Содержание к диссертации
Стр.
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА I. ОСНОВНЫЕ ПУТИ СОЗДАНИЯ СПИ С АДАПТИВНОЙ
ДИСКРЕТИЗАЦИЕЙ .V. 12
Модель сообщения и критерии верности 12
Анализ развития методов адаптивной дискретизации 14
Х.З. Структурные схемы адаптивной СПИ. Задачи ана
лиза и синтеза систем с адаптивной выборкой.
Критерии оптимальности СПИ 17
1.4. Статистический анализ апертурних АСД 25
1.4.1. Непрерывное время 26
Полиномиальный предсказатель 26
Интерполятор нулевого порядка 31
Интерполятор первого порядка с непрерывной восстанавливающей функцией 32
Интерполятор первого порядка с разрывной восстанавливающей функцией 34
Предсказатель с оптимальной функцией .... 36
1.4.2. Дискретное время 40
ВЫВОДЫ 43
ГЛАВА 2. ОЦЕНКА ПОГРЕШНОСТЕЙ ВОССТАНОВЛЕНИЯ СООБЩЕНИЙ В „
СИСТЕМАХ С РАВНОМЕРНОЙ ЖСКРЕТЮАШЕЙ И МАПТИВНОЙ
ВЫБОРКОЙ ПРИ БЕСКАДРОВОИ СТРУКТУРЕ ИНФОРМАЦИИ В
КАНАЛЕ СВЯЗИ ШСОКОГО КАЧЕСТВА .ТТ. 44
Общие положения 44
Методика оценки результирующей погрешности восстановления в системе с апертурними АСД . 45
Оценка погрешностей восстановления в СПИ с линейными апертурними АСД 49
СПИ с ПО 50
СПИ с ПІ 55
СПИ с ИНП 62
СПИ с ИПН 65
СПИ с ИПР 70
2.4. Оценка погрешности восстановления в цикличес*
кой СПИ 75
2.5. Сравнительный анализ погрешностей восстановлен
ния в системах с равномерной дискретизацией и
адаптивной выборкой 76
ВЫВОДЫ 80
ГЛАВА 3. ОШНКА КАНАЛЬНЫХ ПОГРЕШНОСТЕЙ В АДАПТИВНОЙ И
ІЩЛЖЕСКОИ СПИ 77. 81
Общие положения 81
Методика оценки канальной погрешности в системе с апертурными АСД 81
Оценка канальных погрешностей в СПИ с линейны-
ми апертурными АСД 85
3.3.1. Бескадровая структура информации в канале
связи 85
СПИ с ПО 85
СПИ с ПІ 87
СПИ с ИНП 88
СПИ с ИПН 90
СПИ с ИПР 91
3.3.2. Кадровая структура информации в канале связи 93
Оценка канальной погрешности в циклической СПИ 94
Сравнение канальных погрешностей в адаптивной
и циклической системах 96
3.6. Влияние приема со стиранием на помехоустойчи
вость адаптивных систем 98
ВЫВОДЫ 102
ГЛАВА 4. ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ АДАПТИВНОЙ И ЦИКЛИЧЕСКОЙ СПИ 104
Общие положения 104
Выбор параметров СПИ по критерию минимума 0Т 108
Циклическая СПИ 109
Адаптивная СПИ с линейными апертурними АСД . НО
Бескадровая структура информации в канале связи НО
Кадровая структура информации в канале
связи 115
Параметрическая оптимизация СПИ по критерию минимума R 119
Параметрический синтез СПИ по критерию минимума Jc_ 120
4.5. Выбор ограничений на независимые переменные
при оптимизации СПИ 122
Определение среднеквадратической частоты процесса через интервал корреляции 124
Исследование системы передачи измерительной информации с адаптивной выборкой по критерию минимума 8J 125
Анализ устойчивости алгоритмов параметрического синтеза циклической и адаптивной систем ... 128
ВЫВОДЫ 131
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 133
ЛИТЕРАТУРА 136
ПРИЛОЖЕНИЕ I 145
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 179
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 181
ПРИЛ0ЖЕНИЕ4 185
ПРИЛОЖЕНИЕ 5 213
ПРИЛОЖЕНИЕ б 220
Введение к работе
В решениях ХХУІ съезда КПСС указано на необходимость "обеспечить совершенствование вычислительной техники, ее элементной базы и математического обеспечения, средств и систем сбора,передачи и обработки информации" [I, с.146] .
Важнейшими звеньями автоматизированных систем научных исследований и производственных испытаний являются системы передачи измерительной информации (СПИ), позволяющие автоматизировать процессы сбора, обработки и регистрации результатов эксперимента. Проектирование и эксплуатация таких систем требуют больших материалов затрат. Поэтому разработка методов анализа и синтеза СПИ имеет первостепенное значение.
Важнейшей задачей, которую необходимо решать с помощью СПИ, является переработка все возрастающих объемов данных в условиях постоянного повышения требований к точности и быстродействию процессов обработки. Увеличение пропускной способности СПИ за счет повышения ее энергоемкости, усложнения кодирующих и декодирующих устройств не всегда целесообразно, так как системы телеметрии отличает значительная избыточность передаваемых данных. Это определяется следующими причинами:
система строится в расчете на стационарное сообщение и поэтому частота дискретизации находится по экстремальным характеристикам сообщения, в общем случае нестационарного;
расчет частоты выборок часто производится приближенными методами, при этом дается верхняя оценка частоты дискретизации;
при равномерной выборке отсчетов между ними существует достаточно большая корреляция.
По оценкам Д.Вебера [2J (90*95)% объема телеметрических данных
являются избыточными, т.е. не несут существенной для получателя информации. В работе [3] отмечается, что в ряде случаев удается добиться сокращения объема данных в десятки раз.
Средством более эффективного использования полосы частот ка- -нала связи (увеличения числа обслуживаемых каналов, уменьшения затрат мощности сигнала на единицу информации, уменьшения погрешности восстановления сообщений) является построение СПИ с адаптивной дискретизацией. За счет учета нестационарного характера сообщений в адаптивной СПИ (АСПИ) могут быть существенно снижены суммарные требования совокупности источников к пропускной способности канала связи [4-8] , повышена эффективность функционирования оборудования. В конечном итоге это позволяет получить определенный экономический эффект.
Известен ряд работ, например [4-12] , посвященных анализу и синтезу систем со сжатием данных. Однако в этих работах либо анализируются системы с одним выбранным алгоритмом дискретизации,либо делается предположение о независимости нормальных и аномальных погрешностей. При этом отсутствует усреднение составляющих результирующей погрешности на случайном интервале времени.
Адаптивная СПИ является специфичной по цели функционирования, типу каналов связи, ограничениям на возможности подсистем. С учетом этой специфики несомненно актуальным является изучение особенностей и методов разработки систем с адаптивной дискретизацией.
Предметом диссертационной работы является область проектирования дискретных систем передачи информации, связанная с разработкой и исследованием методов анализа и синтеза СПИ со сжатием данных, позволяющих осуществить эффективную передачу измерительной информации по каналам связи. Эффективность обеспечивается оптимальным выбором параметров системы в соответствии с принятым кри-
тернем качества ее функционирования. Основными характеристиками, определяющими эффективность СПИ при обработке непрерывных сообщений, являются затраты энергии на передачу единицы информации, скорость передачи информации, среднеквадратическая погрешность восстановления, задержка передаваемых сообщений, стоимость и надежность передачи.
Целью настоящей диссертации является разработка методов статистического анализа и параметрического синтеза класса многоканальных СПИ с апертурными алгоритмами сжатия данных (АСД), использующими критерий равномерного приближения.
Для этого необходимо:
- установить требования и ограничения к адаптивной и цикли
ческой системам, определить критерии их эффективности;
« разработать методику и провести с ее использованием анализ качества функционирования различных вариантов адаптивной системы;
разработать программные средства параметрической оптимизации систем с устранением избыточности по принятым критериям эффективности;
на основе разработанных программ решить практические задачи исследования адаптивных систем передачи измерительной информации по каналам связи с учетом наложенных на них ограничений;
в качестве альтернативы провести анализ и синтез циклической системы;
осуществить экспериментальные исследования для проверки правильности полученных теоретических результатов.
Материал диссертационной работы изложен в четырех главах. В главе I:
- рассмотрены и проанализированы основные направления развития
методов устранения естественной избыточности сообщений. Показана
целесообразность использования для целей сжатия данных методов адаптивной дискретизации. Рассмотрены известные методы исследования систем передачи измерительной информации с адаптивной дискретизацией;
выбраны модель сообщения и структура АСПЙ. Рассмотрены ее специфические особенности» Выбраны критерии оценки эффективности системы. Сформулирована задача исследования;
для гауссовой локально-стационарной модели сообщения определены статистические характеристики линейных апертурних АСД и предсказателей с оптимальными функциями (ПОФ). С помощью имитационного моделирования на ЭВМ проведено экспериментальное исследование полученных результатов.
В главе 2:
предложена методика оценки результирующей среднеквадрати-ческой погрешности восстановления сообщений в СПИ с апертурными АСД при бескадровой структуре информации в канале связи высокого качества;
получены оценки сверху погрешностей восстановления в системе с линейными апертурными АСД при обработке нормальных процессов с гауссовой корреляционной функцией;
получены выражения оценок сверху аномальных погрешностей в адаптивной системе, обусловленных потерями и задержками сообщений из-за конечной емкости буфера;
получена оценка сверху погрешности восстановления в циклической СПИ для каналов связи высокого качества;
проведено сравнение погрешностей восстановления в системах с равномерной дискретизацией и адаптивной выборкой.
В главе 3:
- предложена методика оценки канальной погрешности в СПИ с
апертурными АСД при независимых ошибках в канале связи;
получены оценки сверху канальных погрешностей в СПИ с линейными апертурными АСД для бескадровой и кадровой структур информации в канале связи;
найдены оценки канальной и результирующей погрешностей восстановления в циклической системе;
проведено сравнение канальных погрешностей в адаптивной и циклической системах;
проведен анализ влияния приема со стиранием на значение канальной погрешности в адаптивной СПИ.
В главе 4:
сформулированы требования к адаптивной и циклической системам, подлежащим параметрическому синтезу;
найдены целевые функции и ограничения для параметрической оптимизации по критерию минимума результирующей относительной среднеквадратической погрешности восстановления сообщений (критерий минимума * ) различных вариантов циклической и адаптивной СПИ при обработке нестационарных источников для фиксированных значений технической скорости передачи R и вероятности Р искажения элементарного символа в канале связи;
разработана методика параметрического синтеза систем по критериям минимума требуемой технической скорости передачи в канале связи (критерий минимума R ) при фиксированных значениях 0*^ и Р и минимума затрат мощности сигнала на единицу информации (крите-
рий минимума —- ) при фиксированных значениях О Е и R ; No
- разработан комплекс прикладных программ параметрической оп
тимизации адаптивной и циклической систем передачи измерительной
~2 информации по каналам связи на основе критерия минимума 0Z ;
- разработаны алгоритмы расчета статистических характеристик
систем;
рассмотрен пример параметрического синтеза АСПИ и ЦСПИ;
даны рекомендации по выбору алгоритма дискретизации в зависимости от уровня ошибок в канале связи;
проведен анализ устойчивости алгоритмов параметрической оп-химизации систем.
В приложениях 1-5 приведены блок-схемы имитационного моделирования АСД, выражения для расчета буфера, вспомогательные материалы анализа АСПИ, результаты решения практических задач параметрической оптимизации систем передачи измерительной информации по критерию минимума 0s, результаты анализа устойчивости получаемых оптимальных решений.
Результаты теоретических исследований диссертационной работы доведены до выражений, пригодных для инженерных расчетов информационных и технических характеристик систем передачи и регистрации измерительной информации на этапе их проектирования с использованием разработанных программных средств. Алгоритмы анализа и имитационного моделирования подсистем, а также синтеза систем, реализованы на языке ФОРТРАН ІУ в ОС ЕС ЭВМ.
Акты о внедрении результатов диссертационной работы приведены в приложении б.
В основу диссертационной работы положены результаты исследований, выполненные автором в соответствии с планами научно-исследовательских работ лаборатории оптимальной обработки данных ВЦ СО АН СССР и с планами предприятия п/я Г-4736 согласно приказа министерства, а также результаты работ, выполненные в рамках научно-технического содружества между предприятиями п/я Г-4736 и п/я В-2645.
По результатам исследований опубликовано 7 печатных работ.
Вклад соавторов работ можно оценить как равный. Основные положения диссертационной работы, выносимые на защиту:
- методика анализа и параметрического синтеза систем передачи
и регистрации измерительной информации с линейными апертурными
АСД по критериям минимума О г , R и -—* »
- целевые функции для параметрической оптимизации циклической
и адаптивной систем с линейными апертурными АСД по критерию минимума 0 при обработке нормальных процессов с гауссовой корреляционной функцией и независимых ошибках в канале связи;
метод повышения помехоустойчивости систем с линейными апертурными АСД, основанный на приеме со стиранием кодовых комбинаций, переданных по каналам связи;
программная реализация параметрической оптимизации циклической и адаптивной СПИ с линейными апертурными АСД по критерию минимума 0*2- ;
вопросы исследования устойчивости получаемых оптимальных решений к вариации параметра гауссовой корреляционной функции процесса.
