Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Классификация информационных систем

2. Аналоговое и цифровое представление информации

2.1 Аналоговый сигнал

2.2 Дискретный сигнал

2.3 Цифровой сигнал

2.4 Аналогово-цифровое преобразование

3. Сжатие данных

3.1 Понятие сжатия данных

3.2 Классификация методов сжатия

3.2.1 Характеристики методов сжатия

3.3 Однопараметрические алгоритмы

3.3.1 Алгоритм линейной экстраполяции

3.3.2 Алгоритм линейной интерполяции

3.4 Алгоритмы двухпараметрической адаптации

4. Кодирование информации

4.1 Вычисление циклического кода

5. Анализ технического задания

Заключение

Список используемой литературы

Введение

На сегодняшний день, каналы передачи информации столь загружены, что приходиться применять системы сжатия, которые, уменьшая процент избыточной информации в коде, позволяют снизить нагрузку на линию. Многоканальные системы сжатия информации, характеризуются очень большой степенью сжатия информации, а также количеством параметров, разнообразных по своим физическим и статистическим характеристикам. Также можно отметить, что современные методы сжатия, использующие новые многопараметрические алгоритмы адаптации превосходят по своим характеристикам традиционные методы сжатия и существует тенденция к увеличению степени сжатия информации. Применение двухпараметрической и более алгоритмов адаптации позволяет увеличить степень сжатия информации, но повышает временные, технические и экономические затраты на операцию.

Также одной из важных задач при построении информационных систем является задача построения системы сбора и передачи информации, которая предназначена для сбора информации поступающей с датчиков и кодирование её в помехоустойчивый код перед передачей в канал связи. Задача осложняется правильным выбором помехоустойчивого кода, при котором неизбежно появление избыточной информации. Кроме того помехоустойчивый код должен обеспечивать достаточную вероятность правильного приёма информации.

1. Классификация информационных систем

Информационные системы можно классифицировать по различным признакам, причем каждую классификацию следует рассматривать как условную, т.к. каждая система в различные моменты времени, при различных условиях может быть отнесена как к одному виду так и к другому.

На рисунке 1.1. приведена классификация по 6 различным признакам.

Рис. 1 Классификация систем

Стационарными называются системы, характеристики которых не изменяются в течение определенного промежутка времени. Стационарным можно считать практически любой процесс (в определенный промежуток времени).

Открытыми считаются системы, взаимодействующие с окружающей средой (живые организмы, технические системы).

Стабильными называются системы, функции и свойства которых существенно не изменяются или изменяются в форме постоянно повторяющихся циклов под воздействием некоторых внешних факторов.

Системы, способные приспосабливаться ко внешней среде называются адаптивными.

Постоянными считаются системы, время жизни которых больше времени жизни человека, либо времени измерения.

Искусственными называются системы, возникшие в результате действий человека.

2. Аналоговое и цифровое представление информации

2.1 Аналоговый сигнал

Аналоговый сигнал - это непрерывный электрический сигнал напряжения, представляющий физический процесс (являющийся его аналогом), подобный свету, звуку или любой другой переменной. По своей природе многие сигналы являются непрерывными, это объясняется тем, что источники сообщений выдают информацию непрерывно, в любые моменты времени. Хотя аналоговый процесс более легок в понимании, он имеет много ограничений:

ь Шум и помехи - все электронные цепи и устройства производят некоторое количество случайного шума. Кроме того, существуют также внешние электромагнитные помехи. Так как аналоговый сигнал является непрерывной функцией, шум и помехи становятся частью сигнала и не могут быть полностью устранены.

ь Искажения - аналоговый сигнал зависит от пропорциональности между физическим процессом и соответствующим ему электрическим напряжением. Большинство аналоговых цепей является нелинейными, а это означает, что выходной сигнал полностью не соответствует входному. Обычно это положение нельзя полностью откорректировать. Кроме того, в большой системе эти искажения накапливаются. Во всех аналоговых цепях в результате влияния внешних факторов, подобно температурным изменениям, происходят небольшие изменения уровня сигнала. Они не могут быть исправлены, поскольку неотделимы от самих сигналов.

Аналоговое представление данных широко распространено в информационно-измерительных системах. В основном оно используется на этапе получения измерительной информации.

2.2 Дискретный сигнал

Дискретные сигналы естественно возникают в тех случаях, когда источник сообщений выдает информацию в фиксированные моменты времени. Например, устройство измерения температуры, связанное со световым табло, посылает сигнал на это табло в определенные промежутки времени. В других промежутках на табло высвечиваются другие параметры. Здесь ярко проявляется характер дискретного сигнала: в паузах нет никаких сведений об изменении информативного параметра. Таким образом, мы имеем дело не с непрерывным изменением параметра, а лишь с его значениями, отсчитанными через определенные промежутки времени. Подобный процесс называется дискретизацией непрерывного сигнала. Свойство дискретного сигнала - существовать лишь в определенные промежутки времени - позволяет организовать передачу по одной и той же линии (радиоканалу, паре проводов, оптическому волокну) сообщений от нескольких различных источников. Примером этого служит упомянутая выше передача на городское световое табло сведений от датчиков температуры. Особой разновидностью дискретных сигналов являются цифровые сигналы.

2.3 Цифровой сигнал

Цифровой сигнал - это последовательность импульсов. Если принять условно факт наличия импульса за 1, а факт его отсутствия за 0, то импульсную последовательность можно представить как чередование двух цифр: 0 и 1. Число, которое принимает только значение 0 и 1 называется "двоичной цифрой". Отсюда появился термин "цифровой сигнал".

Очевидно, что любое значение дискретного сигнала легко перевести в двоичное число. Поэтому цифровой сигнал можно рассматривать как закодированный двоичным кодом дискретный сигнал.

Цифровая система является более сложной, но она имеет много преимуществ по сравнению с аналоговой системой:

ь Точное представление - после того, как аналоговый сигнал преобразован в цифровой сигнал, его параметры можно поддерживать неизменными в пределах всей системы независимо от ее размеров (кроме случая, когда используется сжатие). Это происходит вследствие невосприимчивости цифровой системы к внешнему шуму и помехам.

ь Передача сигналов без потери информации - все системы передачи сигнала главным образом являются аналоговыми и имеют свойственные им проблемы шума и искажений. Однако для цифровых сигналов можно организовать защиту от ошибок, позволяя передавать цифровые сигналы без искажений.

ь Сложность процесса - в аналоговой системе для каждого шага сложного процесса обработки сигнала обычно требуется отдельная схема. В цифровой системе один центральный процессор может быть запрограммирован так, что используя соответствующее программное обеспечение он может выполнять различные шаги. Это позволяет цифровой системе обрабатывать намного больше процессов.

ь Низкая стоимость - стоимость производства интегральных схем для цифровых систем намного ниже, чем для аналоговых систем.

ь Память - хранение в цифровом виде было одним из первых применений цифровых сигналов. Цифровые сигналы могут быть запомнены в памяти с быстрым поиском. Эта память также делает возможным отображение сигналов в различных форматах, независимо от формата поступающего сигнала. Возможно отображение сигналов с различной разрешающей способностью.

2.4 Аналогово-цифровое преобразование

Аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) - электронное устройство, обеспечивающее преобразование аналогового сигнала в последовательность цифровых кодов. АЦП используются для ввода аналоговой информации в цифровые ИС или цифровое управляющее устройство. В большинстве случаев АЦП выполняют преобразование входного напряжения или тока в двоичный цифровой код. Преобразование аналогового сигнала происходит в определенные моменты времени, которые называются точками отсчета. Количество отсчётов за единицу времени определяет частоту дискретизации (преобразования), которая, в свою очередь, определяется быстродействием и условиями использования АЦП. В измерительной технике для преобразования медленно меняющихся процессов частота преобразования может быть установлена небольшой - единицы Герц и менее. В устройствах, где требуется преобразовывать сигналы в масштабе реального времени, частота преобразования выбирается из условия достижения максимальной точности восстановления цифрового сигнала в аналоговую форму.

Определяющими техническими характеристиками являются разрядность выходного цифрового сигнала и быстродействие.

В данное время наиболее часто используются следующие типы АЦП:

ь АЦП последовательного приближения (АЦППП), принцип работы, которого заключается в том, что входной аналоговый сигнал перед началом преобразования запоминается схемой выборки - хранения ВХ, что необходимо, так как в процессе преобразования необходимо изменение аналогового сигнала. Далее по команде "Пуск" с помощью сдвигового регистра последовательно во времени триггер, начиная со старшего разряда, переводит в положение 1 соответствующий разряд ЦАП. Напряжение U1 (или ток) с выхода ЦАП сравнивается с входным аналоговым сигналом с помощью компаратора. Если U0 > U1, на выходе компаратора сохраняется низкий уровень и в триггере сохраняется единица, при U0 < U1 срабатывает компаратор и переводит триггер в положение 0. После окончания цикла на выходах триггеров получается двоичный код, соответствующий (при идеальных элементах) U0 с точностью до половины младшего разряда. Данный способ построения АЦП имеет по сравнению с параллельным АЦП среднее быстродействие - типичное значение времени преобразования - 1...10 мкс, и среднюю точность - 10...14 двоичных разрядов. К недостаткам данного метода относится большая чувствительность к импульсным помехам, к достоинствам - хорошее согласование по времени измерения с типичными микропроцессорными системами, невысокая стоимость и сложность.

ь АЦП параллельного типа (АЦПП), принцип работы, которого заключается в том, что входная аналоговая величина с выхода схемы ВХ сравнивается с помощью 2n+1 - 1 компараторов с 2(2n-1) эталонными уровнями, образованными делителями из резисторов равного сопротивления. При этом срабатывают m младших компараторов, образующих на выходах схем "И-НЕ" нормальный единичный код, затем который с помощью специального дешифратора ДШ преобразуется в двоичный выходной сигнал. Основным достоинством данного типа АЦП является высокое быстродействие, достигающее десятков наносекунд.

3. Сжатие данных

3.1 Понятие сжатия данных

Понятие сжатия данных неразрывно связано с понятием адаптивного представления данных.

Адаптивным представлением измерительного сообщения называется такое представление, при котором его объем на последовательных интервалах представления автоматически изменяется на основе анализа свойств сообщения таким образом, чтобы при выбранном методе и заданной верности представления он был минимальным.

В общем случае необходимость в адаптации представления возникает тогда, когда измерительный процесс нестационарный, априорных данных недостаточно для описания изменения текущих свойств сообщения (процесса) на всем интервале времени.

В зависимости от вида используемого представления и характера нестационарности можно различать следующие виды адаптации:

ь по числу координат (степени полинома) на интервале представления и длине этого интервала; эти виды адаптации находят применение как при дискретных, так и при дискретно-квантованных представлениях, если нестационарность измерительного процесса вызвана изменением во времени статистических связей между текущими значениями процесса;

ь по объему (шагу квантования, разрядности кода) каждой передаваемой координаты; этот вид адаптации находит применение при дискретно-квантованных представлениях, если нестационарность вызвана изменением во времени одномерного закона распределения (динамического диапазона, шкалы, дисперсии) значений измерительного процесса или его математического ожидания.

Представление с адаптацией по числу координат и длине интервала представления могут быть выполнены в аппаратуре двумя методами:

ь путем адаптивной дискретизации, когда координаты адаптивного представления формируются из непрерывного исходного сообщения;

ь путем сжатия (уменьшения избыточности) сообщения по числу координат, когда координаты адаптивного представления формируются из дискретного исходного сообщения, например, в результате стирания некоторых координат.

При правильном выборе частоты первичной дискретизации этот метод приводит к тому же адаптивному представлению, что и адаптивная дискретизация. Поэтому выбор метода определяется удобством аппаратурной реализации.

В соответствии с определением адаптивного представления при сжатии сообщения формируется минимальное число координат, которое необходимо для восстановления исходного непрерывного сообщения на интервале представления с заданной допустимой погрешностью при выбранном виде представления и методе восстановления. Исключение любой из координат приводит к возрастанию погрешности сверх допустимой, добавление новых - к избыточности, поэтому координаты адаптивного представления называют существенными.

3.2 Классификация методов сжатия

Методы адаптивного представления могут быть применены для сжатия объема совокупности сообщений на основе использования изменяющихся взаимных статистических связей между процессами.

Представления со сжатием по объему каждой передаваемой координаты могут быть выполнены несколькими методами:

1. Адаптивные методы - могут приспосабливаться к статистическим изменениям.

ь адаптивное неравномерное квантование шкалы координат;

ь адаптивное неравномерное (статистическое) кодирование значений координат;

ь адаптивное нелинейное преобразование шкалы сообщения (с последующим равномерным квантованием и кодированием);

ь устранение неинформативной части сообщения.

2. Неадаптивные методы - не могут этого.

3. Необратимые методы - нет статистической обработки, одна реализация; нет априорных данных об измеряемом параметре.

4. Квазиобратимые - уменьшают число координат так, чтобы погрешность восстановления была не больше заданной.

3.2.1 Характеристики методов сжатия

Существует четыре критерия выбора необходимых отсчетов:

ь критерий равномерного приближения;

ь интегральных критерий;

ь среднеквадратический критерий;

ь вероятностно-зональный критерий.

При оценке эффективности используется равномерно-временная циклическая дискретизация. Каждому методу соответствует определенный алгоритм сжатия. Количественным показателем качества алгоритма сжатия является коэффициент сжатия. Коэффициент сжатия(K) - отношение объемов информации до и после сжатия.

k_сж = I₀ / I, [1]

где I₀, I соответственно объемы сообщения до и после сжатия.

В частном случае, когда число уровней квантования для всех координат одинаково,

k_сж = N_k0 / N_k,

где N_k0, N_k - число координат до и после сжатия на одинаковом интервале времени Т.

С точки зрения аппаратной реализации алгоритмы сжатия могут характеризоваться двумя параметрами:

ь Среднее число вычислений на одну координату сообщения;

ь Объем памяти, требуемый для хранения промежуточных результатов.

Общий параметр и для программной и для аппаратной реализации - время задержки при восстановлении информации.

ТЗ = ТА + ТН, [3]

гдe Т_А - время анализа поступившей выборки в устройстве сжатия с целью определения ее существенности; Т_Н - время накопления на приемной стороне существенных выборок, необходимых для правильного восстановления сообщения.

3.3 Однопараметрические алгоритмы сжатия данных

Наибольшее распространение получили алгоритмы с однопараметрической адаптацией по длине интервала представления (степени полинома). Эти алгоритмы обеспечивают автоматическое разбиение всего времени измерения на последовательные интервалы, длина каждого и которых определяется на основе анализа текущего сообщения, исходя из условия представления сообщения на этом интервале полиномом заданной степени с заданной допустимой погрешностью. При этом левая граница каждого очередного интервала фиксируется на правой границе предыдущего, а правая граница продвигается по мере поступления выборок сообщения до тех пор, пока обеспечивается допустимая погрешность приближения. Затем начинается новый интервал представления.

Апертура - поле допустимого отклонения выборки относительно аппроксимирующего полинома - удвоенное значение допустимой погрешности.

Качество алгоритмов при заданной степени восстанавливающего полинома в основном определяется способом построения полинома в процедуре проверки существенности выборок. В этом смысле алгоритмы можно разделить на группы:

ь экстраполяционные;

ь интерполяционные;

ь совмещающие интерполяцию и экстраполяцию.

3.3.1 Алгоритм линейной экстраполяции

Экстраполяционные алгоритмы по первым (n+1) выборкам вычисляют коэффициенты полинома Лагранжа степени n. Для каждой последней выборки вычисляется соответствующее значение при вычисленных коэффициентах и определяется погрешность, которая сравнивается с допустимой и принимается решение о значимости выборки.

Погрешность - это разность между фактической величиной и рассчитанной.

Функционирование устройства сжатия на передающей стороне:

Пусть в момент t₀ поступает выборка л₀.

л₀ Передается в линию связи и запоминается в ОЗУ.

Пусть в момент t₁ поступает выборка л₁.

л₁ запоминается в ОЗУ и передается в линию связи.

Вычисляется разделенная разность 1-го порядка

. [4]

Разность запоминается по месту л₁.

В момент t₂ поступает выборка л₂.

Вычисляется значение экстраполирующего полинома вида

- сам полином

- значение.

Вычисляется текущая погрешность экстраполяции

. [5]

Текущая погрешность сравнивается с допустимой.

Если текущая погрешность меньше или равна допустимой, то выборка отбрасывается как несущественная.

В момент t_k поступает выборка л_k, такая, что е(t_k)>е₀.

л_k передается в канал связи и запоминается в ОЗУ.

Интервал экстраполяции обрывается и принимается T = t_k-1 - t₀. Новый интервал начинается с t_k.

Новая прямая через рассчитанную л^*(t_k-1) и л_k.

На приемной стороне по первым двум выборкам вычисляется разделенная разность 1-го порядка . До прихода следующей существенной выборки на выход подаются значения

.

3.3.2 Алгоритм линейной интерполяции

Для интерполяции характерно накапливание (n+2) выборки. По (n+1) выборке (включая крайние) вычисляются коэффициенты аппроксимирующего полинома n-го порядка. Для оставшихся выборок рассчитывается погрешность.

Функционирование устройства сжатия на передающей стороне:

1. Пусть в момент t₀ поступает выборка л₀.

2. Эта выборка запоминается и передаётся в линию связи.

3. Пусть в момент t₁ поступает выборка л₁.

4. л₁ запоминается в ОЗУ, но не передаётся.

5. В момент t₂ поступает выборка л₂.

6. Выборка л₂ запоминается, но не передаётся.

7. Вычисляется разделённая разность первого порядка:

. [6]

Строится интерполяционный полином:

. [7]

8. Вычисляется значение полинома в точке t₁:

. [8]

9. Рассчитывается погрешность восстановления:

₁(t₁) = |^*₁(t₁) - ₁|. [9]

10. Текущая погрешность сравнивается с допустимой.

11. Если погрешность меньше допустимой, то в линию ничего не передаётся.

12. Пусть в момент t₃ приходит выборка л₃.

13. Выборка л₃ запоминается в ОЗУ, но не передаётся в линию связи.

14. Вычисляется разделённая разность:

. [10]

Строится интерполяционный полином:

^*₂(t) = ₀ + (t₃, t₀)(t - t₀).

15. Вычисляем значение интерполяционного полинома в точках t₁ и t₂:

^*₂(t₁) = ₀ + (t₃, t₀)(t₁ - t₀),

^*₂(t₂) = ₀ + (t₃, t₀)(t₂ - t₀).

16. Вычисляем две погрешности:

₂(t₁) = |^*₂(t₁) - ₁|,

₂(t₂) = |^*₂(t₂) - ₂|.

17. Погрешность сравнивается с допустимой погрешностью.

18. Если все погрешности лежат ниже допустимой, то в линию связи ничего не передаётся.

19. Пусть в момент t_k передаётся выборка л_k, причём такая, что интерполяционный полином

*_k(t) = ₀ + (t_k, t₀)(t - t₀)

не обеспечивает погрешность хотя бы для одной выборки лежащей внутри интервала интерполяции.

20. Интервал интерполяции обрывается и принимается равным T = t_k-1 - t₀, в линию связи передаётся выборка л_k-1.

На приемной стороне:

По полученным л₀ и л_k-1 строим интерполирующий полином:

^*(t) = ₀ + (t_k-1, t₀)(t - t₀).

Преимущество интерполяционного алгоритма по сравнению с экстраполяционным - коэффициент сжатия при интерполяции выше, а недостаток заключается в невозможности работы в реальном времени.

3.4 Алгоритмы двухпараметрической адаптации

Сочетают автоматический выбор интервала представления с автоматическим выбором степени приближающего полинома, причем совмещается и интерполяция и экстраполяция. Две схемы реализации:

1. Сначала выбирают оптимальный интервал представления, затем происходит наращивание выбор степени полинома.

2. Выбор интервала представления и степени полинома осуществляется при последовательном чередовании двух процедур: на один или несколько шагов увеличивается интервал представления; на одну или несколько единиц увеличивается степень полинома.

4. Кодирование информации

4.1 Вычисление циклического кода

Циклические коды относятся к числу блоковых систематических кодов, в которых каждая комбинация кодируется самостоятельно (в виде блока) таким образом, что информационные k и контрольные m символы всегда находятся на определенных местах.

Возможность обнаружения и исправления практически любых ошибок, при относительно малой избыточности по сравнению с другими кодами, а также простота схемной реализации аппаратуры кодирования и декодирования сделали эти коды широко распространенными.

Теория циклических кодов базируется на теории групп и алгебре многочленов над полем Галуа.

Многочлен (полином), который можно представить в виде произведения многочленов низших степеней, называют приводимым (в данном поле), в противном случае - неприводимым. Неприводимые многочлены играют роль, сходную с простыми числами в теории чисел. Неприводимые многочлены P(X) можно записать в виде десятичных или двоичных чисел, либо в виде алгебраического многочлена (табл.1).

Таблица 1 Неприводимые многочлены и их эквиваленты

P(X^1)=X+1>3>11	P(X^5)=X^5+X^3+X^2+X+1>47>101111
P(X^2)=X^2+X+1>7>111	P(X^5)=X^5+X^4+X^2+X+1>55>110111
P(X^3)=X^3+X=1>11>1011	P(X^5)=X^5+X^4+X^3+X+1>59>111011
P(X^3)=X^3+X^2+1>13>1101	P(X^5)=X^5+X^4+X^3+X^2+1>61>111101
P(X^4)=X^4+X=1>19>10011	P(X^6)=X^6+X+1>67>1000011
P(X^4)=X^4+X^3+1>25>11001	P(X^7)=X^7+X^3+1>137>10001001
P(X^4)=X^4+X^3+X^2+X+1>31>11111	P(X^8)=X^8+X^4+X^3+X^2+1>285>100011101
P(X^5)=X^5+X^2+1>37>100101	P(X^9)=X^9+X^4+1>1041>1000010001
P(X^5)=X^5+X^3+1>41>101001	P(X^10)=X^10+X^3+1>2057>10000001001

В таблице 1 указаны все неприводимые многочлены до пятой степени включительно, используемые для построения циклических кодов. Многочлены более высоких степеней приводятся лишь выборочно.

Многочлен в поле двоичных чисел называется неприводимым, если он делится без остатка на себя или на единицу; что касается многочленов приведенных в табл. 1, то это определение справедливо только для конечного поля двоичных чисел.

В основу циклического кодирования положено использование неприводимого многочлена P(X), который применительно к циклическим кодам называется образующим, генераторным или производящим многочленом (полиномом).

В качестве информационных символов k для построения циклических кодов берут комбинации двоичного кода на все сочетания. В общем случае, если заданную кодовую комбинацию Q(X) умножить на образующий многочлен P(X), получится циклический код, обладающий теми или иными корректирующими свойствами в зависимости от выбора P(X). Однако в этом коде контрольные символы m будут располагаться в самых разнообразных местах кодовой комбинации. Такой код не является систематическим, что затрудняет его схемную реализацию. Ситуацию можно значительно упростить, если контрольные символы приписать в конце кода, т.е. после информационных символов. Для этой цели целесообразно воспользоваться следующим методом.

1) Умножаем кодовую комбинацию G(X), которую мы хотим закодировать на одночлен , имеющий ту же степень, что и образующий многочлен P(X).

2) Делим произведение на образующий многочлен P():

[11]

где Q(X) - частное от деления; R(X) - остаток.

Умножая выражение (10) на P(X) и перенося R(X) в другую часть неравенства, согласно алгебры двоичного поля, т.е. без перемены знака на обратный получаем:

[12]

Таким образом, согласно неравенству (11), циклический код, т.е. закодированное сообщение F(X) можно образовать двумя способами:

1) умножением одной из комбинаций двоичного кода на все сочетания [комбинация Q(X) принадлежит к той же группе того же кода, что и заданная комбинация G(X)] на образующий многочлен P(X);

2) умножением заданной кодовой комбинации G(X) на одночлен , имеющий ту же степень, что и образующий многочлен P(X), с добавлением к этому произведению остатка R(X), полученного после деления произведения на образующий многочлен P(X).

5. Анализ технического задания

Требуется: разработать устройство сбора и обработки информации.

Система опрашивает 6 аналоговых 6 цифровых (разрядность 10) и 22 дискретных датчиков. Передача осуществляется в одном цифровом канале, зашумленном белым гауссовым шумом с ОСШ = 8dB. Необходимо обеспечить вероятность ошибочного приема 10^-18. Аналогово-цифровой преобразователь должен осуществлять преобразование с погрешностью не более 0.06%. Для реализации сжатия данных следует разработать блок сжатия данных с применением алгоритма экстраполяции второго порядка.

Для реализации блока сжатия однопараметрической адаптации с использованием экстраполяции 2-го порядка необходимо синхронизировать поступление текущих отсчетов в блок вычисления, для чего перед входом в БСД синтезируются устройство согласования вычислений, которое позволяет оперировать тремя текущими отсчетами одновременно. На выходе блока вычисления необходимо реализовать компаратор, который будет сравнивать вычисленное значение погрешности с допустимым и подавать сигнал на запись в память, если это значение больше допустимой погрешности.

Все элементы блока сжатия данных получают синхросигналы от тактового генератора прямоугольных импульсов одной частоты. Некоторые устройства необходимо подключить к тактовому генератору прямоугольных импульсов с делением частоты (1/70).

Блок сжатия реализуется методом экстраполяции 2-го порядка.

Аналоговые датчики предполагают использование АЦП. Возможно два варианта коммутации сигналов с аналоговых датчиков: до преобразования и после. Реализация первого варианта осуществляется с меньшими аппаратными затратами, второй вариант обеспечивает более высокую точность и быстродействие. В данной курсовой работе использован второй вариант.

Все сигналы перед коммутацией должны иметь одинаковую разрядность, поэтому сигналы отличающиеся разрядностью от разрядности АЦП дополняются нулями для получения 11-ти разрядного кода.

Кодирующее устройство

Так как передача осуществляется в одном цифровомканале, зашумленном белым гауссовым шумом с ОСШ равным 13dB, необходимо ОСШ перевести из [dB] в безразмерную величину. Для этого необходимо сделать расчеты.



Все расчёты производились в программе MathCad2000Pro. При расчёте вероятностей учитывается что полученный результат в 1000000 раз больше реального.

Нужно выбрать вероятность, меньшую заданной вероятности ошибочного приёма, так чтобы их разность была наименьшей.

Чтобы определить число информационных символов необходимо, чтобы выполнялось условие k n_ACP, где n_ACP - разрядность аналогово-цифрового преобразователя. Разрядность АЦП рассчитываем по формуле:

, [13]

где Ppreob - погрешность преобразования,

n_ACP - разрядность АЦП.

Полученное число округляем до 11. Получим n_ACP=11.

. [14]

Для определения количества информационных символов (k) воспользуемся таблицей:

Таблица 2 Параметры циклических кодов БЧХ

n	k	S	Образующий многочлен
7	4	1	13
15	11	1	23
	7	2	72
	5	3	2467
31	26	1	45
	21	2	3551
	16	3	107657
	11	5	5493325
	6	7	313365047
63	57	1	103
	51	2	12471
	45	3	1701317
	39	4	166623567
	36	5	1033500423
	30	6	1574641656547
	24	7	17323260404441
	18	10	1363026512351725

Исходя из заданного условия выбираем вероятность P(15,r)=, r=12. По формуле [14] рассчитываем S=3 k=5, но в этом сочетании не выполняется условие k n_ACP. Выбираем P(31,13)=. Рассчитываем S=7 k=6, но в этом сочетании не выполняется условие k n_ACP. Выбираем P(63,18)=. Рассчитываем S=10 k=18, условие k n_ACP выполняется образующим многочленом будет 1363026512351725.

Запишем образующий многочлен в двоичном коде:

аналоговый цифровой сжатие информация

001011110011000010110101001010011101001111010101

Блок сжатия данных

Экстраполяционный полином второго порядка имеет следующий вид:

. [15]

Для вычисления коэффициентов экстраполяционного полинома составим следующую систему уравнений:

При решении системы принимаем, что t0 = 0, t1 = 1, t2 = 2.

Решив эту систему относительно a, b, c запишем уравнения для вычисления коэффициентов экстраполяционного полинома:



По этим уравнениям составлена схема для вычисления коэффициентов с использованием арифметико-логических устройств.

Разработка структурной схемы.

Структурная схема системы сбора и обработки информации разрабатываемая в этой курсовой работе имеет следующий вид:

Рис. 2. Структурная схема системы сбора и обработки информации,

где БСД - блок сжатия данных, К - коммутатор,

БК - блок кодирования, БФК - блок формирования кадра, СУ - схема управления.

С аналоговых датчиков сигналы поступают на АЦП, который преобразует их в цифровые с разрядностью 11. Далее каждый преобразованный сигнал подаётся на свой блок сжатия данных, после чего они поочерёдно коммутируются коммутатором К1.

Каждый из цифровых сигналов поступает на свой БСД, после чего сигналы поочерёдно коммутируются коммутатором К3.

Так как не имеет смысла подавать на БСД двоичные сигналы, то можно сгруппировать их. Группируем первые 11 и подаём их на БСД13. Группируем с 12 по 22 и подаём на БСД14, после чего сигналы поочерёдно коммутируются коммутатором К4.

К2 поочерёдно коммутирует на БК сигналы пришедшие с К1, К3, К4.

БК производит кодирование информации и выдаёт закодированные данные на БФК.

БФК формирует из параллельного кода последовательный и выдаёт последний в канал связи.

Разработка функциональной схемы.

Блок сжатия данных

На коммутатор SW₁ поступают данные для сжатия. Выборки производятся по приходу сигналов f_т/70 . При приходе первого тактового импульса SW₁ опрашивает канал с адресом 0. Регистр RG₂ запоминает выборку ₀. Как только счётчик СТ₁ досчитает до одного (прийдёт второй синхроимпульс) и это обнаружит компаратор ==₁, который выдаст единицу, триггер Т₁ установится в единицу, что будет служить сигналом того, чтобы SW₁ начал опрашивать канал с адресом 1.

Выборки ₀, _{1 2} и _i формируются по приходу импульсов С0, С1, С2 и Сi соответственно на регистры RG₂, RG₃, RG₄ и RG₆.

При помощи арифметических устройств MUL_1…8, SM_1,2,3 формируем нужные нам коэффициенты, складываем их и получаем _i^*.

Регистр RG₆, работающий по заднему фронту, запоминает _i-1^* выборку по приходу импульса Сi.

При помощи вычитателя SUB₁ вычисляется разность между _i^* и _i. Эта разность берётся по модулю и сравнивается при помощи компаратора ==₂ с допустимой погрешностью.

С самого начала импульс С0 вырабатывается при приходе первого синхроимпульса, импульс С1 при приходе второго синхроимпульса, импульс С2 при приходе третьего синхроимпульса, импульс Сi при приходе i-го синхроимпульса. После прихода 4-го синхроимпульса импульсы С0, С1 и С2 перестают подаваться до прихода сигнала RST2.

В канал связи данные передаются только при наличии одного из сигналов С0, С1 или С2, что осуществляет логический элемент 1₁.

При приходе выборки _i, такой что модуль разности между _i^* и _i станет больше допустимой погрешности компаратор ==₂ выдаст единицу и если это не ₀ или ₁ или ₂, то ждущий мультивибратор G1₁ выработает сигнал сброса RST2.

По приходу сигнала RST2, _i-1^* запоминается регистром RG₂ как ₀, а _i^* регистром RG₃ как ₁ и следующая выборка (_i+1) регистром RG₄ как ₂. Далее процесс повторяется.

Схема управления блоком сжатия данных

Счётчик СТ₂ вырабатывает индексы i в зависимости от номера пришедшего на него синхроимпульса (f_т/70) и сбрасывается с приходом сигнала RST2.

Счётчик СТ₃ подсчитывает синхроимпульсы и как только число пришедших импульсов станет больше двух, компаратор ==₃ выработает единицу, что приведёт к установке в единицу триггера Т₂, после чего на него ничего больше не подаётся ("отключение" осуществляется логическим элементом &₂). Это необходимо для того, чтобы сначала выборка ₀ запоминалась в момент времени t₀ (по приходу 1-го синхроимпульса и импульса С0), а затем только тогда, когда будет нужно.

Счётчик СТ₄ подсчитывает синхроимпульсы. Если на выходе счётчика 00 (пришёл первый синхроимпульс), то, при наличии единицы на инверсном выходе триггера Т_2, выдаётся сигнал С0. Если на выходе счётчика 01 (пришёл второй синхроимпульс), то выдаётся сигнал С1, а при наличии единицы на прямом выходе триггера Т_2, в это же время выдаётся импульс С0. Если на выходе счётчика 10 (пришёл третий синхроимпульс), то выдаётся сигнал С2. Если на выходе счётчика 11 (пришёл четвёртый синхроимпульс), то выдаётся импульс Сi и одновременно выключается счётчик СТ₄ с помощью &₅.

Блок коммутации

С помощью АЦП аналоговые сигналы преобразуются в цифровые, а затем последовательно опрашиваются с помощью коммутатором, в качестве которого выступает мультиплексор MUX₁. Так как число опрашиваемых каналов 6 для управления их коммутацией потребуется трёх-разрядный двоичный адрес.

MUX₁ управляется трёх-разрядным счётчиком СТ₁. Если на выходе счётчика 000, то опрашивается нулевой канал. Если на выходе счётчика 001, то опрашивается первый канал и так далее до того, пока на выходе счётчика не появится 101. В это время, с помощью логических элементов "не" и "и", триггер Т₁ устанавливается в единицу. Эта "единица" сбрасывает счётчик СТ₁ и одновременно разрешает проход счётных импульсов к счётчику СТ₂.

После того, как опрошены все аналоговые сигналы, должны опрашиваться цифровые сигналы. В этом случае роль коммутатора играет мультиплексор MUX₂. Так как число опрашиваемых каналов 6 для управления их коммутацией потребуется трёх-разрядный двоичный адрес.

MUX₂ управляется трёх-разрядным счётчиком СТ₂. Если на выходе счётчика 000, то опрашивается нулевой канал. Если на выходе счётчика 001, то опрашивается первый канал и так далее до того, пока на выходе счётчика не появится 101. В это время, с помощью логического элемента "и", триггер Т₂ устанавливается в единицу. Эта "единица" сбрасывает счётчик СТ₂ и одновременно разрешает проход счётных импульсов к счётчику СТ₄.

После того, как опрошены все цифровые сигналы, должны опрашиваться двоичные сигналы. Здесь роль коммутатора играет мультиплексор MUX₄. Так как число опрашиваемых каналов 2 для управления их коммутацией потребуется одно-разрядный двоичный адрес.

MUX₄ управляется двух-разрядным счётчиком СТ₂. Если на выходе счётчика 00, то опрашивается нулевой канал. Если на выходе счётчика 01, то опрашивается первый канал. При появлении на выходе 10, с помощью логических элементов "не" и "и", сигнал проходит на ждущий мультивибратор G1₃, который выдаёт единичный импульс RST1, который служит сигналом сброса для счётчиков СТ₃, СТ₄ и для триггеров Т₁ и Т₂.

Выходы MUX₁, MUX₂ и MUX₄ должны последовательно опрашиваться и коммутироваться на блок кодирования. Для этого служит мультиплексор MUX₃.

MUX₃ управляется с помощью двух-разрядного счётчика СТ₃. На счетчик подаются с помощью логического элемента "или" сигналы с ждущих мультивибраторов G1₁ и G1₂, которые вырабатываются во время установок триггеров Т₁ и Т₂ соответственно в единицу.

Блок кодирования

Для нашей схемы кодирования образующий многочлен в двоичном коде выглядет так:

001011110011000010110101001010011101001111010101

Перепишем его в виде:

По этому выражению строим вспомогательную схему:



Рис. 3 Блок кодирования.

С помощью этой схемы разрабатывается функциональная схема блока кодирования.

Блок кодирования преобразует двоичный код в циклический. Образование циклического кода состоит из двух операций: умножения комбинации обычного двоичного кода на одночлен и последующего деления этого произведения на выбранный образующий многочлен. Полученные в остатке от деления контрольные символы приписываются к кодируемой комбинации. Таким образом кодирующее устройство должно совмещать функции умножения и деления.

В соответствии с вышеизложенным схема кодирования снабжается обратной связью, которая отключается после прохождения 17 (считая с нуля) информационных символов.

Отключение обратной связи осуществляется с помощью счётчика СТ₅, компаратора ==₁ и логического элемента "и", служащего ключём. Счётчик СТ₅ подсчитывает количество пришедших синхроимпульсов (с частотой f_т), и как только их количество превысит число 17, компаратор ==₁ выдаст "0" и на выходе логического элемента "и" устанвится "0", который и отключает обратную связь. Процесс повторяется с приходом импульса с частотой f_т/70.

Блок формирования кадра

Для преобразования параллельного кода, состоящего из адресов каналов, в последовательный служит сдвиговый регистр RG₁. По сигналу V1 в регистр разрешается запись. Счётчик СТ₆ считает пришедшие на него (с частотой f_т/70) импульсы. Как только он досчитает до 13 (начиная с нуля), компаратор ==₂, установится в единицу, которая сбросит счётчик. В это же время триггер Т₆₀ установится в единицу, которая разрешит проход импульсов f_т через элемент &₈. Всё это нужно для того, чтобы адреса подавались на выход устройства после данных.

На выход регистра сигналы выдаются по приходу синхроимпульсов с элемента &₈. Эти импульсы подсчитывает счётчик СТ₇. Как только он досчитает до 6 (начиная с нуля), компаратор ==₃, установится в единицу, которая сбросит счётчик СТ₇ и триггер Т₆₀, после чего процесс повторяется.

Заключение

При выполнении курсового проекта было разработано устройство сбора и обработки информации. Аналогово-цифровой преобразователь имеет погрешность преобразования 0,05%. Устройство обеспечивает вероятность ошибочного приёма информации . Основные блоки: блок сжатия данных, блок коммутации, блок кодирования и блок формирования кадра. При разработке блока сжатия данных был использован алгоритм экстраполяции второго порядка.

Анализируя проделанную работу, можно сделать вывод, что даное устройство имеет хорошее быстродействие (коммутация с аналоговых датчиков происходит после преобразования), но это требует больших аппаратных затрат. Также синхронизация работы всех элементов схемы требуют больших временных и аппаратных затрат.

Список используемой литературы

1. Чье Ен Ун Электроника: Учеб. пособие для студентов вузов спец. "Управление и информатика в технических системах". - Х.: изд-во ХГТУ, 2002. - 98 с.

2. Адаптивные системы сбора и передачи аналоговой информации. Основа теории/ А. Н. Дядюнов, Ю. А. Онищенко, А. И. Сенин. - Машиностроение, 1988. - 288 с.

3. Тутевич В.Н. Телемеханика: Учеб. пособие для студентов вузов спец. "Автоматика и телемеханика". - 2-е издание перераб. и доп. - М. :Высш. Шк., 1985. - 423 с.: ил.

Размещено на Allbest.ru