ПСЕВДОРЕГУЛЯРНЫЕ КОДОВЫЕ ШКАЛЫ ДЛЯ ЦИФРОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ УГЛА
А.А. Ожиганов, П.А. Прибыткин
УДК 621.3.085.42
ПСЕВДОРЕГУЛЯРНЫЕ КОДОВЫЕ ШКАЛЫ ДЛЯ ЦИФРОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ УГЛА
А.А. Ожиганов, П.А. Прибыткин
Предложен новый тип кодовых шкал для цифровых преобразователей угла (ЦПУ) псевдорегулярные кодовые шкалы. Рассмотрен метод их построения, основанный на использовании композиции нелинейных рекуррентных последовательностей и регулярных двоичных кодовых шкал. Приведен пример построения псевдорегулярной кодовой шкалы.
Ключевые слова: преобразователь уголкод, цифровой преобразователь угла, кодовая шкала, считывающие элементы, рекуррентная последовательность, псевдорегулярная кодовая шкала, последовательность де Брейна, нелинейная кодовая шкала.
Введение
ЦПУ являются измерительными преобразователями, служащими для ввода аналоговой информации об объекте в различные цифровые системы автоматического управления. Среди ЦПУ особое место занимают преобразователи абсолютного типа, основанные на методе считывания с пространственным кодированием [1, 2]. Основные требования к таким преобразователям точность преобразования, быстродействие, надежность, стойкость к внешним воздействующим факторам и др. Достаточно хорошо изучены основные способы получения высокой точности и разрешающей способности ЦПУ, если нет ограничений в габаритах преобразователей. Но в ряде применений ЦПУ актуальна задача увеличения точности и разрешающей способности при одновременном уменьшении их габаритов [3].
Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2011, № 1 (71)
67
ПСЕВДОРЕГУЛЯРНЫЕ КОДОВЫЕ ШКАЛЫ ДЛЯ ЦИФРОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ УГЛА
Достижение этих технических требований во многом зависит от применяемой в ЦПУ кодовой шкалы (КШ), которая определяет число кодовых дорожек (КД), а также число и размещение считывающих элементов (СЭ). Среди разных типов построения кодовых шкал для ЦПУ [2] наибольшее распространение получили КШ, выполненные в обыкновенном двоичном коде регулярные КШ, в циклическом коде обычно в коде Грея, и в специальном коде. Наиболее перспективными являются кодовые шкалы с применением теории рекуррентных последовательностей рекурсивные кодовые шкалы (РКШ) [4], позволяющие строить однодорожечные ЦПУ [5], двухдорожечные нереверсивные ЦПУ с двумя СЭ и реверсивные ЦПУ с подготовительными квантами [6], встречающиеся в литературе как «квазиабсолютные», а также КШ с возможностью формирования корректирующих кодов [7].
Различают КШ на основе линейных рекуррентных последовательностей (РП) и КШ на основе нелинейных РП в зависимости от свойства линейности или нелинейности (по отношению к оператору суммирования по модулю 2) рекуррентного соотношения, используемого для построения РП. Особенностью
КШ на основе линейных РП является то, что они имеют информационную емкость 2n 1, n 1, 2, 3,
значений кода, не совместимую со многими техническими системами, в которые встраивается ЦПУ. В свою очередь, КШ на основе нелинейных РП позволяют осуществлять размещение СЭ вдоль КД шкалы единственным образом с шагом в один квант. При конечных размерах СЭ (например, фотоприемников в фотоэлектрических ЦПУ) такое их размещение существенно ограничивает разрядность КШ.
С практической точки зрения применение РКШ для построения высокоразрядных малогабаритных ЦПУ связано с рядом ограничений конструктивного и особенно технологического характера, накладываемых минимальным размером градации кодовой шкалы, чувствительностью и размерами СЭ.
В связи с этим актуальной задачей является разработка кодовых шкал с учетом обозначенных ограничений, которые позволят создавать высокоразрядные малогабаритные ЦПУ. Такие кодовые шкалы в сравнении с классическими КШ должны иметь высокую информационную емкость при малом числе кодовых дорожек.
Теоретические основы построения псевдорегулярных кодовых шкал
Известны сдвигающие регистры, или регистры сдвига с обратной связью электронные переключательные схемы специального вида, перерабатывающие информацию, заданную в форме соответст-
вующим образом представленных элементов поля Галуа GF2 [8]. В общем виде n -позиционный ре-
гистр сдвига состоит из n последовательно соединенных триггерных ячеек. В результате действия k 1
тактовых импульсов, где k целое неотрицательное число; состояние каждой ячейки
(ak , ak 1,, ak n1) 0,1 сдвигается в соседнюю ячейку. При введении обратной связи f x0, x1,, xn1 c0x0 c1x1 cn1xn1 ,
(1)
где ci GF2 , сдвигающий регистр оказывается в режиме непрерывной смены состояний.
С помощью булевой функции обратной связи (1) определяется n -е состояние регистра (после n
тактов работы) как an f a0, a1,, an1.
Таким образом, символы двоичной последовательности на выходе регистра сдвига удовлетворяют
рекуррентному соотношению [9]
an j hn1an1 j hn2an2 j h1a j1 a j ,
(2)
где hi GF2, j 0, 1, .
Для работы регистра необходимо задать начальное состояние триггерных ячеек a0, a1,, an1 ,
причем нулевая комбинация является запрещенной, так как порождает последовательность из одних ну-
лей. Функцию обратной связи (1) можно представить также в форме полинома порядка n с коэффициен-
тами из поля Галуа GF2 , называемого характеристическим полиномом,
hx hnxn hn1xn1 h1x h0 , где h0 hn 1 , , hi GF2 .
(3)
Рекуррентная последовательность с линейной функцией обратной связи вида (1) может иметь
максимальный период 2n 1 , т.е. 2n возможных состояний регистра, за исключением нулевой комбина-
ции. Такую последовательность называют псевдослучайной последовательностью максимальной длины
над полем GF2 (ПСПМД), или M -последовательностью. Для ее построения необходимо и достаточно,
чтобы характеристический полином являлся примитивным полиномом [8] над полем GF2 , а начальное
состояние отличным от нулевого. Кодовые шкалы на основе ПСПМД имеют информационную емкость 2n 1 и носят название псевдослучайные кодовые шкалы (ПСКШ).
68 Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета
информационных технологий, механики и оптики, 2011, № 1 (71)
А.А. Ожиганов, П.А. Прибыткин
M -последовательности относятся к классу циклических кодов и могут задаваться с помощью по-
рождающего полинома [8]
gx
x2n 1 1
hx
,
где hx характеристический полином, задаваемый (3).
Для каждой ПСПМД длиной M 2n 1 существует ровно 2n 1 различных циклических сдвигов,
которые могут быть получены путем умножения порождающего полинома gx на xI , где
I 0, 1, , M 1 . Порядок размещения на ПСКШ n считывающих элементов определяется через запись
циклических сдвигов, т.е. СЭ с номером m ( m 1, 2, , n ) ставит в соответствие с Im циклический
сдвиг xIm gx M -последовательности. Тогда полином, определяющий порядок размещения на шкале n
СЭ, имеет вид [4]
rx xI1 xI2 xIn , Im 0, 1, , M 1.
(4)
Между тем псевдослучайные последовательности с нулевой комбинацией получаются с помощью
регистра сдвига с нелинейной функцией обратной связи
~f x0, x1,, xn1 c0x0 c1x1 cn1xn1 x1 x2 xn1 ,
(5)
где x является дополнением x ; ci GF 2. Такие последовательности имеют период 2n и являются
частным случаем последовательностей де Брейна.
Символы нелинейной последовательности удовлетворяют рекуррентному соотношению
bn j hn1bn1 j hn2bn2 j h1b j1 b j bn1 jbn2 j b j1 ,
(6)
где j 0, 1, . Начальные символы последовательности b0b1bn1 выбираются произвольно. Рекуррентное соотношение (6) отличается от соотношения для линейных псевдослучайных последовательностей (2) только наличием последнего слагаемого – произведения значений n 1 символов.
Кодовые шкалы на основе нелинейных рекуррентных последовательностей имеют разрешающую
способность q 360 2n и носят название нелинейные кодовые шкалы (НКШ). Для их построения ха-
рактеристический полином вида (3), как и в случае ПСКШ, должен быть примитивным над полем
GF2 .
Размещение СЭ на НКШ, в отличие от ПСКШ, в силу нелинейных свойств применяемых последо-
вательностей может осуществляться только единственным образом, причем с шагом, равным одному
кванту, т.е. в соответствии с полиномом размещения
~r x 1 x x2 xn1 .
(7)
Единственность такого размещения отражает существенный недостаток НКШ, ограничивающий их применение для построения малогабаритных высокоразрядных ЦПУ.
Принцип композиции рекурсивных кодовых шкал
Преобразователи считывания представляют собой систему из l параллельно работающих
Nl -разрядных преобразователей угла. Такой подход позволяет комбинировать КД, основанные на раз-
ных базовых методах пространственного кодирования, на каждой из которых происходит преобразование перемещения в соответствующую группу разрядов выходного кода [3, 10].
Пусть ЦПУ имеет p КД в порядке от старшей дорожки, с которой считывается старший по весу
разряд, до младшей дорожки, с которой считывается младший по весу разряд. Период функции преобра-
зования каждой КД l , где l 1, p . В случае однооборотного ЦПУ с диапазоном изменения угла от 0º
до 360º для первой КД 1 360 , а для каждой последующей
l 1
1 Nl
l
,
где Nl число уровней квантования l -й кодовой дорожки.
В общем случае информационная емкость преобразователя равна
p
N Nl ,
l 1
а период функции преобразования каждой дорожки составляет
Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2011, № 1 (71)
69
ПСЕВДОРЕГУЛЯРНЫЕ КОДОВЫЕ ШКАЛЫ ДЛЯ ЦИФРОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ УГЛА
l 1
360
l
.
Ni
i 1
Пусть старшая КД строится в соответствии с символами РП длиной D1 . Пусть следующая за
старшей КД также строится в соответствии с символами РП длиной D2 , причем в угловом секторе, соответствующем одному символу последовательности старшей КД, укладывается один период последова-
тельности младшей КД, т.е. последовательность длиной D2 на младшей дорожке имеет D1 периодов
2 1 N1 360 D1 . Такое построение аналогично структуре регулярных двоичных КШ, в которых
одному символу из 0,1 старшей дорожки соответствует последовательность 01 младшей дорожки.
Кодовую шкалу, представляющую собой композицию РКШ и регулярных КШ, в которой одному символу старшей КД ставится в соответствие один период РП на следующей КД, будем называть псевдорегулярной кодовой шкалой (ПРКШ).
Метод построения ПРКШ на основе нелинейных последовательностей
Основные этапы метода заключаются в следующем. 1. Для построения старшей КД выбирается характеристический полином вида (3), который должен яв-
ляться примитивным над полем GF2 . Информационная емкость старшей КД N1 будет опреде-
ляться порядком полинома n1 .
2. Строится один период последовательности длиной D1 2n1 . Для этого произвольным образом вы-
бираются начальные значения n1 символов последовательности. Остальные 2n1 n1 символов гене-
рируется в соответствии с рекуррентным соотношением (6) при j 0, 1, , 2n1 n1 1 . 3. Градации старшей КД выполняются в соответствии с символами полученной последовательности. 4. Производится размещение на КД n1 считывающих элементов в соответствии с полиномом размеще-
ния (7), т.е. с шагом в один квант q1 2 . 5. Для построения младшей КД выбирается характеристический полином вида (3), который также дол-
жен являться примитивным над полем GF2 . Информационная емкость младшей КД N2 будет оп-
ределяться порядком полинома n2 .
6. Строятся D1 периодов последовательности длиной D2 2n2 . Для этого произвольно выбираются
начальные значения n2 символов последовательности. Остальные D1 2n2 n2 символов генериру-
ются в соответствии с рекуррентным соотношением (6) при j 0, 1, , D1 2n2 n2 1. 7. Градации младшей КД выполняются в соответствии с символами полученной последовательности.
Квант младшей дорожки q2 3 360 N1N2 .
8. Производится размещение на КД n2 считывающих элементов в соответствии с полиномом размещения (7). В отличие от старшей КД размещение каждого СЭ может осуществляться не единствен-
ным образом, а в соответствии с соотношением 2 3 , 0, 1, , 2n1 1 . Коэффициент вы-
бирается при проектировании ЦПУ из конструктивных соображений и позволяет наиболее рационально и технологично осуществить компоновку СЭ вдоль кодовой шкалы преобразователя.
Информационная емкость ЦПУ с такой ПРКШ, состоящей из двух дорожек, составит N N1N2 . Заметим, что число КД в общем случае не ограничено двумя.
Пример построения ПРКШ
Рассмотрим нелинейную РП длиной 23n1 3 , для построения которой будем использовать примитивный полином hx x3 x 1 , начальные значения b0b1b2 зададим как 000. Рекуррентное соотно-
шение последовательности, согласно (6), примет вид
b3 j b j b1 j b1 jb2 j .
Сгенерированную таким образом последовательность 00010111 используем для построения кодовой дорожки ЦПУ. При размещении трех считывающих элементов вдоль этой дорожки с шагом в один
70 Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета
информационных технологий, механики и оптики, 2011, № 1 (71)
А.А. Ожиганов, П.А. Прибыткин
квант получим 23 8 значений кода. Эту трехразрядную дорожку возьмем в качестве старшей дорожки
T1 ЦПУ, тогда период второй дорожки будет 2 360 8 45 . Это же значение 2 является дискретностью преобразования (квантом) первой дорожки.
Вторую дорожку большего диаметра также выполним в соответствии с символами приведенной
выше последовательности. Дорожка T2 будет содержать 8 периодов последовательности 00010111, т.е. примет вид
0001011100010111000101110001011100010111000101110001011100010111. При этом каждый период геометрически будет заполнять дугу окружности диаметра второй до-
рожки с центральным углом 2 , который соответствует одному символу старшей дорожки T1 . Тогда шаг размещения считывающих элементов вдоль второй дорожки, благодаря тому, что она содержит 8
периодов последовательности, составит 360 8 360 64 , где 0, 1, , 23 1 . Коэффициент вы-
бирается при проектировании ЦПУ. Линейная развертка рассматриваемой в примере КШ приведена на рис. 1. ЦПУ с такой кодовой
шкалой, состоящей из двух дорожек, обладает разрешающей способностью q2 360 26 , т.е. имеет 64 значения кода угла. На рис. 2 показана круговая КШ с одним из вариантов размещения считывающих элементов.
D2
T2 T1
СЭ 1,1
СЭ 2,3 СЭ 1,2 СЭ 1,3
СЭ 2,1
СЭ 2,2
D1
Рис. 1. Линейная развертка шестиразрядной ПРКШ
СЭ 2,3
СЭ 3,1 СЭ 2,1
СЭ 1,1
СЭ 2,1
СЭ 2,2
Рис. 2. Шестиразрядная ПРКШ
Заключение
Предлагаемый принцип построения ПРКШ позволяет строить высокоразрядные цифровые преобразователи угла в уменьшенных габаритах с учетом технологических и конструктивных ограничений, таких как минимальная ширина градации и шаг размещения считывающих элементов. Преодоление этих ограничений особенно актуально при построении фотоэлектрических цифровых преобразователей угла, которым присущи высокая точность, технологичность, бесконтактность и ряд других преимуществ. Так, построенные по разработанному методу кодовые шкалы позволили создать в ОАО «Авангард» 18- и 20-разрядные фотоэлектрические ЦПУ с диаметрами всего 80 мм и 120 мм соответственно.
Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2011, № 1 (71)
71
РЕАЛИЗАЦИЯ АЛГОРИТМА ШУМОПОДАВЛЕНИЯ В РЕЧЕВОМ ТРАКТЕ...
Литература
1. Преснухин Л.Н. Фотоэлектрические преобразователи информации / Л.Н. Преснухин, В.Ф. Шаньгин,
С.А. Майоров, С.А. Меськин. М.: Машиностроение, 1974. 376 с. 2. Домрачев В.Г., Мейко Б.С. Цифровые преобразователи угла: принципы построения, теория точно-
сти, методы контроля. М.: Энергоатомиздат, 1984. 328 с. 3. Асиновский Э.Н. и др. Высокоточные преобразователи угловых перемещений / Под ред. А.А. Ах-
метжанова. М.: Энергоатомиздат, 1986. 128 с. 4. Азов А.К., Ожиганов А.А., Тарасюк М.В. Рекурсивные кодовые шкалы // Информационные техноло-
гии. 1998. № 6. С. 3943. 5. Ожиганов А.А., Прибыткин П.А. Кодовые шкалы на основе нелинейных последовательностей для
преобразователей угловых перемещений // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. 2010.
Вып. 4. С. 81–84. 6. Ожиганов А.А., Прибыткин П.А. Использование нелинейных последовательностей при построении
двухдорожечных кодовых шкал для преобразователей угловых перемещений // Изв. вузов. Приборо-
строение. 2010. Т. 53. № 7. С. 3944. 7. Ожиганов А.А., Прибыткин П.А. Анализ возможностей применения корректирующих кодов в рекур-
сивных кодовых шкалах // Сб. научных трудов аспирантов, соискателей и студентов магистерской
подготовки ОАО «Авангард». 2010. Вып. 2. С. 7077.
8. Лидл Р., Нидеррайтер Г. Конечные поля. В 2-х т. Т. 2. / Пер. с англ. М.: Мир, 1988. 822 с.
9. Macwilliams J., Sloane N. Pseudo-random sequences and arrays // Proceedings of the IEEE. 1976.
V. 64. № 12. 10. Габидулин М.А. Фотоэлектрические цифровые преобразователи перемещений пространственного
кодирования // Искусственный интеллект. 2008. № 3. С. 272281.
Ожиганов Александр – Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий,
Аркадьевич
механики и оптики, доктор технических наук, профессор, ojiganov@mail.ifmo.ru
Прибыткин Павел – ОАО «Авангард», начальник научно-исследовательского сектора,
Александрович
pavel.pribitkin@gmail.com
72 Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета
информационных технологий, механики и оптики, 2011, № 1 (71)
УДК 621.3.085.42
ПСЕВДОРЕГУЛЯРНЫЕ КОДОВЫЕ ШКАЛЫ ДЛЯ ЦИФРОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ УГЛА
А.А. Ожиганов, П.А. Прибыткин
Предложен новый тип кодовых шкал для цифровых преобразователей угла (ЦПУ) псевдорегулярные кодовые шкалы. Рассмотрен метод их построения, основанный на использовании композиции нелинейных рекуррентных последовательностей и регулярных двоичных кодовых шкал. Приведен пример построения псевдорегулярной кодовой шкалы.
Ключевые слова: преобразователь уголкод, цифровой преобразователь угла, кодовая шкала, считывающие элементы, рекуррентная последовательность, псевдорегулярная кодовая шкала, последовательность де Брейна, нелинейная кодовая шкала.
Введение
ЦПУ являются измерительными преобразователями, служащими для ввода аналоговой информации об объекте в различные цифровые системы автоматического управления. Среди ЦПУ особое место занимают преобразователи абсолютного типа, основанные на методе считывания с пространственным кодированием [1, 2]. Основные требования к таким преобразователям точность преобразования, быстродействие, надежность, стойкость к внешним воздействующим факторам и др. Достаточно хорошо изучены основные способы получения высокой точности и разрешающей способности ЦПУ, если нет ограничений в габаритах преобразователей. Но в ряде применений ЦПУ актуальна задача увеличения точности и разрешающей способности при одновременном уменьшении их габаритов [3].
Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2011, № 1 (71)
67
ПСЕВДОРЕГУЛЯРНЫЕ КОДОВЫЕ ШКАЛЫ ДЛЯ ЦИФРОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ УГЛА
Достижение этих технических требований во многом зависит от применяемой в ЦПУ кодовой шкалы (КШ), которая определяет число кодовых дорожек (КД), а также число и размещение считывающих элементов (СЭ). Среди разных типов построения кодовых шкал для ЦПУ [2] наибольшее распространение получили КШ, выполненные в обыкновенном двоичном коде регулярные КШ, в циклическом коде обычно в коде Грея, и в специальном коде. Наиболее перспективными являются кодовые шкалы с применением теории рекуррентных последовательностей рекурсивные кодовые шкалы (РКШ) [4], позволяющие строить однодорожечные ЦПУ [5], двухдорожечные нереверсивные ЦПУ с двумя СЭ и реверсивные ЦПУ с подготовительными квантами [6], встречающиеся в литературе как «квазиабсолютные», а также КШ с возможностью формирования корректирующих кодов [7].
Различают КШ на основе линейных рекуррентных последовательностей (РП) и КШ на основе нелинейных РП в зависимости от свойства линейности или нелинейности (по отношению к оператору суммирования по модулю 2) рекуррентного соотношения, используемого для построения РП. Особенностью
КШ на основе линейных РП является то, что они имеют информационную емкость 2n 1, n 1, 2, 3,
значений кода, не совместимую со многими техническими системами, в которые встраивается ЦПУ. В свою очередь, КШ на основе нелинейных РП позволяют осуществлять размещение СЭ вдоль КД шкалы единственным образом с шагом в один квант. При конечных размерах СЭ (например, фотоприемников в фотоэлектрических ЦПУ) такое их размещение существенно ограничивает разрядность КШ.
С практической точки зрения применение РКШ для построения высокоразрядных малогабаритных ЦПУ связано с рядом ограничений конструктивного и особенно технологического характера, накладываемых минимальным размером градации кодовой шкалы, чувствительностью и размерами СЭ.
В связи с этим актуальной задачей является разработка кодовых шкал с учетом обозначенных ограничений, которые позволят создавать высокоразрядные малогабаритные ЦПУ. Такие кодовые шкалы в сравнении с классическими КШ должны иметь высокую информационную емкость при малом числе кодовых дорожек.
Теоретические основы построения псевдорегулярных кодовых шкал
Известны сдвигающие регистры, или регистры сдвига с обратной связью электронные переключательные схемы специального вида, перерабатывающие информацию, заданную в форме соответст-
вующим образом представленных элементов поля Галуа GF2 [8]. В общем виде n -позиционный ре-
гистр сдвига состоит из n последовательно соединенных триггерных ячеек. В результате действия k 1
тактовых импульсов, где k целое неотрицательное число; состояние каждой ячейки
(ak , ak 1,, ak n1) 0,1 сдвигается в соседнюю ячейку. При введении обратной связи f x0, x1,, xn1 c0x0 c1x1 cn1xn1 ,
(1)
где ci GF2 , сдвигающий регистр оказывается в режиме непрерывной смены состояний.
С помощью булевой функции обратной связи (1) определяется n -е состояние регистра (после n
тактов работы) как an f a0, a1,, an1.
Таким образом, символы двоичной последовательности на выходе регистра сдвига удовлетворяют
рекуррентному соотношению [9]
an j hn1an1 j hn2an2 j h1a j1 a j ,
(2)
где hi GF2, j 0, 1, .
Для работы регистра необходимо задать начальное состояние триггерных ячеек a0, a1,, an1 ,
причем нулевая комбинация является запрещенной, так как порождает последовательность из одних ну-
лей. Функцию обратной связи (1) можно представить также в форме полинома порядка n с коэффициен-
тами из поля Галуа GF2 , называемого характеристическим полиномом,
hx hnxn hn1xn1 h1x h0 , где h0 hn 1 , , hi GF2 .
(3)
Рекуррентная последовательность с линейной функцией обратной связи вида (1) может иметь
максимальный период 2n 1 , т.е. 2n возможных состояний регистра, за исключением нулевой комбина-
ции. Такую последовательность называют псевдослучайной последовательностью максимальной длины
над полем GF2 (ПСПМД), или M -последовательностью. Для ее построения необходимо и достаточно,
чтобы характеристический полином являлся примитивным полиномом [8] над полем GF2 , а начальное
состояние отличным от нулевого. Кодовые шкалы на основе ПСПМД имеют информационную емкость 2n 1 и носят название псевдослучайные кодовые шкалы (ПСКШ).
68 Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета
информационных технологий, механики и оптики, 2011, № 1 (71)
А.А. Ожиганов, П.А. Прибыткин
M -последовательности относятся к классу циклических кодов и могут задаваться с помощью по-
рождающего полинома [8]
gx
x2n 1 1
hx
,
где hx характеристический полином, задаваемый (3).
Для каждой ПСПМД длиной M 2n 1 существует ровно 2n 1 различных циклических сдвигов,
которые могут быть получены путем умножения порождающего полинома gx на xI , где
I 0, 1, , M 1 . Порядок размещения на ПСКШ n считывающих элементов определяется через запись
циклических сдвигов, т.е. СЭ с номером m ( m 1, 2, , n ) ставит в соответствие с Im циклический
сдвиг xIm gx M -последовательности. Тогда полином, определяющий порядок размещения на шкале n
СЭ, имеет вид [4]
rx xI1 xI2 xIn , Im 0, 1, , M 1.
(4)
Между тем псевдослучайные последовательности с нулевой комбинацией получаются с помощью
регистра сдвига с нелинейной функцией обратной связи
~f x0, x1,, xn1 c0x0 c1x1 cn1xn1 x1 x2 xn1 ,
(5)
где x является дополнением x ; ci GF 2. Такие последовательности имеют период 2n и являются
частным случаем последовательностей де Брейна.
Символы нелинейной последовательности удовлетворяют рекуррентному соотношению
bn j hn1bn1 j hn2bn2 j h1b j1 b j bn1 jbn2 j b j1 ,
(6)
где j 0, 1, . Начальные символы последовательности b0b1bn1 выбираются произвольно. Рекуррентное соотношение (6) отличается от соотношения для линейных псевдослучайных последовательностей (2) только наличием последнего слагаемого – произведения значений n 1 символов.
Кодовые шкалы на основе нелинейных рекуррентных последовательностей имеют разрешающую
способность q 360 2n и носят название нелинейные кодовые шкалы (НКШ). Для их построения ха-
рактеристический полином вида (3), как и в случае ПСКШ, должен быть примитивным над полем
GF2 .
Размещение СЭ на НКШ, в отличие от ПСКШ, в силу нелинейных свойств применяемых последо-
вательностей может осуществляться только единственным образом, причем с шагом, равным одному
кванту, т.е. в соответствии с полиномом размещения
~r x 1 x x2 xn1 .
(7)
Единственность такого размещения отражает существенный недостаток НКШ, ограничивающий их применение для построения малогабаритных высокоразрядных ЦПУ.
Принцип композиции рекурсивных кодовых шкал
Преобразователи считывания представляют собой систему из l параллельно работающих
Nl -разрядных преобразователей угла. Такой подход позволяет комбинировать КД, основанные на раз-
ных базовых методах пространственного кодирования, на каждой из которых происходит преобразование перемещения в соответствующую группу разрядов выходного кода [3, 10].
Пусть ЦПУ имеет p КД в порядке от старшей дорожки, с которой считывается старший по весу
разряд, до младшей дорожки, с которой считывается младший по весу разряд. Период функции преобра-
зования каждой КД l , где l 1, p . В случае однооборотного ЦПУ с диапазоном изменения угла от 0º
до 360º для первой КД 1 360 , а для каждой последующей
l 1
1 Nl
l
,
где Nl число уровней квантования l -й кодовой дорожки.
В общем случае информационная емкость преобразователя равна
p
N Nl ,
l 1
а период функции преобразования каждой дорожки составляет
Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2011, № 1 (71)
69
ПСЕВДОРЕГУЛЯРНЫЕ КОДОВЫЕ ШКАЛЫ ДЛЯ ЦИФРОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ УГЛА
l 1
360
l
.
Ni
i 1
Пусть старшая КД строится в соответствии с символами РП длиной D1 . Пусть следующая за
старшей КД также строится в соответствии с символами РП длиной D2 , причем в угловом секторе, соответствующем одному символу последовательности старшей КД, укладывается один период последова-
тельности младшей КД, т.е. последовательность длиной D2 на младшей дорожке имеет D1 периодов
2 1 N1 360 D1 . Такое построение аналогично структуре регулярных двоичных КШ, в которых
одному символу из 0,1 старшей дорожки соответствует последовательность 01 младшей дорожки.
Кодовую шкалу, представляющую собой композицию РКШ и регулярных КШ, в которой одному символу старшей КД ставится в соответствие один период РП на следующей КД, будем называть псевдорегулярной кодовой шкалой (ПРКШ).
Метод построения ПРКШ на основе нелинейных последовательностей
Основные этапы метода заключаются в следующем. 1. Для построения старшей КД выбирается характеристический полином вида (3), который должен яв-
ляться примитивным над полем GF2 . Информационная емкость старшей КД N1 будет опреде-
ляться порядком полинома n1 .
2. Строится один период последовательности длиной D1 2n1 . Для этого произвольным образом вы-
бираются начальные значения n1 символов последовательности. Остальные 2n1 n1 символов гене-
рируется в соответствии с рекуррентным соотношением (6) при j 0, 1, , 2n1 n1 1 . 3. Градации старшей КД выполняются в соответствии с символами полученной последовательности. 4. Производится размещение на КД n1 считывающих элементов в соответствии с полиномом размеще-
ния (7), т.е. с шагом в один квант q1 2 . 5. Для построения младшей КД выбирается характеристический полином вида (3), который также дол-
жен являться примитивным над полем GF2 . Информационная емкость младшей КД N2 будет оп-
ределяться порядком полинома n2 .
6. Строятся D1 периодов последовательности длиной D2 2n2 . Для этого произвольно выбираются
начальные значения n2 символов последовательности. Остальные D1 2n2 n2 символов генериру-
ются в соответствии с рекуррентным соотношением (6) при j 0, 1, , D1 2n2 n2 1. 7. Градации младшей КД выполняются в соответствии с символами полученной последовательности.
Квант младшей дорожки q2 3 360 N1N2 .
8. Производится размещение на КД n2 считывающих элементов в соответствии с полиномом размещения (7). В отличие от старшей КД размещение каждого СЭ может осуществляться не единствен-
ным образом, а в соответствии с соотношением 2 3 , 0, 1, , 2n1 1 . Коэффициент вы-
бирается при проектировании ЦПУ из конструктивных соображений и позволяет наиболее рационально и технологично осуществить компоновку СЭ вдоль кодовой шкалы преобразователя.
Информационная емкость ЦПУ с такой ПРКШ, состоящей из двух дорожек, составит N N1N2 . Заметим, что число КД в общем случае не ограничено двумя.
Пример построения ПРКШ
Рассмотрим нелинейную РП длиной 23n1 3 , для построения которой будем использовать примитивный полином hx x3 x 1 , начальные значения b0b1b2 зададим как 000. Рекуррентное соотно-
шение последовательности, согласно (6), примет вид
b3 j b j b1 j b1 jb2 j .
Сгенерированную таким образом последовательность 00010111 используем для построения кодовой дорожки ЦПУ. При размещении трех считывающих элементов вдоль этой дорожки с шагом в один
70 Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета
информационных технологий, механики и оптики, 2011, № 1 (71)
А.А. Ожиганов, П.А. Прибыткин
квант получим 23 8 значений кода. Эту трехразрядную дорожку возьмем в качестве старшей дорожки
T1 ЦПУ, тогда период второй дорожки будет 2 360 8 45 . Это же значение 2 является дискретностью преобразования (квантом) первой дорожки.
Вторую дорожку большего диаметра также выполним в соответствии с символами приведенной
выше последовательности. Дорожка T2 будет содержать 8 периодов последовательности 00010111, т.е. примет вид
0001011100010111000101110001011100010111000101110001011100010111. При этом каждый период геометрически будет заполнять дугу окружности диаметра второй до-
рожки с центральным углом 2 , который соответствует одному символу старшей дорожки T1 . Тогда шаг размещения считывающих элементов вдоль второй дорожки, благодаря тому, что она содержит 8
периодов последовательности, составит 360 8 360 64 , где 0, 1, , 23 1 . Коэффициент вы-
бирается при проектировании ЦПУ. Линейная развертка рассматриваемой в примере КШ приведена на рис. 1. ЦПУ с такой кодовой
шкалой, состоящей из двух дорожек, обладает разрешающей способностью q2 360 26 , т.е. имеет 64 значения кода угла. На рис. 2 показана круговая КШ с одним из вариантов размещения считывающих элементов.
D2
T2 T1
СЭ 1,1
СЭ 2,3 СЭ 1,2 СЭ 1,3
СЭ 2,1
СЭ 2,2
D1
Рис. 1. Линейная развертка шестиразрядной ПРКШ
СЭ 2,3
СЭ 3,1 СЭ 2,1
СЭ 1,1
СЭ 2,1
СЭ 2,2
Рис. 2. Шестиразрядная ПРКШ
Заключение
Предлагаемый принцип построения ПРКШ позволяет строить высокоразрядные цифровые преобразователи угла в уменьшенных габаритах с учетом технологических и конструктивных ограничений, таких как минимальная ширина градации и шаг размещения считывающих элементов. Преодоление этих ограничений особенно актуально при построении фотоэлектрических цифровых преобразователей угла, которым присущи высокая точность, технологичность, бесконтактность и ряд других преимуществ. Так, построенные по разработанному методу кодовые шкалы позволили создать в ОАО «Авангард» 18- и 20-разрядные фотоэлектрические ЦПУ с диаметрами всего 80 мм и 120 мм соответственно.
Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2011, № 1 (71)
71
РЕАЛИЗАЦИЯ АЛГОРИТМА ШУМОПОДАВЛЕНИЯ В РЕЧЕВОМ ТРАКТЕ...
Литература
1. Преснухин Л.Н. Фотоэлектрические преобразователи информации / Л.Н. Преснухин, В.Ф. Шаньгин,
С.А. Майоров, С.А. Меськин. М.: Машиностроение, 1974. 376 с. 2. Домрачев В.Г., Мейко Б.С. Цифровые преобразователи угла: принципы построения, теория точно-
сти, методы контроля. М.: Энергоатомиздат, 1984. 328 с. 3. Асиновский Э.Н. и др. Высокоточные преобразователи угловых перемещений / Под ред. А.А. Ах-
метжанова. М.: Энергоатомиздат, 1986. 128 с. 4. Азов А.К., Ожиганов А.А., Тарасюк М.В. Рекурсивные кодовые шкалы // Информационные техноло-
гии. 1998. № 6. С. 3943. 5. Ожиганов А.А., Прибыткин П.А. Кодовые шкалы на основе нелинейных последовательностей для
преобразователей угловых перемещений // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. 2010.
Вып. 4. С. 81–84. 6. Ожиганов А.А., Прибыткин П.А. Использование нелинейных последовательностей при построении
двухдорожечных кодовых шкал для преобразователей угловых перемещений // Изв. вузов. Приборо-
строение. 2010. Т. 53. № 7. С. 3944. 7. Ожиганов А.А., Прибыткин П.А. Анализ возможностей применения корректирующих кодов в рекур-
сивных кодовых шкалах // Сб. научных трудов аспирантов, соискателей и студентов магистерской
подготовки ОАО «Авангард». 2010. Вып. 2. С. 7077.
8. Лидл Р., Нидеррайтер Г. Конечные поля. В 2-х т. Т. 2. / Пер. с англ. М.: Мир, 1988. 822 с.
9. Macwilliams J., Sloane N. Pseudo-random sequences and arrays // Proceedings of the IEEE. 1976.
V. 64. № 12. 10. Габидулин М.А. Фотоэлектрические цифровые преобразователи перемещений пространственного
кодирования // Искусственный интеллект. 2008. № 3. С. 272281.
Ожиганов Александр – Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий,
Аркадьевич
механики и оптики, доктор технических наук, профессор, ojiganov@mail.ifmo.ru
Прибыткин Павел – ОАО «Авангард», начальник научно-исследовательского сектора,
Александрович
pavel.pribitkin@gmail.com
72 Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета
информационных технологий, механики и оптики, 2011, № 1 (71)