РАНГОВЫЙ КВАНТОВАТЕЛЬ Российский патент 1996 года по МПК G06G7/25 

Изобретение относится к области автоматике и аналоговой вычислительной технике, в частности может быть использовано в нейтронных сетях для ситуационной классификации заданного множества аналоговых сигналов, для адресно-ранговой идентификации сигналов и дp.

Известны аналого-ранговые преобразователи, воспроизводящие операцию линейного преобразования ранга r_i заданного сигнала x_i x^(ri⁾принадлежащего множеству аналоговых сигналов x₁,x_n [1]
Недостатком известных устройств является ограниченные функциональные возможности, так как они не могут воспроизводить операцию параллельного аналого-рангового преобразования всего множества x₁,x_nсигналов. Такое параллельное преобразование возможно при использовании нескольких аналого-ранговых преобразователей (по количеству сигналов x₁,x_n),но при этом в n раз возрастают аппаратурные затраты.

Наиболее близким к предлагаемому схемному решению является трехканальный аналого-ранговый преобразователь (ранговый квантователь), осуществляющий по выходам v₁,v_n операцию аналого-рангового преобразования трех (n=3) аналоговых сигналов. Ранговый квантователь построен на трех регуляторах логических элементах, воспроизводящих элементарные операции предикатной алгебры выбора, и трех сумматорах. Недостатком этого устройства являются ограниченные функциональные возможности, так как его размерность жестко ограничена тремя аналоговыми сигналами (n=3) и он не допускает смещения (сдвига) квантованного вектора (v₁,v_n выходных сигналов по числовой оси [2]
Целью изобретения является расширение функциональных возможностей за счет обработки массива входных сигналов любой размерности и смещения вектора выходных сигналов по числовой оси.

Это достигается тем, что в ранговом квантователе, содержащем n входных и выходных шин и 0,5 n (n-1) реляторов, переключательные входы которых присоединены к первому источнику опорного напряжения, инвертирующие компараторные входы реляторов i-й группы присоединены к (i+1)-й входной шине, а их неинвертирующие компараторные входы от первого до i- го релятора присоединены соответственно к первой до i-й входным шинам квантователя, каждая суммирующая шина содержит n-1 двувходовых сумматоров, в которой выход каждого предыдущего сумматора соединен с первым входом последующего сумматора, вторые выходы реляторов в каждой i-й группе соединены с вторыми входами сумматоров (i+1)-й суммирующей шины, первые выходы первого до i-го реляторов в каждой i-й группе соединены с вторыми входами сумматоров, расположенными соответственно в первой до i-й суммирующих шинах, первые входы первых сумматоров всех суммирующих шин объединены и присоединены к второму источнику опорного напряжения.

На фиг. 1 изображена схема рангового квантователя (n-канального аналого-рангового преобразователя) при n 4. Квантователь содержит 0,5 n (n-1) реляторов 1₁ (первая группа реляторов), 2₁, 2₂ (вторая группа), N₁, N₂,N_n-1 (N-я группа реляторов), n входных 4 и n суммирующих 5 шин. Каждая суммирующая (сборочная) шина содержит n-1 двувходовых сумматоров 6₁, 7₁ (сумматоры первой группы), 8₂, 9₂, 10₂, 11₂ (сумматоры второй группы), 12_N, 13_N, 14_N, 15_N, 16_N, 17_N (сумматоры N-й группы), (для фиг.1 N=n-1=3).

При необходимости каждая суммирующая шина может быть заменена n-входовым сумматором.

На входные (распределительные) шины подаются компоненты x₁,x_nвектора (х₁,х₂) входных аналоговых сигналов.

На фиг.2 изображена схема используемых в квантователе ряляторов.

Дифференциальный компаратор 20 управляет состоянием размыкающего 21 и замыкающего 22 ключей. Входные выводы ключей соединены и образуют переключательный вход релятора.

Каждая i-я группа реляторов содержит i реляторов, i 1,2,N=n-1. Инвертирующие компараторные входы реляторов i-й группы присоединены к (i+1)-й входной шине, а их неинвертирующие компараторные входы (вход первого релятора до входа i-го последнего релятора i-й группы) присоединены соответственно к первой до i-й входной шине.

Выход каждого предыдущего сумматора в каждой выходной шине соединен с первым входом последующего сумматора.

Вторые выходы в каждой i-й группе реляторов присоединены к (i+1)-й выходной шине. Первые выходы в каждой i-й группе реляторов присоединены к вторым входам сумматоров, расположенных соответственно в первой, второй и т.д. до i-й выходной шине.

Переключательные входы реляторов объединены и присоединены к первому источнику 18 опорного напряжения Е. Первые входы первых сумматоров всех суммирующих шин объединены и присоединены к второму (смещающему) источнику 19 опорного напряжения Е_о. Выходом устройства являются первые выходы реляторов последней (n-1)-й группы и второй выход последнего релятора N_n-1 (n-1)-й группы, с которых снимается квантованный вектор (v₁, v₂,v_n) выходных сигналов.

Первые выходы реляторов и второй выход последнего релятора в каждой i-й группе образуют n-2 дополнительных выходов рангового квантователя с выходными векторами (v₁,v₂) при i=1, (v₁, v₂, v₃) при n=2, (v₁,v₂,v_n-1) при i=n-1.

Работа рангового квантователя осуществляется следующим образом.

Ранговый квантователь при Е_о=Е осуществляет отображение (x₁,x_n) ->>(v₁, v₂,v_n) задающего вектора (x₁,x_n) в кортеж сигналов (v₁,v_n). Здесь v₁=r_i E, x_i x^(ri), где r_i есть ранг сигнала x_i, т.е. ранг r_i сигнала x_i=x^(ri) является порядковым номером этого сигнала в последовательности x⁽¹⁾,x⁽ⁿ⁾, полученной путем ранжирования входных сигналов x₁,x_n в порядке иx неубывания.

При n переменных возможны n! ситуационных отношений R_i (x,x) переменных x₁,x_n, где i₁,i_n есть i-я перестановка целых чисел 1,2,n, представленные при n= 3 в таблице.

Здесь фрагмент таблицы II v_i II выделенный двойными линиями, является рангового-адресной матрицей, которая воспроизводится ранговым квантователем. Устройство реализует алгоритм
r_i=I_p(x_i-x_k)+ с идентификацией адреса (номера входа)
i iδ(x_i-x^(r)) переменной x_i в кортеже (x₁,x_n) входных переменных x_i.

Здесь I_p(x) есть единичная функция, равная нулю при x < 0, единице при х > 0 и p∈0,1} при х 0, δ (х) есть δ -функция Дирана равная единице при х=0 и нулю при х≠ 0.

При Е_о=E в приведенной формуле константа 1-p=0. При Е_о 0 квантователь воспроизводит вышеприведенный алгоритм при =1.

В последнем случае (источник Е_о 19 отсутствует) первые сумматоры 6₁, 7₁, 9₂, 13₃ в каждой шине могут быть устранены.

В устройстве неквантованные по амплитуде компоненты вектора входных переменных преобразуется в равномерно квантованный по амплитуде вектор (v₁, v_n) выходных переменных с сохранением ранговых отношений исходного вектора (x₁,x_n).

При необходимости координаты вектора (v₁,v_n) могут быть смещены на величину Е_о, т.е. в общем случае v_i (r_i-1)E+E_о.

По каждому выходу v_i квантователь является аналого-ранговым преобразователем сигнала x_i, а по всей совокупности выходов v₁,v_n ранговым квантователем с амплитудой идентификацией входа i, на который воздействует сигнал x_i ранга r_i (выходной сигнал v_i r_iE индентифицирует i-й входной сигнал x_i как по адресу i входа, так и по его рангу r_i).

Таким образом, по сравнению с прототипом предложенное схемное решение позволяет осуществлять ранговое квантование входного вектора произвольной размерности и сдвиг квантованного выходного вектора вдоль числовой оси, а также параллельное ранговое квантование двух, трех и т.д. для n-1 переменных. При этом наращивание размеpности квантователя осуществляется без разрушения исходной схемы квантователя меньшей размерности.

Квантователь обладает высоким быстродействием, так как в отличии от устройств с последовательным алгоритмом обработки здесь преобразование осуществляется за один такт с быстродействием τ τ _p + +(n-1) τ _c,где τ _p и τ _c время задержки реляторов и сумматоров.

Использование: в автоматике и вычислительной технике для рангово-адресной идентификации массивов аналоговых сигналов. Сущность изобретения: квантователь содержит n входных шин и n суммирующих шин, в каждую из которых включены n-1 последовательно соединенных сумматоров, и 0,5n(n-1) реляторов, состоящих из компараторов, которые управляют демультиплексорным перекидным ключом. Переключательные входы реляторов и входы суммирующих шин соединены соответственно с первым и вторым источниками опорных напряжений. Реляторы образуют n-1 групп, в которых i-я группа (i= 1, 2....n-1) содержит i реляторов. Инвертирующие компараторные входы i-й группы реляторов присоединены к (i+ 1)-й входной шине, а их вторые выходы соединены с вторыми входами сумматоров (i+ 1)-й суммирующей шины, неинвентирующие компараторные входы i-й группы реляторов присоединены соответственно к первой до i-й входным шинам, а их первые выходы присоединены к вторым входам сумматоров, расположенных соответственно в первой до i-й суммирующих шинах. 2 ил., 1 табл.

Ранговый квантователь, содержащий первый источник опорного напряжения, n входных шин, n суммирующих шин и 0,5n(n 1) реляторов, составляющих n 1 групп по i реляторов (где i 1,2, n 1) в i-й группе, каждый релятор содержит дифференциальный компаратор и замыкающий и размыкающий ключи, в каждом реляторе выход дифференциального компаратора соединен с управляющими входами замыкающего и размыкающего ключей, первые выводы которых подключены к первому источнику опорного напряжения, отличающийся тем, что в него введен второй источник опорного напряжения, j-я (j 1 n) суммирующая шина содержит n 1 сумматоров, первые входы первых сумматоров суммирующих шин подключены к второму источнику опорного напряжения, выход i-го сумматора j-й суммирующей шины соединен с первым входом (i + 1)-го сумматора j-й суммирующей шины, инвертирующие входы дифференциальных компараторов i-й группы подключены к (i + 1)-й входной шине, неинвертирующие входы с первого по i-й дифференциальных компараторов каждой группы соединены с одноименной входной шиной, вторые выводы замыкающих ключей i-й группы подключены к вторым входам сумматоров (i + 1)-й суммирующей шины, вторые выводы с первого по i-й размыкающих ключей i-й группы соединены с вторыми входами сумматоров с первой по i-ю суммирующих шин, вторые выводы замыкающих и размыкающих ключей являются соответствующими выходами квантователя.