УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАНГОВОЙ ОБРАБОТКИ ДИСКРЕТНО-АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ Российский патент 1999 года по МПК G06G7/122 

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в системах обработки изображений и распознавания образов.

Известны устройств, осуществляющие ранговую обработку электрических сигналов: авт. свидет. СССР NN 1298779, 1476500; патент США N 4460837; заявка Японии N 52-26977.

Среди них близким к предлагаемому устройству по назначению и схемному выполнению является устройство для определения заданной порядковой статистики по а.с. N 1298779. Это устройство выполнено на элементах аналоговой и аналого-цифровой техники и позволяет выделять порядковую статистику заданного ранга из входной выборки сигналов. К числу недостатков устройства относятся невысокая точность и относительная сложность. Невысокая точность обусловлена наличием ошибок квантования, связанных с тем, что заданная порядковая статистика формируется как сумма фиксированных напряжений. Относительная сложность связана с необходимостью применения релейных элементов и аналого-цифровых преобразователей со специальным управлением для задания ранга выделяемой порядковой статистики.

Более высокую точность определения значения заданной порядковой статистики обеспечивает устройство для ранговой обработки электрических сигналов по а. с. N 1476500, выбранное в качестве прототипа. Повышение точности достигнуто благодаря введению в устройство генератора линейно нарастающего напряжения и набора компараторов, что в совокупности позволило устранить ошибку квантования при формировании значения порядковой статистики. Кроме того, благодаря однотипности задействованных элементов и связей это устройство является схемно более простым, чем устройство по а.с. N 1298779.

В устройстве-прототипе реализован принцип циклического определения значения сигнала заданного ранга. Цикл начинается с автоматического запуска генератора линейно нарастающего напряжения, амплитуда которого непрерывно и параллельно сравнивается со значениями сигналов, составляющими входную выборку. В момент времени, когда при сравнении сумма превышений достигает заданного ранга, вырабатывается стробирующий импульс и формируется выходной сигнал устройства, равный по величине выделяемой порядковой статистике. На этом один цикл заканчивается и автоматически начинается следующий.

Отсюда ясно, что при неизменной скорости нарастания напряжения на выходе генератора длительность одного цикла работы устройства зависит от ранга (номера) порядковой статистики, которую необходимо выделить, и от соотношений между значениями сигналов входной выборки. Поясним это на примерах, для чего вначале введем необходимые определения и обозначения.

Будем обозначать через
X =(x₁, x₂,..., x_i,..., x_N) (1)
неупорядоченную выборку из N сигналов, значения каждого из которых лежат в диапазоне от x_min до x_max. Примером такой выборки служит дискретно-аналоговый сигнал размерности N.

Если сигналы x_i выборки X упорядочить в порядке возрастания, то получим набор порядковых статистик (вариационный ряд):
x₍₁₎, x₍₂₎,... x_(i),..., X_(N), (2)
удовлетворяющих условию
x₍₁₎ < x₍₂₎ <... < x_(i) <...<x_(N). (3)
Сигнал x_(i) является i-й порядковой статистиков, и его номер (i) - рангом этой статистики. Таким образом, ранг любого сигнала вариационного ряда (2) совпадает с его позицией в этом ряду, отсюда ранг порядковой статистики может принимать значения i=1,2,..., N.

Обратим внимание, что при определении ранга отсчет позиции сигнала в вариационном ряду (2) ведется слева направо. Если же отсчет позиции, занимаемой сигналом в вариационном ряду, вести справа налево, то этот же сигнал как порядковая статистика может быть охарактеризован обратным рангом θ, который связан с рангом r сигнала соотношением
θ = N+1-r. (4)
Поскольку r = (i), то имеем
θ = N+1-(i). (5)
Предположим, требуется выделить порядковую статистику 1-го ранга, т.е. задано r= 1. Согласно реализованному в прототипе принципу значение этой статистики вырабатывается на выходе устройства в момент времени t₁ с начала цикла, когда напряжение на выходе генератора превысит значение x₍₁₎ на некоторый фиксированный (пороговый) уровень U_n.

Если же требуется выделить порядковую статистику N-го ранга (когда задано r= N), то данная статистика будет сформирована на выходе устройства в момент времени t_N с начала цикла.

Поскольку время нарастания напряжения на выходе генератора, входящего в схему устройства, до величины x₍₁₎ значительно меньше, чем до величины x_(N), то, очевидно, t_N > t₁. Следовательно, чем больше ранг выделяемой статистики, тем большее время для этого требуется.

Кроме того, независимо от выделяемого ранга в длительность цикла входит составляющая, представляющая собой время τ_н нарастания напряжения генератора до порогового уровня. Этот уровень в прототипе задается источником порогового напряжения, для чего необходимо знать величину x_max перед началом работы устройства. Величина порогового напряжения в процессе функционирования не меняется.

Поскольку время τ_н пропорционально фиксированному уровню порогового напряжения, а при уменьшении величины x_max для текущей выборки допустимо уменьшение этого уровня, то существует возможность сокращения времени τ_н и, следовательно, длительности цикла. Однако такая возможность в прототипе не реализована.

Таким образом, недостатком устройства-прототипа являются значительные затраты времени на ранговую обработку входных электрических сигналов.

Цель изобретения - повышение быстродействия устройства.

Поставленная цель достигается благодаря введению в устройство блока выделения максимального сигнала, дополнительного сумматора, второго блока компараторов, второго суммирующего компаратора, логической ячейки, мультиплексора-селектора и новым связям между элементами устройства.

К описанию изобретения прилагаются фиг. 1-3. На фиг. 1 приведена структурная схема устройства, где 1 - регистр обрабатываемой выборки сигналов; 2 - блок выделения максимального сигнала; 3 - источник порогового напряжения; 4 - дополнительный сумматор; 5 - сумматор; 6, 7 - соответственно первый и второй блоки компараторов; 8, 10 - соответственно первый и второй суммирующие компараторы; 9 - задатчик ранга выделяемого сигнала; 11 - логическая ячейка; 12 - генератор линейно нарастающего напряжения; 13 - мультиплексор-селектор.

На фиг. 1 приняты обозначения: x₁, x₂,...,х_N - сигналы обрабатываемой выборки; x_(r) - сигнал ранга r; θ - обратный ранг; U_ист, U_пор, U_ген - напряжения.

Регистр 1 предоставляет собой датчик с N выходными шинами, по которым параллельно поступают на обработку сигналы (x_i; i=1,2,...,N) неупорядоченной выборки X. В качестве регистра 1 могут использоваться ПЗС-структура с параллельным выходом (см. кн. Приборы с зарядовой связью /под ред. Д.Ф.Барба. - М. : Мир, 1982, - с. 132), многоотводная линия задержки и другие многоканальные датчики.

Блок 2 выделения максимального сигнала имеет N входов, соединенных с соответствующими выходными шинами регистра 1, и один выход. Если ко входам блока 2 приложены сигналы x₁, x₂,...,x_i,...,x_N, то на его выходе выделяется максимальный из этих сигналов, т.е. x_max = x_(N). Блок 2 может быть выполнен по схеме, приведенной в кн. Коломбет Е.А. Микроэлектронные средства обработки аналоговых сигналов. - М.: Радио и связь, 1991, - с. 180, рис. 6.13.

Источник 3 порогового напряжения формирует напряжение фиксированного уровня U_ист. Этот уровень выбирается исходя из условия чтобы, будучи приложенным через дополнительный сумматор 4 к пороговому входу блока 6, он несколько превышал порог чувствительности компараторов этого блока. Источник 3 может быть выполнен по схеме, приведенной в кн. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. М.: Мир, 1982, - с. 270, рис. 16,29.

Дополнительный сумматор 4 и сумматор 5 предназначены для алгебраического суммирования сигналов, приложенных к их входам.

Дополнительный сумматор 4 выполняется по схеме инвертирующего сумматора (см., например, кн. Коломбета Е.А., с. 96, рис. 4.20а), сумматор 5 - по схеме параллельного сумматора (кн. Коломбета Е.А., с. 96, рис. 4.20б).

Каждый из блоков 6 и 7 состоит из компараторов. Компаратор представляет собой схему сравнения, содержащую несколько входов, один из которых является пороговым, а остальные - суммирующими.

Компаратор имеет характеристику "выход-вход" вида

Выходной сигнал U_k компаратора равен нулю, пока суммарный сигнал u_Σ, приложенный через суммирующие входы, меньше, чем сигнал U_пор на его пороговом входе. При достижении суммарным сигналом u_Σ порогового уровня U_пор компаратор срабатывает и на его выходе появляется стандартный единичный сигнал ("единица"). В качестве компаратора может быть использована схема из кн. Титце У., с. 287, рис. 17.22, или ее разновидность, рис. 17.23.

Каждый компаратор блока 6 имеет два суммирующих входа и пороговый вход, при этом 1-й суммирующий вход соединен с соответствующей шиной регистра 1, 2-й суммирующий вход - с выходом генератора 12, а пороговый вход подключен к выходу дополнительного сумматора 4.

Каждый компаратор блока 7 имеет один суммирующий вход (подключен к выходу генератора 12) и пороговый вход (соединен с соответствующей шиной регистра 1).

По аналогичной схеме выполняются суммирующие компараторы 8 и 10, каждый из которых имеет N суммирующих входов и пороговый вход, который соединен с соответствующим выходом задатчика 9.

С помощью задатчика 9 задается ранг r выделяемого сигнала как порядковой статистики. Задатчик имеет два выхода: 1-й выход, на котором формируется уровень напряжения, равный r единичных сигналов или "единиц", и 2-й выход, на котором формируется уровень напряжения в N+1-r "единиц", соответствующий обратному рангу θ. Задатчик 9 может быть выполнен по схеме, приведенной на фиг. 2.

Логическая ячейка 11 предназначена для управления работой генератора 12. Ненулевой сигнал на выходе ячейки 11 появляется в тот момент времени, когда на один из двух ее входов поступает "единица". В качестве ячейки 11 может быть использован логический элемент ИЛИ (см., например, кн. Титце У., с. 102, рис. 9.5).

Генератор 12 автоматически вырабатывает линейно (монотонно) нарастающее во времени t напряжение U_ген=kt (k -коэффициент пропорциональности), которое сбрасывается до нуля в момент, когда поступает управляющий сигнал на вход сброса. После снятия управляющего сигнала напряжение на выходе генератора вновь нарастает и т.д. Генератор 12 может быть выполнен на основе схемы интегратора со сбросом, описанного в кн. Коломбета Е.А., с. 108, рис. 4.30а. Мультиплектор-селектор 13 имеет два информационных входа, два управляющих входа и один выход, который одновременно является выходом устройства. 1-й информационный вход соединен с выходом сумматора 5, 2-й информационный вход - с выходом генератора 12. 1-й управляющий вход подключен к выходу компаратора 8, 2-й управляющий вход - к выходу компаратора 10. Мультиплектор-селектор может быть выполнен на основе многоканального аналогового ключа 590 KH, схема которого приведена в кн. Шимбирев П.Н. Гидридные непрерывно-логические устройства. - М.: Энергоатомиздат, 1990, - с. 80, рис. 23.

На фиг. 3 приведены графики, поясняющие работу устройства; здесь обозначено: U_l,m - выходной сигнал m-го компаратора l-го блока; Δu - напряжение; t - время.

Устройство работает следующим образом. Предварительно с помощью задатчика 9 выставляется ранг r сигнала, выделяемого из обрабатываемой выборки (1). Предположим, r=R. Тогда после выставки от задатчика 9 к пороговому входу суммирующего компаратора 10 приложен сигнал величиной R, а к первому входу суммирующего компаратора 8 - сигнал величиной θ = N+1-R.
Сигналы обрабатываемой неупорядоченной выборки X по выходным шинам регистра 1 параллельно поступают на первые суммирующие входы соответствующих компараторов блока 6, на пороговые входы соответствующих компараторов блока 7 и одновременно на входы блока 2. Блок 2 выделяют максимальный x_max из сигналов, входящих в обрабатываемую выборку X. Выделенный сигнал x_max суммируется на дополнительном сумматоре 4 с напряжением U_ист, формируемым источником 3. В результате к пороговому входу всех компараторов блока 6 приложено одно и то же напряжение U_пор = x_max+ U_ист, а пороги компараторов блока 7 равны соответствующим сигналам x_i обрабатываемой выборки.

При автоматическом включении генератора 12 нарастающее напряжение U_ген с его выхода поступает на суммирующие входы компараторов блоков 6 и 7.

На каждом компараторе блока 7 нарастающее напряжение генератора непрерывно сравнивается с порогом этого компаратора - сигналом. Очевидно, что первым в блоке 7 сработает тот компаратор, к пороговому входу которого приложен сигнал x_min - минимальный из сигналов срабатываемой выборки X; в этот момент U_ген=x_min. Потом сработает тот компаратор блока 7, к пороговому входу которого приложен минимальный из остальных сигналов выборки X, и т.д. По мере последовательного срабатывания компараторов блока 7 количество "единиц" на суммирующих входах компаратора 10 растет и непрерывно сравнивается с его порогом.

На каждом компараторе блока 6 напряжение генератора суммируется с соответствующим сигналом x_i входной выборки X; i-й компаратор срабатывает, когда на его входах достигается соотношение U_ген + x_i = U_пор. Очевидно, что первым в блоке 6 сработает тот компаратор, к 1-му суммирующему входу которого приложен сигнал x_i = х_max; в этот момент U_ген = U_пор - x_max. Потом срабатывает тот компаратор блока 6, к 1-му суммирующему входу которого приложен максимальный из оставшихся сигналов выборки X, и т.д. По мере последовательного срабатывания компараторов блока 6 количество "единиц" на суммирующих входах компаратора 8 растет и непрерывно сравнивается с его порогом.

Первым из суммирующих компараторов 8 и 10 сработает тот компаратор, у которого число "единиц" на суммирующих входах раньше достигнет его порогового уровня.

Если первым срабатывает компаратор 10, то в соответствии с приведенным выше описанием напряжение генератора 12 в момент срабатывания достигает величины сигнала заданного ранга R, т.е. u*ген

= x_(R); срабатывая, компаратор 10 формирует выходной импульс, который, поступая на 2-й управляющий вход мультиплексора-селектора 13, своим передним фронтом обеспечивает передачу сигнала x_(R) через 2-й информационный вход мультиплексора-селектора на выход устройства. Одновременно импульс с компаратора 10 через логическую ячейку 11 сбрасывает напряжение на выходе генератора 12 до нуля, после чего генератор вновь автоматически включается и начинается очередной цикл ранговой обработки.

Если же первым срабатывает компаратор 8, то в соответствии с приведенным выше описанием напряжение генератора 12 в момент срабатывания достигает величины u*ген

= U_пор-x_(R) = U_ист + x_max - x_(R). Это напряжение приложено к 2-му (прямому) входу сумматора 5, на 2-й (инверсный) вход которого постоянно подан сигнал U_пор. Алгебраическое суммирование этих двух сигналов дает сигнал x_(R) заданного ранга R. При срабатывании компаратора 8 его выходной импульс, поступая на 1-й управляющий вход мультиплектора-селектора 13, обеспечивает передачу сигнала x_(R) с выхода сумматора 5 через 1-й информационный выход мультиплексора-селектора на выход устройства. Одновременно, как и раньше, через ячейку 11 сбрасывается до нуля выходное напряжение генератора 12 и начинается новый цикл.

Проанализируем работу устройства на частном примере, когда обрабатываемая выборка имеет размерность N=7, а распределение сигналов (x_i; 1≤i≤7) имеет вид, представленный на фиг. 3а; здесь же показана величина сигнала |u_пор| = |u_ист+x_max| = |u_ист+x₆|, приложенного к пороговым входам компараторов блока 6.

Предположим, выделению подлежит порядковая статистика ранга r = 4 (медиана). Тогда на 1-м и 2-м выходах задатчика 9 уровень напряжения одинаков и равен 4.

При включении в момент времени t=0 генератора 12 и линейном нарастании его входного напряжения U_ген (фиг. 3б) будут последовательно срабатывать компаратор 7₂ (момент времени t(1)1

, фиг. 3в), компаратор 7₇ (t(1)2 , фиг. 3г), компаратор 7₃ (t(1)3, фиг. 3д), компаратор 7₅ (t(1)4, фиг. 3е). При срабатывании компаратора 7₅ число "единиц" на суммирующих входах компаратора 10 достигнет 4 (фиг. 3ж) и компаратор сработает. В этот момент времени t(1)4 напряжение генератора U_ген является равным по величине сигналу x₅ (сигнал x₅ и есть медиана рассматриваемой в примере выборки) и проходит на выход устройства.

Для сравнения возможностей предложенного устройства и устройства-прототипа рассмотрим гипотетический случай, когда блок 7 компараторов и суммирующий компаратор 10 не функционируют ( например, отключены), а выделение заданной порядковой статистики осуществляется с помощью блока 6 компараторов и суммирующего компаратора 8 (как в схеме прототипа).

Эпюра напряжений Δu_i = u_пор-x_i, необходимых для срабатывания i-x компараторов блока 6, изображена на фиг. 3з.

При автоматическом включении генератора 12 в момент времени t=0 и линейном нарастании его входного напряжения (фиг. 3и) будут последовательно срабатывать компаратор 6₆ (момент времени t(2)1

фиг. 3к), компаратор 6₁ (t(2)2, фиг. 3л), компаратор 6₄ (t(2)3, фиг. 3м) и компаратор 6₅ (t(2)4, фиг. 3н). При срабатывании компаратора 6 число "единиц" на суммирующих входах компаратора 8 станет равным 4 (фиг. 3о) и компаратор сработает. В этот момент времени напряжение генератора U_ген достигнет величины Δu₅ (см. фиг. 3з, и). Алгебраическое суммирование на сумматоре 5 этой величины с величиной U_пор даст сигнал x₅ (медиану), который и пройдет на выход устройства.

Сопоставление затрат времени на выделение заданной порядковой статистики в предложенном устройстве (t(1)4

) и в устройстве-прототипе (t(2)4) показывает, что в первом случае они в 2,7 раза меньше (ср. фиг. 3б и 3и).

Таким образом, введение в устройство второго блока 6 компараторов, второго суммирующего компаратора 10, логической ячейки 11 и мультиплексора-селектора 13 обеспечило достижение поставленной цепи - повышение быстродействия по сравнению с прототипом. Кроме того, благодаря использованию блока 2 выделения максимального сигнала и дополнительного сумматора 4 отпала необходимости в априорной информации о максимальном значении сигналов обрабатываемых выборок, что расширяет возможности устройства.

Использование: в автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в системах обработки изображений и распознавания образов. Цель изобретения - повышение быстродействия. Сущность изобретения: в состав устройства входят регистр обрабатываемой выборки сигналов, блок выделения максимального сигнала, источник порогового напряжения, два сумматора, компараторы, задатчик ранга выделяемого сигнала, элемент ИЛИ, генератор линейно нарастающего напряжения и мультиплексор-селектор. Устройство обеспечивает автоматическое выделение заданной порядковой статистики из неупорядоченной выборки входных сигналов. 3 ил.

Устройство для ранговой обработки дискретно-аналоговых сигналов, содержащее источник порогового напряжения, генератор линейно нарастающего напряжения, первый суммирующий компаратор, первый сумматор, первый блок компараторов и входной регистр, выходы которого соединены с первой группой одноименных входов первого блока компараторов, выходы которого подключены к соответствующим информационным входом первого суммирующего компаратора, выход генератора линейно нарастающего напряжения подключен к второй группе информационных входов первого блока компараторов и к первому входу первого сумматора, отличающееся тем, что в него введены второй сумматор, мультиплексор, второй суммирующий компаратор, второй блок компараторов, элемент ИЛИ, задатчик ранга и блок выделения максимального сигнала, входы которого соединены с первой группой одноименных информационных входов второго блока компараторов и подключены к соответствующим выходам входного регистра, выход блока выделения максимального сигнала соединен с первым входом второго сумматора, второй вход которого подключен к выходу источника порогового напряжения, выход второго сумматора соединен с пороговыми входами первого блока компараторов и с вторым входом первого сумматора, выход которого соединен с первым информационным входом мультиплексора, выход генератора линейно нарастающего напряжения соединен с вторым информационным входом мультиплексора и с второй группой информационных входов второго блока компараторов, выходы которого соединены с одноименными информационными входами второго суммирующего компаратора, выходы задатчика ранга соединены с пороговыми входами суммирующих компараторов, выходы которых подключены к управляющим входам мультиплексора и ко входам элемента ИЛИ, выход которого соединен с входом сброса генератора линейно нарастающего напряжения.