5 Сжатие телеметрируемой информации
Телеметрические системы, являясь «нервной системой» сложных автоматизированных комплексов, контроль состояния которых и управление которыми требуют огромных и всё возрастающих потоков информации. Таким образом, возникает необходимость сжатия телеметрической информации. Существует ряд стимулов для решения данной проблемы:
уменьшение огромных потоков цифровых данных с целью разгрузки, упрощения и рационального использования каналов, сужение полосы пропускания каналов, сокращение объёмов памяти выходных регистрирующих устройств;
повышение оперативности в управлении сложными объектами благодаря быстрому получению необходимой информации из сжатых данных;
большая экономия, достигаемая при надлежащем сжатии данных, за счёт упрощения и уменьшения объёмов регистрирующих устройств.
Целью сжатия данных является формирование минимального количества величин, обеспечивающих представление в общем случае непрерывного поведения параметра с заданной вероятностью. При такой постановке задачи передаваемыми величинами не обязательно должны быть значения параметров в точках опроса, потому что при заданной вероятности и определённом виде исходного параметра минимизация может быть достигнута лишь путём соответствующего выбора вида этих величин. [5]
Последние в минимальном их количестве как раз и являются обобщенным концентрированным математическим представлением, которое позволяет количественно оценить информацию, содержащуюся в передаваемых данных и являющуюся полезной для потребителя.
При таком определении информация должна оцениваться количеством измеренных величин и точностью их отсчёта, так как каждую передаваемую величину можно рассматривать как обобщенное измерение параметра в отличие от ординат параметра в точках опроса, которые являются измерениями в обычном смысле.
Если представить информационный канал телеметрической системы (для одного датчика) в виде модели, представленной на рисунке 11, то рассматриваемая задача сжатия данных относится к кодеру источника.
Датчик формирует электрический сигнал, являющийся материальным носителем сообщения об измеряемом физическом параметре. Сообщение может быть передано целиком или по частям.
Задача кодера источника заключается в компактном дискретном представлении сообщений датчика. Задачей кодера канала связи является согласование сообщений, поступающих из кодера источника, с каналом связи с целью наиболее эффективного использования последнего. В частности, в кодере канала связи может быть введена определённая избыточность в передаваемых сообщениях, определяемая статическими характеристиками сообщений и помех.
Декодер канала связи и декодер сообщений совершают обратные преобразования.
Можно выделить два класса преобразований, направленных на сжатие передаваемой информации: необратимые преобразования и квазиобратимые.
Рисунок 13 – Классификация методов сжатия данных
В результате необратимых преобразований контролируемый процесс можно восстановить как функцию времени, но необходимые данные представляются в виде конечного полезного результата.
Квазиобратимые преобразования позволяют представить контролируемый процесс меньшим числом координат, но достаточным для воспроизведения параметра как функции времени с заданной точностью.
Необратимые преобразования в ряде случаев могут дать весьма высокие коэффициенты сжатия, однако в настоящее время для анализа поведения отдельных систем и элементов конструкции телеметрируемых объектов требуется в результате измерений иметь оценки функций, описывающих изменение величин параметров во времени. Такие оценки могут быть получены лишь с помощью квазиобратимых преобразований.
Учет математического ожидания и шкалы процесса широко используется на практике и является простейшим мероприятием, способствующим сжатию данных, если априори известно математическое ожидание параметра, то, очевидно, нет смысла передавать информацию о нём, поскольку оно может быть восстановлено в месте приёма по априорным сведениям.
Уменьшение числа координат сообщений достигается различными методами. Сокращение объёма каждой координаты достигается тремя путями: квантованием шкалы координат с неравномерным шагом, статистическим кодированием уровней квантования и нелинейным преобразованием значений координат.
Для проведения этих операций требуется априорная оценка плотности распределения вероятностей значений каждой координаты. Задача минимизации объёма сообщений не всегда может быть разделена на уменьшение числа координат и объёма каждой координаты.
Такое разделение возможно при условии, что способ представления сообщений выбирается для системы без шумов с учётом лишь координатной ошибки (ошибки представления), а ошибки, вносимые шумами системы (помехи, аппаратурные ошибки и др.), учитываются отдельно.
Решение задачи сжатия сводится к выбору двух операторов: представления и обработки. Оператор представления может характеризоваться способами формирования координат, основными из которых являются регулярный и адаптивный. Оператор обработки может полностью характеризоваться видом базисных функций в пространстве параметров.
При регулярном представлении всё время наблюдения разбивается на интервалы равной длины, и на каждом интервале формируется число координат, равное n, одинаковое для всех интервалов. Длительность сообщения и число координат в нём выбираются заранее по априорным сведениям. В качестве координат могут быть использованы мгновенное значение параметра в точках опроса, коэффициенты разложения в ряд функции, описывающей поведение телеметрируемого параметра на данном интервале, или другие функционалы.
Адаптивный способ формирования координат отличается от регулярного тем, что некоторые параметры изменяются в соответствии с видом текущей реализации. В случае однопараметрической адаптации может фиксироваться деятельность сообщения, и тогда изменяется число формируемых координат, либо наоборот. При двухпараметрической адаптации изменяется как число формируемых координат, так и длительность сообщения.