МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ЗНАКОВЫЙ КОРРЕЛОМЕТР Российский патент 2001 года по МПК G06F17/15 

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться в измерительных системах, предназначенных для анализа характеристик стохастической взаимосвязи случайных процессов.

Известен цифровой знаковый коррелометр для измерения корреляционных функций случайных процессов с любым законом распределения вероятностей, содержащий два входных устройства, входы которых являются входами коррелометра, а выходы соединены с первыми входами первого и второго сравнивающих устройств, вторые входы которых подключены к выходам соответственно первого и второго генераторов случайных равновероятных сигналов, первый и второй выходы первого сравнивающего устройства соединены с нулевым и единичным входами первого триггера, прямой и инверсный выходы которого соединены с первыми входами первой и второй схем совпадения, вторые входы которых подключены к первому и второму выходам второго сравнивающего устройства, выход генератора импульсов опроса соединен через кнопку пуска с единичным входом второго триггера, с управляющим входом второго сравнивающего устройства и с управляющим входом делителя-коммутатора, основной вход которого соединен с выходами первой и второй схем совпадения, каждый канальный выход делителя-коммутатора, соединен с входом соответствующего счетчика импульсов, управляющий выход делителя- коммутатора подключен к управляющему входу первого сравнивающего устройства и к сигнальному входу временного селектора, выход которого соединен через делитель частоты с нулевым входом второго триггера, прямой выход которого соединен с управляющим входом временного селектора, с управляющими входами первой и второй схем совпадения, а также с управляющими входами счетчиков импульсов. Показание i-ого счетчика импульсов в конце цикла измерения соответствует i-ой ординате корреляционной (или взаимной корреляционной) функции (А.С. СССР N 304583, МКИ G 06 F 15/34. Бюл. N 17, 1971).

Недостатком данного знакового коррелометра является большая статистическая погрешность при ограниченной длительности реализаций исследуемых сигналов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является коррелометр, содержащий первый и второй компараторы, первый и второй дополнительные блоки умножения, первый и второй триггеры, генератор тактовых импульсов, распределитель импульсов, группу из N триггеров и N блоков умножения, первую и вторую группы из М счетчиков, третью группу из N счетчиков, N блоков коммутации и М блоков деления, причем первые входы первого и второго компараторов являются соответственно первым и вторым входами коррелометра, а вторые входы компараторов подключены к шине нулевого потенциала, выходы первого и второго компараторов соединены с первыми информационными входами первого и второго дополнительных блоков умножения соответственно, вторые информационные входы которых подключены к прямым выходам первого и второго триггеров соответственно, счетные входы которых соединены с выходами первого и второго дополнительных блоков умножения соответственно, выход первого дополнительного блока умножения соединен с входом распределителя импульсов, а выход второго дополнительного блока умножения соединен со вторыми управляющими входами каждого блока коммутации, инверсный выход первого триггера соединен с установочными входами всех триггеров группы, выходы распределителя импульсов соединены со счетными входами соответствующих триггеров группы, с первыми управляющими входами соответствующих блоков коммутации и с входами установки соответствующих счетчиков третьей группы, тактовые входы которых объединены и подключены к выходу генератора тактовых импульсов, а выходы счетчиков третьей группы соединены со вторыми информационными входами одноименных блоков коммутации, инверсный выход второго триггера соединен со вторыми информационными входами каждого блока умножения, первые входы которых соединены с выходами триггеров группы, а выходы соединены с первыми входами блоков коммутации, группа управляющих входов каждого последующего блока коммутации соединена с группой выходов предыдущего блока коммутации, а группа выходов n-го блока коммутации соединена с группой управляющих входов первого блока коммутации, первые выходы блоков коммутации объединены и подключены через соответствующие счетчики первой группы к первым входам соответствующих блоков деления, вторые входы которых соединены с выходами соответствующих счетчиков второй группы, входы которых соединены соответственно с объединенными вторыми выходами блоков коммутации, выходы блоков деления являются выходами коррелометра (А.С. СССР N 1224806, МКИ G 06 F 15/336. Бюл. N 14, 1986).

Недостатком данного коррелометра является низкая статистическая точность получения оценок корреляционной и взаимной корреляционной функций. Кроме того данный коррелометр позволяет анализировать только сигналы с нормальным законом распределения.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности получения оценок корреляционной и взаимной корреляционной функций и расширение функциональных возможностей за счет анализа случайных процессов с любым законом распределения.

Цель достигается тем, что в коррелометр, содержащий первый и второй компараторы, первые входы которых являются соответственно первым и вторым входами коррелометра, выход второго компаратора соединен с входом формирователя коротких импульсов, выход которого соединен с информационным входом первого распределителя импульсов, группу из N двоичных счетчиков, счетные входы которых объединены и подключены к выходу генератора тактовых импульсов, группу из N RS- триггеров, введены первый и второй генераторы случайных равномерно распределенных сигналов, инвертор, первый, второй и третий элементы И, элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, реверсивный счетчик, делитель с перестраиваемым коэффициентом деления, второй распределитель импульсов, RS-триггер и М блоков обработки временных интервалов, причем выходы первого и второго генераторов случайных равномерно распределенных сигналов соединены со вторыми входами соответственно первого и второго компараторов, выход первого компаратора соединен с первым входом элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и со знаковым входом каждого из М блоков обработки временных интервалов, выход второго компаратора соединен с первым входом первого элемента И непосредственно и через инвертор соединен с первым входом второго элемента И, а также со вторым входом элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выход которого соединен с входом управления направлением счета реверсивного счетчика, вторые входы первого и второго элементов И объединены и подключены к входу "Пуск" коррелометра, выходы первого и второго элементов И соединены соответственно с входом записи единицы и входом записи нуля каждого из М блоков обработки временных интервалов, N выходов первого распределителя импульсов соединены с входами сброса соответствующих N RS-триггеров группы, входы установки которых объединены и подключены к входу "Пуск" коррелометра, прямые выходы N RS-триггеров группы соединены с входами разрешения счета соответствующих N двоичных счетчиков группы, входы сброса которых объединены и подключены к входу "Пуск" коррелометра, прямой выход последнего N-ого RS-триггера группы соединен также с управляющим входом первого распределителя импульсов и со вторым входом третьего элемента И, первый вход которого подключен к выходу генератора тактовых импульсов, а выход соединен со счетным входом реверсивного счетчика, вход сброса которого подключен к входу "Пуск" коррелометра, выход реверсивного счетчика является выходом оценки нулевой ординаты корреляционной функции, выход i-ого (где i= 1, 2, ..., N) двоичного счетчика группы соединен с i-ыми входами приема данных всех блоков обработки временных интервалов, выход последнего N-ого двоичного счетчика группы является одним из выходов коррелометра и несет информацию о длительности времени измерения, выход генератора тактовых импульсов соединен со счетным входом делителя с перестраиваемым коэффициентом деления и со счетным входом каждого из М блоков обработки временных интервалов, установочный вход делителя с перестраиваемым коэффициентом деления подключен к входу "Пуск" коррелометра, а вход задания коэффициента деления является входом задания шага задержки измерения корреляционной функции, вход управления делителя с перестраиваемым коэффициентом деления и вход управления второго распределителя импульсов объединены и подключены к прямому выходу RS-триггера, вход установки которого подключен к входу "Пуск" коррелометра, выход делителя с перестраиваемым коэффициентом деления соединен с информационным входом второго распределителя импульсов, М выходов которого соединены с входами запуска соответствующих М блоков обработки временных интервалов, последний М-ый выход второго распределителя импульсов соединен также с входом сброса RS- триггера, входы установки блоков обработки временных интервалов объединены и подключены к входу "Пуск" коррелометра, выход j-ого (где j=1, 2, ..., М) блока обработки временных интервалов является выходом j-ой оценки ординаты корреляционной функции.

В каждом из М блоков обработки временных интервалов первый вход элемента ИЛИ объединен с входами сброса двоичного счетчика и реверсивного счетчика и является входом установки блока, выход элемента ИЛИ соединен с входом сброса RS-триггера, вход установки которого является входом запуска блока, а прямой выход соединен с входом разрешения счета двоичного счетчика и со вторыми входами первого, второго и третьего элементов И, счетный вход двоичного счетчика объединен с первым входом третьего элемента И и является счетным входом блока, выход двоичного счетчика соединен со вторыми входами N схем сравнения, первые входы которых являются N входами приема данных блока, выходы первых (N-1) схем сравнения соединены с входами (N-1-входового элемента ИЛИ соответственно, выход которого соединен с первым входом второго элемента И, выход последней N-ой схемы сравнения соединен с первым входом первого элемента И, выход которого соединен со вторым входом элемента ИЛИ, выход второго элемента И соединен со счетным входом Т-триггера, входы установки и сброса которого являются соответственно входом записи единицы и входом записи нуля блока, выход Т-триггера соединен с вторым входом элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, первый вход которого является знаковым входом блока, а выход соединен с входом управления направлением счета реверсивного счетчика, счетный вход которого подключен к выходу третьего элемента И, выход реверсивного счетчика является выходом блока обработки временных интервалов.

На фиг. 1 представлена структурная схема коррелометра; на фиг.2 - структурная схема блока обработки временных интервалов; на фиг.3 - структурная схема формирователя коротких импульсов и временные диаграммы его работы.

Коррелометр содержит первый 1 и второй 2 генераторы случайных равномерно распределенных сигналов, первый 3 и второй 4 компараторы, формирователь 5 коротких импульсов, первый 6 и второй 17 распределители импульсов, группу RS-триггеров 7₁-7_N, группу двоичных счетчиков 8₁-8_N, инвертор 9, первый 10, второй 11 и третий 12 элементы И, элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 13, реверсивный счетчик 14, генератор 15 тактовых импульсов, делитель 16 с перестраиваемым коэффициентом деления, RS-триггер 18 и блоки 19₁-19_M обработки временных интервалов.

Каждый из блоков обработки временных интервалов содержит элемент ИЛИ 20, RS-триггер 21, двоичный счетчик 22, N схем сравнения 23₁-23_N, (N-1-входовой элемент ИЛИ 24, первый 25, второй 26 и третий 27 элементы И, Т-триггер 28, элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 29 и реверсивный счетчик 30.

Формирователь коротких импульсов содержит элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 31 и Т-триггер 32.

Выходы первого 1 и второго 2 генераторов случайных равномерно распределенных сигналов соединены со вторыми входами соответственно первого 3 и второго 4 компараторов, первые входы которых являются соответственно первым и вторым входами коррелометра, выход первого 3 компаратора соединен с первым входом элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 13 и со знаковым входом каждого из N блоков 19₁-19_M обработки временных интервалов, выход второго 4 компаратора соединен с входом формирователя 5 коротких импульсов, с первым входом первого 10 элемента И непосредственно и через инвертор 9 соединен с первым входом второго 11 элемента И, а также со вторым входом элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 13, выход которого соединен с входом управления направлением счета реверсивного счетчика 14, вторые входы первого 10 и второго 11 элементов И объединены и подключены к входу "Пуск" коррелометра, выходы первого 10 и второго 11 элементов И соединены соответственно с входом записи единицы и входом записи нуля каждого из М блоков 19₁-19_M обработки временных интервалов, выход формирователя 5 коротких импульсов соединен с информационным входом первого 6 распределителя импульсов, N выходов которого соединены с входами сброса соответствующих N RS-триггеров 7₁-7_N группы, входы установки которых объединены и подключены к входу "Пуск" коррелометра, прямые выходы N RS-триггеров 7₁-7_N группы соединены с входами разрешения счета соответствующих N двоичных счетчиков 8₁-8_N группы, входы сброса которых объединены и подключены к входу "Пуск" коррелометра, счетные входы N двоичных счетчиков 8₁-8_N группы тоже объединены и подключены к выходу генератора 15 тактовых импульсов, прямой выход последнего N-ого RS-триггера 7_N группы также соединен с управляющим входом первого 6 распределителя импульсов и со вторым входом третьего 12 элемента И, первый вход которого подключен к выходу генератора 15 тактовых импульсов, а выход соединен со счетным входом реверсивного счетчика 14, вход сброса которого подключен к входу "Пуск" коррелометра, а выход является выходом оценки нулевой ординаты корреляционной функции, выход i-ого (где i= 1,2, . . . , N) двоичного счетчика 8_i группы соединен с i-ыми входами приема данных всех блоков 19₁-19_M обработки временных интервалов, выход последнего N-ого двоичного счетчика 8_N группы является одним из выходов коррелометра и несет информацию о длительности времени измерения, выход генератора 15 тактовых импульсов соединен со счетным входом делителя 16 с перестраиваемым коэффициентом деления и со счетными входами М блоков 19₁-19_M обработки временных интервалов, установочный вход делителя 16 с перестраиваемым коэффициентом деления подключен к входу "Пуск" коррелометра, а вход задания коэффициента деления является входом задания шага задержки измерения корреляционной функции, вход управления делителя 16 с перестраиваемым коэффициентом деления и вход управления второго 17 распределителя импульсов объединены и подключены к прямому выходу RS-триггера 18, вход установки которого подключен к входу "Пуск" коррелометра, выход делителя 16 с перестраиваемым коэффициентом деления соединен с информационным входом второго 17 распределителя импульсов, М выходов которого соединены с входами запуска соответствующих М блоков 19₁-19_M обработки временных интервалов, последний М-ый выход второго 17 распределителя импульсов соединен также с входом сброса RS-триггера 18, входы установки М блоков 19₁-19_M обработки временных интервалов объединены и подключены к входу "Пуск" коррелометра, выход j-ого (где j= 1,2,..., М) блока 19_j обработки временных интервалов является выходом j-ой оценки ординаты корреляционной функции.

В каждом из М блоков обработки временных интервалов первый вход элемента ИЛИ 20 объединен с входами сброса двоичного счетчика 22 и реверсивного счетчика 30 и является входом установки блока, выход элемента ИЛИ 20 соединен с входом сброса RS-триггера 21, вход установки которого является входом запуска блока, а прямой выход соединен с входом разрешения счета двоичного счетчика 22 и со вторыми входами первого 25, второго 26 и третьего 27 элементов И, счетный вход двоичного счетчика 22 объединен с первым входом третьего 27 элемента И и является счетным входом блока, выход двоичного счетчика 22 соединен со вторыми входами N схем сравнения 23₁-23_N, первые входы которых являются N входами приема данных блока, выходы первых (N-1) схем сравнения 23₁-23_N-1 соединены с входами (N-1)-входового элемента ИЛИ 24 соответственно, выход которого соединен с первым входом второго 26 элемента И, выход последней N-ой схемы сравнения 23_N соединен с первым входом первого 25 элемента И, выход которого соединен со вторым входом элемента ИЛИ 20, выход второго 26 элемента И соединен со счетным входом Т-триггера 28, входы установки и сброса которого являются соответственно входом записи единицы и входом записи нуля блока, выход Т- триггера 28 соединен с вторым входом элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 29, первый вход которого является знаковым входом блока, а выход соединен с входом управления направлением счета реверсивного счетчика 30, счетный вход которого подключен к выходу третьего элемента И 27, выход реверсивного счетчика 30 является выходом блока обработки временных интервалов.

Коррелометр может измерять корреляционные и взаимные корреляционные функции и работает следующим образом.

При измерении взаимной корреляционной функции R_xy(τ) исследуемые центрированные случайные сигналы и поступают соответственно на первый и второй входы коррелометра, то есть на первые входы соответственно первого 3 и второго 4 компараторов, на вторые входы которых поступают сигналы ξ₁ (t) и ξ₂ (t) с выходов соответственно первого 1 и второго 2 генераторов случайных равномерно распределенных сигналов. Значения каждого из вспомогательных сигналов ξ₁ (t) и ξ₂ (t) независимы относительно друг друга, а также по отношению к значениям исследуемых сигналов (t) и (t). Сигналы ξ₁ (t) и ξ₂ (t) распределены равномерно внутри интервалов от -А до +А и от -В до +В соответственно, то есть их плотности вероятностей имеют вид


причем величины А и В должны удовлетворять следующим условиям

где максимально возможные абсолютные значения, которые могут принять соответственно сигналы (t) и (t).

В качестве вспомогательных сигналов ξ₁ (t) и ξ₂ (t) допускается использование линейно изменяющихся периодических сигналов (см. Мирский Г.Я. Характеристики стохастической взаимосвязи и их измерения - М.: Энергоиздат, 1982, с. 190). В частности можно использовать сигналы треугольной формы (схему генератора треугольной формы см. в книге: Применение прецизионных аналоговых микросхем /А.Г.Алексенко, Е.А.Коломбет, Г.И.Стародуб. - М.: Радио и связь, 1985, с. 165, рис. 4.11).

Первый 3 и второй 4 компараторы осуществляют операции сравнения соответственно сигнала (t) с сигналом ξ₁ (t) и сигнала (t) с сигналом ξ₂ (t). В результате этих операций будем иметь сигналы z₁(t) и z₂(t), которые являются знаковыми сигналами, то есть их можно описать с помощью знаковой функции


где S_gn{...} - символ знаковой функции.

Поскольку на практике схемы сравнения всегда фиксируют нулевые значения знаковых сигналов с равной вероятностью либо как "+1", либо как "-1", при измерениях обычно используют знаковую функцию, которая принимает значения "-1" и "+1" (см. Мирский Г.Я. Характеристики стохастической взаимосвязи и их измерения - М.: Энергоиздат, 1982, с.179). В соответствии с этим выражения (4) и (5) можно записать в следующем виде


При технической реализации коррелометра в качестве первого 3 и второго 4 компараторов можно использовать интегральные компараторы (см. Нефедов А.В. Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги: Справочник. Т.5. - М.: КУбК-а, 1997, с.113-119). В этом случае уровни логической единицы на выходах первого 3 и второго 4 компараторов будут соответствовать значению "+1" знаковых сигналов z₁(t) и z₂(t), а уровни логического нуля на выходах этих компараторов будут соответствовать значению "-1" знаковых сигналов z₁(t) и z₂(t).

Сигнал z₂(t) с выхода второго 4 компаратора поступает на вход формирователя 5 коротких импульсов, который в моменты времени смены логического уровня сигналом z₂(t) выдает на своем выходе короткие импульсы. Формирователь 5 коротких импульсов может иметь различные схемные решения, необходимо лишь только то, чтобы он в точности выполнял свое функциональное назначение. Один из возможных вариантов такого формирователя и временные диаграммы его работы представлены на фиг.3. В данном случае он основан на использовании элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 31, один из входов которого является входом формирователя, а выход соединен со счетным входом Т-триггера 32 и является выходом формирователя, выход Т-триггера соединен с вторым входом элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 31.

Импульсы с выхода формирователя 5 коротких импульсов поступают на информационный вход первого 6 распределителя импульсов.

В исходном состоянии коррелометра на прямых выходах группы RS-триггеров 7₁-7_N и на прямом выходе RS-триггера 18 присутствуют уровни логического нуля.

Уровни логического нуля с прямых выходов RS-триггеров 7₁-7_N группы поступают на входы разрешения счета соответствующих двоичных счетчиков 8₁-8_N группы и запрещают им счет тактовых импульсов, поступающих на их счетные входы с выхода генератора 15 тактовых импульсов.

Первый 6 распределитель импульсов, а также делитель 16 с перестраиваемым коэффициентом деления и второй 17 распределитель импульсов не функционируют, так как уровни логического нуля, поступающие на их управляющие входы с прямых выходов соответственно N-ого RS-триггера 7_N группы и RS-триггера 18, блокируют их работу.

Одновременно уровень логического нуля с прямого выхода N-ого RS-триггера 7N группы поступает и на второй вход третьего 12 элемента И и запрещает прохождение тактовых импульсов на счетный вход реверсивного счетчика 14.

Блоки 19₁-19_M обработки временных интервалов также не функционируют.

Начало работы коррелометра осуществляется по сигналу "Пуск". Сигнал "Пуск" представляет собой короткий импульс. Момент времени действия этого сигнала определяет начало процесса измерения взаимной корреляционной функции R_xy( τ ) и соответствует времени t₀, которое принимается равным нулю, то есть t₀=0.

По сигналу "Пуск" в коррелометре осуществляются следующие установки:
- двоичные счетчики 8₁-8_N группы и реверсивный счетчик 14 обнуляются;
- на прямых выходах группы RS-триггеров 7₁-7_N и RS-триггера 18 устанавливаются уровни логической единицы;
- целочисленное значение K_д коэффициента деления записывается в делитель 16 с перестраиваемым коэффициентом деления.

Кроме того, сигнал "Пуск" поступает на вторые входы первого 10 и второго 11 элементов И. При этом на первый вход первого 10 элемента И поступает непосредственно сигнал z₂(t), а на первый вход второго 11 элемента И сигнал z₂(t) поступает через инвертор 9. В соответствии с этим если в момент времени t₀ действия сигнала "Пуск", принимаемого за начало процесса измерения, сигнал z₂(t) имеет уровень логической единицы (это означает, что z₂(t₀)= S_gn(t₀)-ξ₂(t₀)} =+1), то сигнал "Пуск" проходит на выход первого 10 элемента И и далее поступает на входы записи единицы всех блоков 19₁-19_M обработки временных интервалов. Если же в момент времени t₀ действия сигнала "Пуск" сигнал z₂(t) имеет уровень логического нуля (это означает, что z₂(t₀)=S_gn{ y(t₀) - ξ₂ (t₀)} =-1), то сигнал "Пуск" проходит на выход второго 11 элемента И и далее поступает на входы записи нуля всех блоков 19₁-19_M обработки временных интервалов. Фактически это означает, что в момент действия сигнала "Пуск", то есть в момент времени t₀, соответствующий началу процесса измерения, в блоки 19₁-19_M обработки временных интервалов записывается начальное значение z₂(t₀) сигнала z₂(t).

Сигнал "Пуск" поступает также на входы установки блоков 19₁-19_M обработки временных интервалов и переводит их в режим ожидания.

На этом все установки завершаются, и начинается непосредственно процесс измерения взаимной корреляционной функции R_xy ().

Сигналы z₁(t) и z₂(t) поступают соответственно на первый и второй входы элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 13, который выполняет функцию знакового умножителя. Если знаки сигналов z₁(t) и z₂(t) совпадают, то на выходе элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 13 будет присутствовать уровень логического нуля. Это означает, что результат произведения этих сигналов равен "+1". Если знаки сигналов z₁(t) и z₂(t) являются противоположными, то на выходе элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 13 будет присутствовать уровень логической единицы. Это означает, что результат произведения этих сигналов равен "-1". Сигнал с выхода элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 13 поступает на вход управления направлением счета реверсивного счетчика 14. При этом уровень логического нуля на этом входе определят прямой счет реверсивного счетчика 14 (режим суммирования тактовых импульсов), а уровень логической единицы определят обратный счет реверсивного счетчика 14 (режим вычитания тактовых импульсов). (В качестве реверсивного счетчика 14 можно использовать, например, реверсивный счетчик К555ИЕ13. См. Нефедов А.В. Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги: Справочник. Т. 5. - М.: КУбК-а, 1997. С. 168.)
Уровень логической единицы с прямого выхода N-oгo RS-триггера 7_N группы поступает на второй вход третьего 12 элемента И и разрешает прохождение тактовых импульсов с его первого входа на счетный вход реверсивного счетчика 14. В зависимости от уровня сигнала на входе управления направлением счета реверсивный счетчик 14 будет работать или в режиме суммирования входной последовательности тактовых импульсов или в режиме вычитания.

Уровни логической единицы с прямых выходов RS-триггеров 7₁-7_N группы поступают на входы разрешения счета соответствующих двоичных счетчиков 8₁-8_N группы и разрешают им счет тактовых импульсов, поступающих на их счетные входы с выхода генератора 15 тактовых импульсов. (В качестве двоичных счетчиков 8₁-8_N можно использовать, например, счетчик К555ИЕ10. См. Нефедов А.В. Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги: Справочник. Т.5. - М.: КУбК-а, 1997, с.166.)
Уровень логической единицы с выхода N-oгo RS-триггера 7_N группы поступает также на управляющий вход первого 6 распределителя импульсов и разрешает ему работу. В результате этого импульсы, поступающие с выхода формирователя 5 коротких импульсов на информационный вход первого 6 распределителя, последовательно проходят на его выходы. При этом первый импульс проходит на первый выход, второй импульс - на второй выход, и т.д. N-ый импульс проходит на N-ый выход. В общем случае i-ый импульс проходит на i-ый выход (где i=1,2,3,..., N). Распределитель импульсов может быть построен на основе дешифратора и двоичного счетчика. (В частности, в качестве дешифратора можно использовать микросхемы К155ИДЗ или К555ИДЗ и схемы аналогичные им по назначению. Примеры схем включения дешифратора и их использования см., например, Зельдин Е.А. Цифровые интегральные микросхемы в информационно-измерительной аппаратуре. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1986, с. 115-118.)
Принимая во внимание, что сигнал "Пуск" определяет момент времени t₀, соответствующий началу процесса измерения, будем иметь, что импульсы на выходах первого 6 распределителя импульсов соответствуют моментам времени t₁, t₂, t₃,..., t_N, в которые сигнал z₂(t) меняет свое значение после подачи сигнала "Пуск".

Импульсы с выходов первого 6 распределителя импульсов поступают последовательно в моменты времени t₁, t₂, t₃,..., t_N, на входы сброса соответствующих RS-триггеров 7₁-7_N группы. В результате этого RS-триггеры 7₁-7_N группы последовательно устанавливают на своих выходах уровни логического нуля, которые, поступая на входы разрешения счета двоичных счетчиков 8₁-8_N группы, также последовательно в моменты времени t₁, t₂, t₃,...,t_N, прекращают процесс счета тактовых импульсов, поступающих с выхода генератора 15 тактовых импульсов на счетные входы двоичных счетчиков 8₁-8_N группы. В итоге в двоичных счетчиках 8₁-8_N группы будут накоплены числа в двоичном коде l₁, l₂,.. .,l_N, определяющие моменты времени t₁, t₂, t₃,..., t_N, то есть t₁=l_iT₀. Здесь i=1,2,..., N, а Т₀ - период следования тактовых импульсов. Фактически это означает, что в двоичных счетчиках 8₁-8_N группы запоминаются в двоичном коде значения моментов времени t₁, t₂,...,t_N, в которые сигнал z₂(t) меняет свое значение.

При этом i-ый двоичный счетчик 8_i группы хранит значение момента времени t_i. Следует отметить, что число l_N, которое хранит N-ый двоичный счетчик SN группы, определяет длительность реализации t_N сигнала z₂(t), которая равна времени Т_p измерения взаимной корреляционной функции R_xy( τ ), т.е.

T_p = t_N = l_NT₀ (8)
Уровень логического нуля с выхода последнего N-ого RS- триггера 7_N группы поступает на управляющий вход первого 6 распределителя импульсов и прекращает его работу, а также поступает на второй вход третьего 12 элемента И и запрещает прохождение тактовых импульсов на счетный вход реверсивного счетчика 14. В итоге в реверсивном счетчике 14 будет накоплено число S₀ в двоичном коде, определяющее оценку нулевой ординаты (0) знаковой взаимной корреляционной функции сигналов z₁(t) и z₂(t). Применяя известное преобразование (см. Мирский Г.Я. Характеристики стохастической взаимосвязи и их измерения - М. : Энергоиздат, 1982, с. 191), получаем, что оценка нулевой ординаты взаимной корреляционной функции сигналов (t) и (t) с учетом выражения (8) равна

где величины А и B определяются соотношениями (3).

Нетрудно видеть, что преобразование (9) носит линейный характер.

Как было показано выше, по сигналу "Пуск" на прямом выходе RS-триггера 18 устанавливается уровень логической единицы, который по ступает на управляющие входы делителя 16 с перестраиваемым коэффициентом деления и второго 17 распределителя импульсов и разрешает им работу. При этом по сигналу "Пуск" в делитель 16 с перестраиваемым коэффициентом деления заносится целочисленное значение K_∂ коэффициента деления, которое задает шаг Δτ задержки измерения взаимной корреляционной функции

где Т₀ и f₀ - соответственно период и частота следования тактовых импульсов с выхода генератора 15 тактовых импульсов.

Таким образом, период выходных импульсов делителя 16 с перестраиваемым коэффициентом деления составляет K_∂ периодов входных импульсов.

(В качестве делителя 16 с перестраиваемым коэффициентом деления можно использовать, например, хорошо известную интегральную микросхему программируемого таймера К580ВИ53 или его аналоги. Режим работы 2 данного таймера обеспечивает период выходных импульсов таймера равным K_∂ периодов входных импульсов, где K_∂ - начальное содержимое счетчика таймера. См. Алексенко А. Г. , Галицын А.А., Иванников А.Д. Проектирование радиоэлектронной аппаратуры на микропроцессорах: Программирование, типовые решения, методы отладки. - М. : Радио и связь, 1984, с. 65-72).

Импульсы с выхода делителя 16 с перестраиваемым коэффициентом деления поступают на информационный вход второго 17 распределителя импульсов и последовательно с интервалом времени Δτ = K_∂Т₀ появляются на его выходах. Причем первый импульс появляется на первом выходе через время Δτ. Второй импульс появляется на втором выходе через время 2Δτ, и т.д. Последний М-ый импульс появляется на М-ом выходе через время МΔτ. В общем случае j-ый импульс появляется на j-ом выходе через время jΔτ.
Импульсы с М выходов второго 17 распределителя импульсов поступают на входы запуска соответствующих М блоков 19₁-19_M обработки временных интервалов.

Импульс с последнего M-ого выхода второго 17 распределителя импульсов поступает также на вход сброса RS-триггера 18 и устанавливает на его прямом выходе уровень логического нуля, который запрещает работу делителя 16 с перестраиваемым коэффициентом деления и второго 17 распределителя импульсов.

Блоки 19₁-19_M обработки временных интервалов имеет идентичные структуры. При этом j-ый блок 19_j обработки временных интервалов осуществляет оценку j-ой ординаты взаимной корреляционной функции R_xy(j Δτ (где j=1,2...,М).

Рассмотрим работу j-ого блока 19_j обработки временных интервалов (см. фиг.2).

В зависимости от значения сигнала z₂(t) в момент времени t₀ начала процесса измерения сигнал "Пуск", пройдя через первый 10 или второй 11 элементы И, поступает соответственно на вход записи единицы или на вход записи нуля блока 19j обработки временных интервалов, и далее он поступает соответственно или на вход установки или на вход сброса Т-триггера 28. (В качестве Т-триггера 28 можно использовать, например, триггер К555ТВ9. См. Нефедов А.В. Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги: Справочник. Т. 5. - М.: КУбК-а, 1997, с.278). В соответствии с этим на прямом выходе Т-триггера 28 устанавливается уровень логической единицы или уровень логического нуля. Таким образом, в Т-триггере 28 запоминается начальное значение z₂(t₀). Одновременно импульс "Пуск" поступает на вход установки блока 19_j обработки временных интервалов. В результате этого двоичный счетчик 22 и реверсивный счетчик 30 обнуляются, а на прямом выходе RS-триггера 21 устанавливается уровень логического нуля, который поступает на вторые входы первого 25, второго 26 и третьего 27 элементов И. В результате этого первый 25 и второй 26 элементы И блокируют прохождение сигналов с выходов соответственно N-ой схемы сравнения 23_N и (N-1)-входового элемента ИЛИ. Кроме того, тактовые импульсы, поступающие на счетный вход блока 19_j обработки временных интервалов, не проходят через третий 27 элемент И на счетный вход реверсивного счетчика 30. Уровень логического нуля с прямого выхода RS-триггера 21 поступает также на вход разрешения счета двоичного счетчика 22 и запрещает счет тактовых импульсов, поступающих на его счетный вход.

После начальных установок блок 19_j обработки временных интервалов переходит в режим ожидания, то есть ожидает сигнал на входе запуска с соответствующего выхода второго 17 распределителя импульсов коррелометра.

Через время задержки, которое для j-ого блок 19_j обработки временных интервалов равно jΔτ, на его вход запуска с j-ого выхода второго 17 распределителя импульсов поступает импульс. По этому импульсу на прямом выходе RS-триггера 21 устанавливается уровень логической единицы, который, с одной стороны, поступая на вход разрешения счета двоичного счетчика 22, разрешает ему счет тактовых импульсов, с другой стороны, поступая на второй вход третьего 27 элемента И, разрешает прохождение тактовых импульсов на счетный вход реверсивного счетчика 30.

Значения l₁, l₂, ..., l_N с выходов двоичных счетчиков 8₁-8_N коррелометра поступают на входы приема данных j-ого блок 19_j обработки временных интервалов и, следовательно, поступают на первые входы соответствующих схем сравнения 23₁-23_N вторые входы которых объединены и подключены к выходу двоичного счетчика 22. По мере заполнения двоичного счетчика 22, схемы сравнения 23₁-23_N будут последовательно выдавать импульсы на своих выходах. (В качестве схем сравнения можно использовать, например, микросхемы К555СП1 и их аналоги. См. Цифровые интегральные микросхемы: Справочник /М.И. Богданович, И.Н.Грель, С.А.Дубина и др. - 2-е изд., перераб. и доп. - Минск: Беларусь, Полымя. С. 262. Рис. 2.190 и 2.191.) Фактически импульсы на выходах схем сравнения 23₁-23_N будут соответствовать моментам времени t₁, t₂,.. t_N изменения значений сигнала z₂(t), задержанным на время jΔτ по отношению к началу процесса измерения. Импульсы с выходов схем сравнения 23₁-23_N-1 поступают на соответствующие входы (N-1)-входового элемента ИЛИ 24. (Отметим, что (N-1)-входовой элемент ИЛИ 24 достаточно просто можно реализовать, например, в виде последовательного соединения простых двухвходовых элементов ИЛИ.) Импульсы с выхода (N-1)-входового элемента ИЛИ 24 через второй 26 элемент И поступают на счетный вход T- триггера 28, в результате чего Т-триггер 28 последовательно изменяет свое состояние. Принимая во внимание, что в начальный момент времени t₀ в Т-триггер 28 было записано начальное значение z₂(t₀), получаем, что сигнал на выходе Т-триггера 28 фактически представляет собой сигнал z₂(t), задержанный на время jΔτ, то есть будем иметь на выходе Т-триггера 28 сигнал z₂(t-jΔτ). Сигнал z₂(t-jΔτ) поступает на второй вход элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 29, на первый вход которого поступает сигнал z₁(t). Элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 29 осуществляет операцию знакового умножения сигналов, поступающих на его входы, то есть сигналов z₁(t) и z₂(t-jΔT).

Сигнал с выхода элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 29 поступает на вход управления направлением счета реверсивного счетчика 30. При этом уровень логического нуля на этом входе определят прямой счет реверсивного счетчика 30 (режим суммирования тактовых импульсов), а уровень логической единицы определят обратный счет реверсивного счетчика 30 (режим вычитания тактовых импульсов).

После срабатывания последней схемы сравнения 23_N, что соответствует времени измерения T_p=t_N, импульс с выхода этой схемы сравнения через первый 25 элемент И поступает на второй вход элемента ИЛИ 20 и далее поступает на вход сброса RS-триггера 21, в результате чего на его прямом выходе устанавливается уровень логического нуля и процесс определения j-ой ординаты R_xy(jΔτ) взаимной корреляционной функции завершается. К этому моменту времени в реверсивном счетчике 30 будет накоплено число S_j в двоичном коде, определяющее оценку j-ой ординаты знаковой взаимной корреляционной функции сигналов z₁(t) и z₂(t). Как и в случае определения нулевой ординаты взаимной корреляционной функции, применяя известное преобразование, связывающее знаковую и обычную взаимные корреляционные функции (см. Мирский Г.Я. Характеристики стохастической взаимосвязи и их измерения - М.: Энергоиздат, 1982. С. 191), получаем, что оценка j-ой ординаты взаимной корреляционной функции сигналов (t) и (t) с учетом выражения (8) равна

где величины А и B определяются соотношениями (3).

Следует отметить, что преобразование (11) так же, как и преобразование (9), носит линейный характер.

Аналогичным образом работают все блоки 19₁-19_M обработки временных интервалов.

По окончанию работы последнего M-ого блока 19_M обработки временных интервалов процесс измерения взаимной корреляционной функции R_xy(τ) завершается.

Процедура измерения корреляционной функции R_x(τ) аналогична выше рассмотренному процессу измерения взаимной корреляционной функции R_xy(τ). Отличие заключается лишь только в том, что исследуемый центрированный случайный сигнал (t) поступает на оба входа коррелометра, то есть на первые входы первого 3 и второго 4 компараторов.

Из приведенного описания видно, что по сравнению с устройством-прототипом предлагаемое устройство позволяет получать практически непосредственно оценки корреляционной (или взаимной корреляционной) функции, определяемые выражениями (9) и (11). При этом выражения (9) и (11) носят линейный характер, в то время, как в устройстве-прототипе необходимо использовать нелинейные преобразования. Все это позволяет уменьшить погрешность измерения корреляционной (или взаимной корреляционной) функции и работать с более короткими сигналами при заданной статистической погрешности. Кроме того предлагаемое устройство позволяет осуществлять измерение корреляционной (или взаимной корреляционной) функции случайных процессов с любым законом распределения, что расширяет его функциональные возможности.

Технически предлагаемое устройство реализуется на стандартных элементах, широко известных и применяемых в современной технике. Более того, при современном уровне развитии технологии производства интегральных микросхем в перспективе подобное устройство или отдельные его блоки целесообразно реализовать в виде больших интегральных схем.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в измерительных системах, предназначенных для анализа характеристик стохастической взаимосвязи случайных процессов. Технический результат заключается в повышении точности получения оценок корреляционной и взаимной корреляционной функций и расширении функциональных возможностей за счет анализа случайных процессов с любым законом распределения. Устройство содержит первый и второй компараторы, формирователь коротких импульсов, первый распределитель импульсов, группу из N двоичных счетчиков, генератор тактовых импульсов, группу из N RS-триггеров, первый и второй генераторы случайных равномерно распределенных сигналов, инвертор, первый, второй и третий элементы И, элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, реверсивный счетчик, делитель с перестраиваемым коэффициентом деления, второй распределитель импульсов, RS-триггер и М блоков обработки временных интервалов. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Многоканальный знаковый коррелометр, содержащий первый и второй компараторы, первые входы которых являются соответственно первым и вторым входами коррелометра, выход второго компаратора соединен с входом формирователя коротких импульсов, выход которого соединен с информационным входом первого распределителя импульсов, группу из N двоичных счетчиков, счетные входы которых объединены и подключены к выходу генератора тактовых импульсов, группу из N RS-триггеров, отличающийся тем, что в него введены первый и второй генераторы случайных равномерно распределенных сигналов, инвертор, первый, второй и третий элементы И, элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, реверсивный счетчик, делитель с перестраиваемым коэффициентом деления, второй распределитель импульсов, RS-триггер и М блоков обработки временных интервалов, причем выходы первого и второго генераторов случайных равномерно распределенных сигналов соединены со вторыми входами соответственно первого и второго компараторов, выход первого компаратора соединен с первым входом элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и со знаковым входом каждого из М блоков обработки временных интервалов, выход второго компаратора соединен с первым входом первого элемента И непосредственно и через инвертор соединен с первым входом второго элемента И, а также со вторым входом элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выход которого соединен с входом управления направлением счета реверсивного счетчика, вторые входы первого и второго элементов И объединены и подключены к входу "Пуск" коррелометра, выходы первого и второго элементов И соединены соответственно с входом записи единицы и входом записи нуля каждого из М блоков обработки временных интервалов, N выходов первого распределителя импульсов соединены с входами сброса соответствующих N RS-триггеров группы, входы установки которых объединены и подключены к входу "Пуск" коррелометра, прямые выходы N RS-триггеров группы соединены с входами разрешения счета соответствующих N двоичных счетчиков группы, входы сброса которых объединены и подключены к входу "Пуск" коррелометра, прямой выход последнего N-го RS-триггера группы соединен также с управляющим входом первого распределителя импульсов и со вторым входом третьего элемента И, первый вход которого подключен к выходу генератора тактовых импульсов, а выход соединен со счетным входом реверсивного счетчика, вход сброса которого подключен к входу "Пуск" коррелометра, выход реверсивного счетчика является выходом оценки нулевой ординаты корреляционной функции коррелометра, выход i-го (где i=1, 2, ..., N) двоичного счетчика группы соединен с i-м входом приема данных всех блоков обработки временных интервалов, выход последнего N-го двоичного счетчика группы является одним из выходов коррелометра и несет информацию о длительности времени измерения, выход генератора тактовых импульсов соединен со счетным входом делителя с перестраиваемым коэффициентом деления и со счетным входом каждого из М блоков обработки временных интервалов, установочный вход делителя с перестраиваемым коэффициентом деления подключен к входу "Пуск" коррелометра, а вход задания коэффициента деления является входом задания шага задержки измерения корреляционной функции коррелометра, вход управления делителя с перестраиваемым коэффициентом деления и вход управления второго распределителя импульсов объединены и подключены к прямому выходу RS-триггера, вход установки которого подключен к входу "Пуск" коррелометра, выход делителя с перестраиваемым коэффициентом деления соединен с информационным входом второго распределителя импульсов, М выходов которого соединены с входами запуска соответствующих М блоков обработки временных интервалов, последний М-й выход второго распределителя импульсов соединен также с входом сброса RS-триггера, входы установки блоков обработки временных интервалов объединены и подключены к входу "Пуск" коррелометра, выход j-го (где j=1, 2, ..., M) блока обработки временных интервалов является выходом j-й оценки ординаты корреляционной функции. 2. Многоканальный знаковый коррелометр по п.1, отличающийся тем, что блок обработки временных интервалов содержит элемент ИЛИ, RS-триггер, двоичный счетчик, N схем сравнения, (N-1)-входовой элемент ИЛИ, первый, второй и третий элементы И, Т-триггер, элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и реверсивный счетчик, причем первый вход элемента ИЛИ объединен с входами сброса двоичного счетчика и реверсивного счетчика и является входом установки блока, выход элемента ИЛИ соединен с входом сброса RS-триггера, вход установки которого является входом запуска блока, а прямой выход соединен с входом разрешения счета двоичного счетчика и со вторыми входами первого, второго и третьего элементов И, счетный вход двоичного счетчика объединен с первым входом третьего элемента И и является счетным входом блока, выход двоичного счетчика соединен со вторыми входами N схем сравнения, первые входы которых являются N входами приема данных блока, выходы первых (N-1) схем сравнения соединены с входами (N-1)-входового элемента ИЛИ соответственно, выход которого соединен с первым входом второго элемента И, выход последней N-й схемы сравнения соединен с первым входом первого элемента И, выход которого соединен со вторым входом элемента ИЛИ, выход второго элемента И соединен со счетным входом Т-триггера, входы установки и сброса которого являются соответственно входом записи единицы и входом записи нуля блока, выход Т-триггера соединен с вторым входом элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, первый вход которого является знаковым входом блока, а выход соединен с входом управления направлением счета реверсивного счетчика, счетный вход которого подключен к выходу третьего элемента И, выход реверсивного счетчика является выходом блока обработки временных интервалов.