжатия от среднеквадратичной ошибки при обработке натурных параметров с использованием апертурных; алгоритмов нулевой, пбрвой и второй степени соответственно, а кривые 4 и - с использованием базиса Фурье и Хаара соответственно. Из графиков (фиг. 3 ) следует, что при значени сх 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 ошибках 1вны1шх 0,06% превосходит по эффективности обработку в базисе Хаара. Таким образом, описанное устройс во позволяет; адаптироваться к случа ному процессу по базису представления и значительно повьпаает эффектив ность работы за счёт увеличения коэ фициента сжатия для широкого класса телеметрируемых параметров, По сравнению с устройством-прото типом ожидаемый экономический эффект от использования изобретения -МОЖНО расчитать следующим образом. Предлагаемое устройство позволяет получить коэффициент сжатияпри обработке натурных телеметрических данных равный 10, при среднеквадратичной ошибке 15%. Пусть имеется некоторый массив телеметрических данных, которые необходимо хранить на магнитных лентах М-5000 двоичных 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 равно .й(ш-т). Экономический эффект равен: .25 50 руб. - 2,5 50 руб. 1125 руб Обработка сжатого массива на ЭВМ да еще дополнительно 80-рублей экономии на 1 ч машинного времени. Формула изобретения 1. Адаптивное телеметрическое устройство для сжатия информации, содержащее аналого-цифровой преобразователь, блок сжатия информации с плавающей апертурой и блок буфер ной памяти,выход которого соединен с выходом устройства, отлича ющееся тем, что, с целью повьлиения коэффициента сжатия, в уст ройство введены блок сжатия информации в базисе Хаара, блок сжатия информации в базисе Фурье, блок оп ределения оптимального базиса и ал горитма сжатия информации и ключи, вход аналого-цифрового преобразова теля соединен с входом устройства, первый выход - с объединенными пер выми входами блока сжатия информации в базисе Хаара,блока сжатия информации в базисе Фурье и входом блока сжатия информации с плавающе апертурой, второй и третий выход 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 управляющими входами соответствующих ключей, выходы ключей соединеныс соответствующими входами блока буферной памяти. 2. Устройство по п. 1, о т л и чающее ся тем, что блок сжатия информации в базисе Хаара и блок сжатия информации в базисе ФУрье содержит ключи, элементы сравнения, элементы И, элемент ИЛИ, перёклю .чаклдие 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 ключей и элементов сравнения, выходы которых че-. рез 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 сое-динён 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.I3.Устройство по п. 1, о т л и чающееся тем, что блок определения оптимального базиса и алгоритма сжатия информации содержит ключи, элементы задержки, сумматоры, инверторы, триггеры, элементы И и элемент ИЛИ, выход первого сумматор : соединен через первый инвертор с первым входом первого триггера и непосредственно с первыми входами второго триггера, первого и второго ключей, выходы которых соединены с первым входом второго сумматора, выход второго сумматора соединен через второй инвертор с первым входом третьего триггера и неЯосредственно первыми входами первого и второго элементов И, вторые входы которых соединены с выходами соответственно первого и второго триггеров, выходы первого и второго элементов И и третьего триггера соединены с соответствующими входами .элемента ИЛИ, выход которого соединен с объединенными вторыми входами триггеров и BTQ рого 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 соответственно с первым; вторым и Т зетьиМ входами блока, выходы элементов Ни третьего триггера соединены с соответствующими выходами блока.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР № 222907, кл. G 08 С 19/16, 1967.

2.Авторское свидетельство СССР № 5.38386, кл. G 08 С 19/16, 1975

(прототип, .