Система сжатия и уплотнения каналовПриложения Введение В данном курсовом проекте разрабатывается система сжатия и уплотнения каналов, и определяются её основные параметры и характеристики.
Проектирование и применение подобных систем в настоящее время считаются целесообразным, т. к. эти системы позволяют уменьшить плотность и сложность линий связи, увеличить число каналов, улучшить качество обслуживания абонентов, а так же предоставлять им дополнительные услуги.
Определение частоты опроса  В нашем случае спектр сигнала равномерный. Из [ 2 ] по модели №1 сигнала с равномерным спектром (рис. 1) определяем частоту опроса F 0 . По заданию на проект, показатель верности g эф = 0.7 %, а ширина спектра сигнала D f =330 Гц.
Применим эту модель к интерполяции по Лагранжу при n =1,2,3, используя также следующие соотношения: Теперь проанализируем полученные результаты.
Частота опроса F 02 имеет существенный выигрыш по сравнению с F 01 и проигрывает частоте F 03 , так как больше неё. Но выберем F 02 , так как при реализации на этой частоте обеспечивается заданное качество и используются небольшие аппаратные затраты. 1.2 Адаптивная коммутация.
Адаптивная коммутация-это способ изменения частоты опроса источников информации в соответствии со скоростью изменения входного сигнала.
Основная проблема такой системы сжатия: объединение потоков отсчётов, которые идут с разной частотой, в единый поток с постоянной частотой, определяемой пропускной способностью канала. Очерёдность передачи от разных источников осуществляется с учётом: 1) 2) 3) Система позволяет учитывать приоритет сообщения по отношению к другим источникам. При АК информация идет в канал связи в натуральном масштабе времени, то есть без задержки. В системе осуществляется предварительный опрос всех каналов, выявляется канал с наибольшей погрешностью и его информация идёт в линию связи. Обобщённая структурная схема системы будет иметь вид:           конец   адрес Д – датчики, ППА - преобразователь погрешности аппроксимации, АП – анализатор погрешности, К – ключ, БС – блок считывания, АЦП – аналогово-цифровой преобразователь, ГИ – генератор импульсов В каждом измерительном канале есть ППА ,работающий в соответствии с алгоритмом полиномиального метода сжатия. АП путём последовательного опроса ППА выявляет канал с наибольшей погрешностью и открывает ключ данного канала.
Информация кодируется в АЦП и в параллельном коде идет в БС, куда идёт и адресная информация. В БС параллельный код преобразуется в последовательный, и осуществляется выдача отсчётов в линию связи через равные интервалы времени. После выдачи отсчётов в линию связи из БС в АП идёт сигнал о конце и сбрасывает АП. Данная схема имеет 3 недостатка: 1) 2) 3) больше допустимого значения, возникают потери важных отсчётов.
Существует несколько путей построения АП., в зависимости от способа анализа погрешности: 1) 2) 3) Быстродействием и простотой обладает блок параллельного анализа. Схема системы с адаптивной коммутацией с параллельным анализом погрешности будет иметь вид:  С – сигнал считывания; З – сигнал запрета; МК – мультиплексор; ВМС – выявитель максимального сигнала; ГТИ – генератор тактовых импульсов. МКустройство для передачи сигнала с любого из входов на одну общую шину. Вход, с которого сигнал передаётся на выход, выбирается в зависимости от вида параллельного двоичного кода, подаваемого на управляющие входы.
Сигналы от датчиков следуют на входы ППА и МК, которые находятся в закрытом состоянии и открываются при поступлении импульса с ГТИ. Сигнал с выхода ППА анализируется в ВМСсхема сравнения на N входов, на выходе ВМС формируется параллельный двоичный код, соответствующий номеру канала с наибольшей погрешностью аппроксимации. При поступлении на МК импульса с ГТИ на выход идёт сигнал канала, двоичный код номера которого воздействовал на управляющие входы МК. После преобразования в АЦП сигнал в параллельном двоичном коде и код адреса записываются в память БС. При поступлении импульса считывания с ГТИ на БС параллельный код преобразуется в последовательный, и сигнал передаётся в линию связи.
Рассмотрим простейшую схему выделения максимального сигнала с использованием диодных сборок, т.е. диодных схем «И» и операционных усилителей, выходной сигнал которых является двоичным кодом канала с максимальной погрешностью аппроксимации.
Использование диодных сборок основано на том, что между операциями алгебры логики и операциями выделения максимума и минимума существует определенная аналогия: Для получения на выходе на выходе схемы выделения максимального сигнала, соответствующего кода необходимо на выходы этой схемы подключить по определенным правилам к инверсным и прямым входам операционные усилители.  - подключение к инверсному входу, - подключение к прямому входу.
Простейшая схема ВМС на 4 входа имеет вид: 1 2 При достаточном усилении операционных усилителей, когда напряжение на прямом входе больше, чем на инверсном, операционный усилитель находится в режиме насыщения, т.е. на выходе «1». Если наоборот, то операционный усилитель находится в режиме отсечки, т.е. на выходе «0». Для получения хороших результатов, необходимо, что бы характеристики диодов были одинаковыми, а усиление ОУ было больше 1000. 1.3. Тип квантователя.
Методы рационального кодирования при цифровой передаче сигналов предназначены для сокращения избыточности измерительной информации в условиях априорной неопределенности. В случае нерационального кодирования на первом этапе преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму избыточность сохраняется и на последующих этапах. Т.о., под рациональным кодированием понимается такое кодирование, когда измерительная информация, представленная в цифровой форме, требует минимального количества символов при заданном отношении сигнал-шум.
Процедуры рационального кодирования классифицируются по их возможности изменять параметры и структуру кодирующего устройства для обеспечения сжатия данных.
Существуют фиксированные, параметрически-адаптивные и непараметрически-адаптивные процедуры рационального кодирования.
Параметрически-адаптивные процедуры, к которым относится и разностная импульсно-кодовая модуляция (РИКМ), чувствительны к статистике сигнала и изменяют в соответствии с выбранным критерием свои параметры. Между соседними отсчетами сигнала обычно имеется значительная корреляция, которая слабо убывает по мере увеличения интервала времени. В результате разность между соседними отсчетами будет иметь меньшую дисперсию, чем исходный сигнал.
Динамический диапазон квантованного сигнала уменьшается, что позволяет при том же отношении сигнал-шум сократить разрядность кодового слова. На входе квантователя (КВ) действует разностный сигнал е( n ) = y ( n ) - ( n ), где ( n ) – оценка предсказанного значения сигнала y ( n ). Квантовани ю ( n ) п одвергается не входной, а разностный сигнал.
Формирование предсказанного значения сигнала осуществляется с помощью предсказателя (ПР). Отношение сигнал-шум в рассматриваемом случае равно q = G п * q 0 , где q 0 - отношение сигнал-шум квантователя, G п – коэффициент усиления, обусловленный разностным кодированием.. Величина q 0 зависит только от свойств КВ, а G п определяется типом ПР. Если используется линейный предсказатель  где a к - постоянные коэффициенты, Р – количество используемых для предсказания предшествующих значений сигнала, то коэффициент  где r ( n D t ) - нормированная корреляционная функция y ( n D t ).Значения коэффициентов a к , обеспечивающие максимальное значение G п , однозначно связаны с видом функции корреляции входного сигнала. SHAPE * MERGEFORMAT  Рассчитаем сколько нужно разрядов, для того чтобы выполнить условие отношения сигнал/шум равным 35дБ. Представим квантованный сигнал в виде:  где d ( n ) – шум квантования. В дальнейшем предполагаем, что шум квантования является стационарным белым шумом, некоррелированным с входным сигналом и имеющим равномерное распределение в интервале  в этом случае дисперсия шумов квантования:  используя в виде  или в децибелах  отсюда видно, чтобы обеспечить с/ш равный 35дБ нужен 7-битный квантователь.
Разделение каналов по форме При разделении каналов по форме (РКФ) базисные функции е( t ) должны быть минимально независимыми и желательно ортогональны. При этом передающаяся информация заключена в амплитуде базисных функций. В случае РКФ базисные функции имеют следующий вид: ,где U i – отсчёты первичного сигнала. Эта формула справедлива, если информация в амплитуде. В качестве базисных функций используются формулы, удобные с точки зрения технической реализации.
Обычно это труды Лежандра, Матье, Уолша. Рассмотрим полиномы Лежандра: Это справедливо при n ³ 2. Специальные особенности полиномов Лежандра: 1. Условие ортогональности: Средняя мощность каждого колебания (2 n +1). Для выравнивания мощности каждого оптимального многочлена необходимо умножить на (2 n +1) каждую базисную функцию. 2. Для нечётных полиномов Лежандра в сигнале появляются скачки, для передачи которых требуется широкая полоса пропускания (см. рис. 9) Для устранения этого недостатка у нечётных полиномов через период меняется полярность (см. рис.10)  Рассмотрим структурную схему передающей и приёмной части системы уплотнения по форме с ортогональными сигналами: На схеме следующие обозначения: ГТЧ – генератор тактовой частоты, ГНК – генератор несущего колебания, К i – ключи, ГПФ – генератор полиномиальных функций, СМУ – суммарно-масштабный усилитель, С – синхронизатор. На приёмной стороне ГТЧ формирует кратковременные импульсы с частотой повторения. Ключи хранят значение весь период повторения.
Синхронизатор формирует синхросигнал.
Групповой сигнал имеет вид: Для разделения по форме используют свойство ортогональности.
Математически эта операция выглядит так: На приёмной стороне в синхронизаторе осуществляется выделение синхросигнала, который запускает ГПФ и сбрасывает интеграторы и ключи.
Ортогональные полиномы являются непрерывными аналоговыми сигналами, что приводит к повышенным требованиям к устройствам генерирования и обработки. Но реализация таких систем на основе ЦОС позволяет получить лучшие технические характеристики, чем при использовании ансамбля Уолша (в частности, требуемая полоса меньше). В данном проекте в качестве базисных функций будут использованы функции Уолша вследствие простоты использования на практике и при расчётах.
Краткие сведения о функциях Уолша Эти функции известны с 1922 г., но практический интерес к ним возник только в последние 2 – 3 десятилетия в связи с развитием ЭВМ. Существует множество способов задания (определения) функций Уолша. Математически можно записать так: Количество таких функций определяется величиной n : N =2 n – общее количество функций Уолша. Для нашей системы достаточно 92 функций Уолша, т. к. на вход системы уплотнения по форме поступают 92 сигналов 92 адаптивных квантователей . Образование необходимых нам функций наглядно демонстрирует рис. 13, при N =2 3 =8, n =3 и W 0 =0. Для того, чтобы передать код функции Уолша, достаточно 128 бит (2 7 =128) информации.
| 
