Адаптивное устройство для передачи информации

 

Изобретение относится к телеизмерениям и может использоваться в автоматизированных системах контроля состояния окружающей среды. Целью изобретения является повышение достовер ности передачи информации. Устрой-, ство состоит из узла кодирования и передачи и п-информационных каналов, каждый из которых содержит датчик . параметра окружающей среды, аналого- Д1 фровой преобразователь, блок синхронизации , блок аппроксиматоров, полосовый фильтр, дифференцирующий блок, блок согласования, квадратор и блок сравнения. Блоки аппроксиматоров содержат аппроксиматор полиномом нулевой степени, аппроксиматор полиномом первой степени и переключатель . Полосовые фильтры содержат цифровой синтезатор частоты, перемножи - тели,таймер сумматоры и блок вычиС ления модуля. Дифференцирующие блоки содержат счетчик, триггер, формиро- ,ватели импульсов, элементы И, элемен ты задержки, элементы ИЛИ, счетчикц. и .вычитатель, Блоки сравнения содержат. формирователь импульсов, ревер-- сивный счетчик , дешифратор , инвер - - тор, элементы И, элементы ИЛИ и триггер . Блоки синхронизации содержат генератор импульсов, счетчик и де - . Предлагаемое устройство обеспечивает повьшение достоверности информации, выдаваемой потребителю за счет того, что характеристики исследуемого процесса аппроксимируются полиномом, степень которого определяется на основании сравнения оценок дисперсии и сглаженной производной, т.е. на основании сравнения измеренных , реальных характеристик исследуемого процесса. 3. з.п. ф-лы, 4 ил. с 9 (Л

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

„„SU„„44693

А1 (s)) 4 С 08 С 19/28

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3802276/24-24 (22) 05 ° 10. 84 (46),15.07.86, Бюл. М - 26 (71) Центральное конструкторское бюро гидрометеорологического приборостроения Госкомитета СССР. по гидрометеорологии и контролю природной среды (72) В,И. Тимофеев, И.П. Кузьминых, Н,А, Рубичев .и В.Г, Сорокин (53) 621.398(088 ° 8) (56) Романенко А.Ф., Сергеев Г.A °

Вопросы прикладного анализа случайных процессов. M.: Советское Радио, 1968, с.73-78, Виленкин С.Я, Статистическая обработка результатов исследования случайных функций, M Энергия, 1979, с.144-152 °

Авторское свидетельство СССР

Р 660078, кл. G 08 С )9/28, Н 04 L )7/02, 1979.

Авторское свидетельство СССР

959130, кл. G 19/28, 1982. г54) АДАПТИВНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ (57) Изобретение относится к телеизмерениям и может использоваться в автоматизированньгх системах контроля состояния окружающей среды. Целью изобретения является повышение достоверности передачи информации. Устрой-, а ство состоит из узла кодирования и передачи и п-информационных каналов, каждый из которых содержит датчик . параметра окружающей среды, аналогоцифровой преобразователь, блок синхронизации, блок аппроксиматоров, полосовый фильтр, дифференцирующий блок, блок согласования, квадратор и блок сравнения ° Блоки аппроксима-. торов содержат аппроксиматор полиномом нулевой степени, аппроксиматор полиномом первой степени и переключатель. Полосовые фильтры содержат цифровой синтезатор частоты, перемножители, таймер сумматоры и блок вычисления модуля. Дифференцирующие блоки содержат счетчик, триггер, формиро.ватели импульсов, элементы И, элемен ты задержки, элементы ИЛИ, счетчики1 и.вычитатель, Блоки сравнения содер- жат формирователь импульсов, ревер- сивный счетчик, дешифратор, инвер- . тор, элементы И, элементы ИЛИ и триггер. Блоки синхронизации содержат генератор импульсов, счетчик и де— шифратор, Предлагаемое устройство обеспечивает повышение достоверности информации, выдаваемой потребителю за счет того, что характеристики исследуемого процесса аппроксимируются полиномом, степень которого определяется на основании сравнения оценок дисперсии и сглаженной производной, т,е, на основании сравнения измеренных, реальных характеристик ис= следуемого процесса. 3. з.п. ф-лы, 4 ил.

1244693

Изобретение относится к телеизме, рениям и может быть использовано в автоматизированных системах контроля состояния окружающей среды °

Цель изобретения - повьппение достоверности передачи информации путем использования адаптивного алгоритма выбора степени полинома аппроксима-ции, На фиг ° 1 изображена функциональная 10 схема устройства; на фиг.2 - функциональная схема полосового фильтра; на фиг.3 — функциональная схема дифференцирующего блока; на фиг.4 — функциональная схема блока сравнения. 15

Устройство состоит из h -каналов, каждый из которых содержит датчик 1 параметра окружающей среды„ аналогоцифровой преобразователь (АЦП) 2, блок 3 синхронизации, блок 4 аппрок= 20 симаторов, полосовый фильтр 5, дифференцирующий блок 6, блок 7 согласования> квадратор 8, блок 9 сравнения, узел 10 кодирования и передачи, Блоки 4 аппроксиматоров (фиг,1) содержит аппроксиматор 11 полиномом нулевой степени, аппроксиматор 12 полиномом первой степени и переключатель 13.

Полосовые фильтры 5 (фиг,2) содер- ЗО жат цифровой синтезатор 14 частоты (й)

I перемножители 15 и 16, таймер 17, сумматоры 18 и 19, блок 20 вычисления модуля. Дифференцирующие блоки 6 (фиг ° 3) содержат счетчик 21, триггер 22, формирователь 23 и 24 импульсов, элементы И 25 и 26, элементы 27 и 28 задержки, элементы ИЛИ 29, счетчики 30 и 31 вычитатель 32, Блоки 9 сравнения (фиг.4) содержат 40 формирователь 33 импульсов, реверсивный счетчик 34, дешифратор 35, инвертор 36, первый 37, второй 38, третий

39 и четвертый 40 элементы И, первый

41 и второй 42 элементы ИЛИ, триггер 4 3 °

Блоки 3 синхронизации (фиг. 1) содер.жат генератор 44 импульсов, счетчик

45 46, Устройство работает следующим образом.

Иэ работ, рассматривающих алгоритмы фильтрации результатов наблюдений, реализующие аппроксимацию выделяемой информативной составляющей с помощью полиномов (полиноминальное сглаживание), следует, что дисперсия резуль,г г

=8 ° 8 ъ1

Ь и

Поскольку 6 „увеличивается с ростом 1, а 8 уменьшается, существует оптимапьное значение степени полинома, при котором квадрат полной погрешности минимален, Поскольку при обработке результатов метеорологических наблюдений характеристики шума и информативной составляющей априорно не известны, оптимизация фильтра в данном устрой55 стве осуществляется адаптивным путем

При этом, так как при переходе к полиному более высокой степени в процессе сравнения Ь и 6„„ выполнягатов фильтрации входного сигнала на. интервале времени (О, т) имеет вид: б; — K. (t) — T""

2 Г р (1) где Т вЂ” длительность интервала наблюдения процесса;

N — спектральная плотность белого шума, искажающего информативную составляющую;

К1,(1:) вЂ,коэффициент пропорциональности, определяемый степенью полинома и зависящий от момента времени t для которого в результате фильтрации оценивается значение информативной составляющей, Например, если результаты фильтрации используются для оценки значения информативной составляющей результата наблюдений к концу интервала обработки, т ° е ° С=I, то К,(Т)=1; к, (т)--4; к,(т)=9.

Другим источником погрешности фильтрации результатов наблюдения путем аппроксимации полиномом и-ой степени является сглаживание более быстрых изменений информативной составляющей, обусловленных отличием от нуля (и+1) -ой производной выделяемой составляющей. Среднее значение квадрата возникающей при этом погрешности можно оценить величиной и+ (2) где D„,, — среднее значение квадрата (и+1) -ой производной информативной составляющей, С учетом (1) и (2) среднее значе" ние квадрата полной погрешности имеет вид

244693 4 инициативе снизу (" Срочное" либо

"Штормовое" сообщение).

Полосовый фильтр 5 предназначен

° для выработки сигнала пропорциональ,ного спектральной плотности шума сигнала с выхода АЦП 2, причем централь( ная частота с,) полосового фильтра 5 вь!бирается достаточно высокой, чтобы можно было пренебречь влиянием сос10 тавляющей с выхода АЦП 2, Полосовый фильтр 5 работает следущим образом, Входная последовательность (несущая ийформацию о контролируемом про15 цессе) чисел U(i4t) с интервалом 6t поступает на входы перемножителей

15 и 16, на другие входы которых с цифрового .синтезатора 14 частоты поступают квантованные отсчеты гаррО монических опорных колебаний

- sin (), лС) и cos (M лt), учитывая (1) и (2), условие (4) (можно записать в эквивалентной форме е t+1 (n+t) (5) В предлагаемом устройстве датчика 1 контролируемого параметра окружающей среды (например, датчики гидрометеоэлементов, элементов загрязнения) вьдают непрерывные электрические 25 сигналы (ток, сопротивление, напряжение, сдвиг фазы и т.д,)> величины которых зависят от измеряемых параметров окружающей среды, Сигналы с выходов датчиков поступают на входы аналого-цифровых преобразователей 2, которые предназначены для преобразования электрических сигналов с выхода датчика 1 параметров окружающей среды в частотный (цифровой) сигнал, 35

Y)

Х = — L X

П

С выхода блока 3 синхронизации на вход АЦП 2, квадратора 8, блока

9 сравнения и узла 10 кодирования передачи поступают сигналы управления, которые синхронизируют все процессы 4 ) обработки и передачи информации. Сигналы с выходов АЦП 2 поступают на входы блока 4 аппроксиматоров, полосовых фильтров 5 и дифференцирующих блоков 6, Аппроксиматоры ll и 12 бло-4> ка 4 аппроксиматоров предназначены для определения коэффициентов >Ь с полиномов нулевой и первой степени

Рь (t)=а и P>(t)=b+ct таким образом, чтобы среднеквадратичная погрешность аппроксимации была минимальной, Информация с выходов блоков 4 апроксиматоров поступает на входы узла 10 кодирования и передачи сообще- . .ний, который предназначен для преобразования информации, формирования и вьдачи информации в канал связи по сигналу запроса от потребителя или по

sin(n 2 ьг. п sink—

3 ется соотношение 8„„ „, то величиной ()„,, в процессе этого сравнения можно пренебречь, Поэтому, в данном устройстве переход от аппроксимации полиномом п-ой степени к аппроксимации полиномом (n+1) — ой степени осуществляется при выполнении соотношения

N

Е (t) — K,(t) Результаты перемножения в виде последовательностей чисел Х,, Y, поступают на сумматоры 18 и 19, которые производят усреднение, накапливая на своих выходах числа Х и Y ° которые поступают на вход блока 20 вычисления модуля> который формирует выходной код в соответствии с выражеееем >. () = ГХ е + Y, либо более простое соотношения (,Д) = } Х1 + Y l; Z (4) = шах (X > Y$, Частотная характеристика Z(y) полосового фильтра 5 описывается соотношеЖ ем при малых расстрсйках я =1- .1,: где tY — полный объем усредненной выборки обычно (n о)1)

>.ь1=Т„Т„- время обработки, С этой периодичностью таймер 17 вырабатывает импульсы управления ра" ботой полосового фильтра 5, Сигналы с выходов полосовых фильтров 5 поступают на входы блоков 7 согласования, которые вырабатывают сигналы, пропорциональные спектральной мощности шума, в виде, необходимом для ра1244693 боты блоков 9 сравнения (в числоимпульсном коде) ° Дифференцирующие блоки 6 предназначены для выработки сигналов, пропорциональных первой сглаженной производной за время анализа Т и работают следующим образом. В исходном состоянии (цепи начальной установки, не показаны) счетчики 21, 30, 31 об- 10 нулены, состояние триггера 22 — любое (например,. единица) ° На вход счетчика

21 (делитель с постоянным коэффици-, ентом деления К)поступает последовательность числоимпульсных кодов, характеризующая измеренные значениягидрометеопараметров с периодичностью, определяемой режимами работы аналого-цифровых преобразователей 2.

На вход триггера 22 поступают сигна- 20 лы с вьгхода таймера блока 5, которые определяют режимы работы дифференциатора 6, За время Т на вход счетчика 21 поступит количество импуль-сов N,, 25

Т

N, = N

t=o где N — текущие значения с выходов ЗО

АЦП 2, С выхода счетчика 2! через элемент

И 25, на второй вход которого подано разрешение с единичного выхода тригN 35 гера 22, импульсы поступают на вход счетчика 30, После окончания времени Т триггер 22 переключается в противоположное, нулевое состояние, 40 формирователь 24 вырабатывает им пульс, который через элемент ИЛИ 29 поступает на вход вычитателя 32, на вьгходе которого сформируется код

Ng 45 — (поскольку в счетчике 31 было

К записано нулевое значение), l

Кроме того, импульс с выхода элемента ИЛИ 29 поступает на вход обнуления счетчика 21, установливая его в нулевое состояние, Импульс с выхода формирователя 24, пройдя через элемент 28 задержки, поступает на вход обнуления счетчика 31, подтверждая его нулевое состояние. Таким образом, к концу первого интервала Т в счетчике 30 находится сглаженное значение измеряемого параметра, Во время второго интервала Т указанный процесс повторяется и после второго интервала Т в счетчике 31 будет записано сглаженное значение иэмеряе-! (Npg мого параметра

К

После поступления импульса конца интервала Т на вход синхронизации вычитателя 32, на его выходе формируется значение кода4N

1 If

t!tI, - ВЦ

1 в параллельном коде, которое пропорционально первой сглаженной произ-.. водной. Значение кода ЬМ поступает на вход квадратора 8, который формирует на своем выходе код> величиной равной производной в виде необходимой для работы блока 9 сравнения в числоимпульсном коде), Блок 9 сравне.ния предназначен для сравнения значений сигйалов, поступающих с выходов блока 7 согласования с квадратора 8, принятия решения (на основании сравнения о том, коэффициенты какой степени, нулевой или первой, необходимо выдавать потребителю и выработки соответствующих сигналов, поступающих на аппроксиматор 4, Блок 9 работает следующим образом, Чтобы уменьшить число функциональных переключений при приближенном равенстве оценок дисперсии и квадрата сглаженной производной, блоки 9 срав.нения устроены и работают по гистере-. зисному принципу. На вход блоков 9 сравнения поступают в числоимпульсном коде оценки значений квадрата сглаженной производной А и спектральной плотности шума б, При поступлении с блока 3 управления импульса начальной установки счетчик 34 устанавливается в нулевое состояние. Вначале на суммирующий вход реверсивного счетчика 34 поступает код Д, Затем на вычитающий вход счетчика 34 поступает код В, Если Ь 4, то счетчик

34 обнуляется и сигнал разрешения с его выхода (< 0 1 поступает на вход элемента И 39, Формирователь 33 импульсов вырабатывает импульс после окончания кода В, который проходит через элементы И 39, ИЛИ 42 и устанавливает триггер 43 в состояние, которое соответствует аппроксимации полиномом нулевой степени.

1244693

В следующем такте работы, если

В < А то в зависимости от величины

t разности 5 =А-В единственный сигнал появляется либо на первом, либо на втором выходах дешифратора 35, При малой величине сигнал появляется на втором выходе дешифратора 35, Поэтому сигнал окончания кода с выхода формирователя 33 проходит через элементы И 38 и ИЛИ 42 íà S-вход 1О триггера 43,и подтверждает его прежнее. состояние, При большей величине

d. сигнал появляется на первом выходе дешифратора 35 ° Поэтому сигнал окончания кода В с выхода формирова- 15 уеля 33 проходит через элементы И 37 и ИЛИ 41 на R-вход триггера 43 и переводит его в положение, соответству. ющее аппроксимации полиномом первой степени, Таким образом, при увеличе- 20 нии спектральной плотности шума устройство уменьшает степень полинома, а при увеличении квадрата сглаженной первой производной — увеличивает степень полинома за счет соответствую- 25 щей коммутации переключателя 13 блока

4 аппроксиматоров ° Узел !О кодирования и передачи сообщений производит комплектование сообщений, выдает их в канал связи для передачи потребителю. 30

Преимущество предлагаемого устрой.ства по сравнению с известными заклю-, чается в повышении достоверности,информации, выдаваемой потребителю, за счет того, что характеристики исследуемого процесса аппроксимируются полиномом, степень которого определяется на основании сравнения оценок дисперсии и сглаженной производной, т.е, на основании сравнения измеренных, 40 реальных характеристик исследуемого процесса, Причем это сравнение и соответственно изменение степени аппроксимируемого полинома происходят постоянно, в то время как в устройстве — прототипе степень полинома определяется на основании сраннения погрешностей аппроксимации с заданными уставками, неизвестными для каждой степени полинома .

45

Формула изобретения

1. Адаптивное устройство для передачи информации, содержащее и каждом информационном канале датчик параметров, выход которого соединен с первым входом аналого-цифрового преобразователя, блок аппроксиматоров, выходы блоков аппроксиматорон инфармапионных каналов соединены с соответствующими первыми входами узла кодирования,и передачи, выход которого является выходом устройства> о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения достоверности информации, в каждый информационный канал устройства введены блок синхронизации, полосовый фильтр, блок согласования, дифференцирующий блок, квадратор и блок сравнения, выход аналого-цифрового преоб.— разователя соединен с первыми входами блока аппроксиматорон и дифференцирующего блока и с входом полосового фильтра, первый выход которого соединен с вторым входом дифференцирующего блока, выход которого соединен с первым входом квадратора, выход которого соединен с первым входом блока сравнения, второй выход полосового фильтра соединен через блок согласования с вторым входом блока сравнения, выход которого соединен с вторым входом блока аппроксиматоров, первый и второй выходы блока синхронизации соединены с вторыми входами соответственно аналого-цифрового преобразователя и квадратора, третий выход блока синхронизации соединен с третьим входом блока сравнения, четвертые выходы блоков синхронизации информационных каналов соединены с.соответствующими вторыми входами узла кодирования и передачи °

2, Устройство по п,1, о т л и ч а;ю щ е е с я тем, что полосовый фильтр содержит цифровой синтезатор частоты, перемножители, таймер, сумматоры и блок вычисления модуля, первый и второй выходы цифрового синтеЯатора частоты соединены с первыми входами соответственно первого и второго перемножителей, выходы которых соединены с первыми входами соответственно первого и второго сумматоров, выход таймера является первым выходом полосового фильтра и соединен с первым входом блока вычисления модуля и с вторыми нходами первого и второ" го сумматоров, выходы которых соединены соответственно с вторым и третьим входами блока вычисления модуля, выход которого является вторым выходом полосового фильтра, вторые входы первого и второго перемножителей объединены и являются входом полосового фильтра, 1244б93

3. Устройство по п,1, о т л и ч аю щ е е с я -ем, что дифференцирующий блок содержит счетчики, триггер, элементы И, элемент ИЛИ, элементы задержки, формирователи импульсов и вычитатель,„ выход первого счетчика соединен с перньпчи входами первого и второго элементов И, выходы которых соединены со счетными входами соотнетственно второго и третьего счетчиков„ выходы которых соединены соотнетстненчо с первым. и вторым сиг— нальными входами вычитателя, прямой выход триггера — непосредственно с вторым входом первого элемента И и через первый формирователь импульсовс входом первого элемента задержки и с первым входом элемента ИЛИ, инверсный выход триггера соединен непос— редственно с вторым входом второго элемента И и через второй формирона—

Гель HMlt !Tüсов - c входом второго элемента задержки и с нтсрым входом элемента И, выход .которого соединен с входом установки нуля первого счетчика и с. входом синхронизации вычитателя, ныхоц которого ян"1яется Выходом дифференцируюшего блока, выходы первого и второго .",лементон задержки

coB0å;o íû с входами vстанонки нуля соотнет="òF анно нторот о и третьего счетчиков, входы первого счетчика и триг BpR являются соответственно первым и вторым входами дифференциаующего блока,.

Устройство по п,I, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что блок сравнения содержит счетчик, дешифратор, элементы И, элементы ИЛИ, триггер, 5 инвертор и формирователь импульсов, информаиионные выходы счетчика соединены с. соответствующими входами дешифратора, первый и второй выходы которого соединены с первыми входами

10 соответственно первого и второго эле. ментов II выход обнуления счетчика соецинен непосредственно с первым входом третьего элемента И и через иннертор — с первым входом четвертого элемента И, выход формирователя импульсов соединен с объединенными вторыми входами элементов И, выходы гервого и четвертого элементов И сое динены с входами первого элемента

20 ИЛИ, выходы второго и третьего элементов И вЂ” с входами второго элемента ИЛИ, выход первого и второго элементов ИЛИ вЂ” соответственно с входами установки нуля и единицы тригге ра, прямой выход которого является выходом блока сравнения и соединен с третьими входами первого и второго элементов И, инверсный выход триггера соединен с третьим входом четвертого

30 элемента И, суммирующий вход и вход обнуления счетчика являются соответстненно первым и третьим входами блока сравнения, вход формирователя и нычитающий вход счетчика объединены и являются вторым входом блока сравнения

1244693

1244693

Составитель В. Федотов

Редактор И, Касарда Техред Л.Олейник Корректор В, Бутяга

Заказ 3920/53 Тираж 51 5 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий . 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб,, д ° 4/5 Производственно-полиграфическое предприятие, r, Ужгород, ул, Проектная, 4