Исследование адаптивных систем передачи измерительной информации

В решениях ХХУ1 съезда КПСС указано на необходимость «обеспечить совершенствование вычислительной техники, ее элементной ба~ зы 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 [2] (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 анаг-лизируются 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 критерием 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 циклической 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 дио-кретизацией;

— выбраны модель сообщения и структура АСПИ. Рассмотрены ее специфические особенности" Выбраны критерии оценки эффективности системы. Сформулирована задача исследования;

— для гауссовой локально-стационарной модели сообщения определены статистические характеристики линейных апертурных 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 Я 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 Я) при фиксированных значениях и Р и минимума затрат мощности сигнала на единицу информации (крите.

Р г" рий минимума —) при фиксированных значениях 0? и к ;

N0.

— разработан комплекс прикладных программ параметрической оптимизации адаптивной и циклической систем передачи измерительной информации по каналам связи на основе критерия минимума Ох ;

— разработаны алгоритмы расчета статистических характеристик систем;

— рассмотрен пример параметрического синтеза АСПЙ и ЦСПИ;

— даны рекомендации по выбору алгоритма дискретизации в зависимости от уровня ошибок в канале связи;

— проведен анализ устойчивости алгоритмов параметрической оп~ тимизации 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, 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 1У 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 мини*" стерства, 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, и «.

N0.

— целевые функции для параметрической оптимизации циклической и адаптивной систем с линейными апертурными АСД по критерию минимума §*? 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 5.

— вопросы исследования устойчивости получаемых оптимальных решений к вариации параметра гауссовой корреляционной функции процесса.

выводы.

1. Сформулированы ограничения на характеристики сигнала, канала связи и параметры адаптивной и циклической систем, подлежащих параметрической оптимизации.

2. Получены целевые функции для параметрического синтеза по критерию минимума АСПИ с линейными апертурными АСД и ЦСПИ при наличии символьной, словной и кадровой синхронизации, а также адаптивной системы при бескадровой структуре информации в канале связи. Целевые функции приведены для нормальных нестационарных источников с гауссовой корреляционной функцией и биномиальной модели потока ошибок в канале связи. В адаптивной СПИ рассмотрен прием со стиранием отдельно информационной и адресной частей кодового слова. В циклической системе целевые функции найдены для беэызбыточного кодирования и приема со стиранием кода параметра.

3. Разработана методика параметрической оптимизации систем пеп Рс редачи измерительной информации по критериям минимума К и —т1- с.

Ыо использованием выражений для относительных среднеквадратических погрешностей восстановления различных вариантов ЦСПИ и АСПИ.

4. Получены выражения для выбора ограничений на независимые переменные целевых функций при синтезе адаптивной и циклической СПИ.

5. Показана возможность определения среднеквадратической частоты процесса через его интервал корреляции.

6. Разработан комплекс прикладных программ, с помощью которого решены практические задачи оптимизации по критерию минимума систем передачи измерительной информации с адаптивной выборкой и циклической СПИ. Показано, что для значений вероятности искажения элементарного символа в канале связи Р ^ 10″ «^ наиболее эффективна АСПИ с ИНПдля значений Р 4 Ю» *^ наименьшую погрешность воестановления обеспечивают системы с ИПН и ИПРпри обработке нестационарных сообщений для вероятностей Р 4 ЦСПИ^ предпочтительнее ЦСПИцсистемы АСПИ^ и АСПИ^ обладают примерно равной эффективностьюпри обработке нестационарных сообщений с коэффициентом нестационарности? = 10 использование адаптивной системы вместо циклической позволяет получить выигрыш в зависимости от условий задачи в пределах Кц? = (17,140), К^ ц = (8,180), возрастающий с увеличением коэффициента нестационарности.

7. Показана устойчивость оптимальных решений рассмотренного в работе класса систем передачи измерительной информации по каналам связи к вариации среднеквадратической частоты обрабатываемого процесса. Установлено, что при изменении среднеквадратической частоты процесса на 20% относительное изменение экстремума целевой функции в классе циклических систем максимально для ЦСПИц и не превышает 36%. Соответственно в классе адаптивных систем наибольшей чувствительностью обладает АСПИ^ с ИПН. При этом относительное изменение экстремума целевой функции не выше 49%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе получены следующие наиболее важные результаты:

1. Проведен анализ развития методов устранения естественной избыточности сообщений в системах телеметрии, выделены основные задачи анализа и синтеза систем с адаптивной выборкой. Определены требования, ограничения и критерии эффективности адаптивной и циклической систем.

2. Разработана методика оценки результирующей среднеквадрати-ческой погрешности восстановления сообщений в АСПИ с апертурными алгоритмами сжатия данных, учитывающая ошибки дискретного представления, канала связи и ошибки из-за потерь и задержек в буфере. Найдены оценки сверху погрешностей восстановления в СПИ с линейными апертурными алгоритмами сжатия данных и в ЦСПИ для биномиальной модели потока ошибок в канале связи при использовании временной синхронизации. Аналогичные оценки определены в адаптивной системе для бескадровой структуры информации в канале связи. В качестве входных сигналов систем рассматривались нормальные процессы с гауссовой корреляционной функцией. В системе с предсказателем первого порядка учтена инструментальная погрешность в определении первой производной сигнала.

3. Получены целевые функции для параметрического синтеза по критерию минимума среднеквадратической погрешности восстановления сообщений адаптивной и циклической систем с постоянными параметрами при обработке нестационарных источников. В адаптивной СПИ рассматривалось кодирование с проверкой на четность кода датчика и безызбыточное кодирование параметра, а также прием со стиранием отдельно информационной и адресной частей слова. В циклической системе целевые функции найдены для безызбыточного кодирования и приема со стиранием кода параметра. Показано, что прием со стиранием в адаптивной системе является эффективным средством уменьшения канальной погрешности.

4. Разработана методика параметрической оптимизации систем по критериям минимума требуемой технической скорости передачи в канале связи и минимума затрат мощности сигнала на единицу информации с использованием выражений для относительных среднеквадра-тических погрешностей восстановления различных вариантов ЦСПИ и АСПИ.

5. Разработан комплекс прикладных программ, с помощью которого решены практические задачи оптимизации по критерию минимума среднеквадратической погрешности восстановления сообщений системы передачи измерительной информации с адаптивной выборкой и циклической СПИ. Показано, что для значений вероятности искажения элементарного символа в канале связи Р ^ 1СГ3 наиболее эффективна АСПИ с интерполятором нулевого порядкадля значений.

Р4 1СГ4 наименьшую погрешность восстановления обеспечивают системы с интерполяторами первого порядкаадаптивные системы для бескадровой и кадровой структур информации в канале связи обладают примерно одинаковой эффективностьюцри обработке нестационарных сообщений с коэффициентом нестационарности $> = 10 использование адаптивной системы вместо циклической СПИ позволяет получить значительный выигрыш, лежащий в пределах (8,180) в зависимости от условий задачи и возрастающий с увеличением коэффициента нестационарности. Показана устойчивость оптимальных решений рассмотренного в работе класса систем к вариации среднеквадратической частоты обрабатываемого процесса.

6. Показано, что предложенные методы анализа и синтеза адаптивной и циклической СПИ обеспечивают требуемое качество их функционирования. Это подтверждено имитационным моделированием алгоритмов сжатия данных и найденными оценками сверху среднеквадра-тических погрешностей восстановления сообщений.

Разработанные методы анализа и параметрического синтеза СПИ, а также комплекс прикладных программ внедрены на предприятиях п/я Г-4736 (г.Новосибирск) и п/я В-2645 (г.Москва).

Полученные в работе результаты могут быть использованы на этапе проектирования систем передачи измерительной информации и позволяют снизить трудоемкость и сроки их проектирования.

Результаты настоящей научно-исследовательской работы:

— доложены и обсуждены на XXI и ХХП областных НТК, посвященных Дню радио (Новосибирск, 1978,1979), на семинарах НТС «Информационные системы и анализ данных» Вычислительного центра СО АН СССР (Новосибирск), на УШ Всесоюзной конференции по теории кодирования и передачи информации (Куйбышев, 1981), на Всесоюзной конференции «Теория классификаций и анализ данных» (Новосибирск, 1981), на региональной НТК, посвященной Дню радио (Новосибирск, 1983), на НТС отделения п/я Г-4736 (Новосибирск, 1983), на НТС отдела п/я В-2645 (Москва, 1984), на заседании кафедры «Передачи дискретной информации и телеграфии» Новосибирского электротехнического института связи (1984);

— опубликованы в Межвузовском сборнике «Измерительные информационные системы» (Новосибирск, 1978), в журнале «Известия ВУЗов. Радиоэлектроника» (1979, т.22, № 3), в сборнике «Математические вопросы анализа данных» (Новосибирск, 1980), в журнале «Автометрия» (1983,№ 6), в отчете по научно-исследовательской работе предприятия п/я Г-4736 (Новосибирск, 1983), а также в материалах договора о научно-техническом содружестве между предприятиями п/я Г-4736 и п/я В-2645 (Новосибирск, 1983).