ВЕРОЯТНОСТНОЕ УСТРОЙСТВО ВЫЧИСЛЕНИЯ ДИСПЕРСИИ Российский патент 2023 года по МПК G06F17/10 G06F1/02 

Изобретение относится к области автоматики и вычислительной техники и может быть использовано для измерения характеристик случайных процессов в системах автоматического контроля и управления.

Известны устройства аналогичного назначения, построенные на основе специализированных арифметико-логических устройствах, которые состоят из квадраторов, делителей и сумматоров [Порфирьев Г.Н., Барахтин В.М. Устройство для вычисления оценок математического ожидания и дисперсии. AC SU 1280392 А1 опубл. 30.12.1986]. Основными их недостатками являются сравнительно большой аппаратный объем и низкое быстродействие.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение является разработка устройства для вычисления дисперсии случайного сигнала при вероятностном представлении данных, обладающего малым аппаратным объемом и способностью обрабатывать сигнал в масштабе реального времени.

Решение технической задачи достигается путем использования вероятностной формы представления данных, в связи с чем изменяется аппаратная реализация основных математических операций.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков является уменьшение аппаратного объема устройства вычисления дисперсии случайного сигнала и возможности обработки входного сигнала в масштабе реального времени, достигаемым путем замены в прототипе цифровых компараторов, делителей и сумматоров на накопительные двоичные счетчики.

Для эргодических стационарных случайных сигналов, квантованных по времени в соответствии с теоремой Котельникова, выражение для оценки дисперсии имеет вид:

либо

где:

X(t) - измеряемый случайный сигнал, представленный в двоичном позиционном коде;

N - количество циклов измерения значения случайного сигнала x_i.

K - количество статистических испытаний, необходимых для преобразования в вероятностное отображение у измеряемого значения случайного сигнала x_i, представленного в двоичном позиционном коде.

В соответствии с выражением (2) для измерения дисперсии случайного сигнала X(t) достаточно осуществить линейное вероятностное преобразование измеряемого случайного сигнала X(t), просуммировать члены вероятностного отображения на интервале измерения и отнести полученное значение к произведению N×K.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображена функциональная схема вероятностного устройства вычисления дисперсии, где:

1 - вероятностный преобразователь (в качестве которого может быть использован - Моисеев Д.В., Сапожников Н.Е. Преобразователь двоичный код - вероятностное отображение; Пат. 2660831 Российская Федерация, МПК Н03М 7/00 (2006.01) опубл. 10.07.2018 Бюл. №18);

2.1 и 2.2 - D-триггеры;

3.1 - 3.4 - двухвходовые конъюнкторы;

4 - реверсивный счетчик дисперсии;

5 - цифровая схема сравнения;

6 - счетчик математического ожидания;

7 - генератор тактовых импульсов;

8 - счетчик произведения N×K;

9 - счетчик количества статистических испытаний K;

10 - блок переписи результатов.

Процессы в схеме предлагаемого устройства протекают в следующей последовательности. В начале работы значения счетчиков (6) и (8) сбрасываются, после чего начинается выполнение вычисления. На входы вероятностного преобразователя (1) и цифровой схемы сравнения (5) подается измеряемый случайный сигнал X(t). С выхода вероятностного преобразователя (1), тактуемого генератором тактовых импульсов (7), вероятностное отображение Y₁(t) подается на первый вход первого двухвходового конъюнктора (3.1), на второй вход которого поступает тот же сигнал - вероятностное отображение Y₁(t) с задержкой на один такт, с выхода первого D-триггера (2.1), на выходе первого двухвходового конъюнктора (3.1) формируется произведение Y_i(t)& Y₁(t-1), которое поступает на первый вход третьего двухвходового конъюнктора (3.3), на второй вход которого поступает сигнал с счетчика произведения N×K (8), который также тактуется генератором тактовых импульсов (7), выход третьего двухвходового конъюнктора (3.3) подключен к суммирующему входу реверсивного счетчика дисперсии (4), на вычитающий вход которого подается вероятностное отображение квадрата оценки математического ожидания с выхода второго двухвходового конъюнктора (3.2), на первый вход которого подается вероятностное отображение математического ожидания (m_x) преобразуемого случайного сигнала X(t) с выхода цифровой схемы сравнения (5), на второй вход которой подается математическое ожидание (m_x) преобразуемого случайного сигнала X(t), полученное в результате интегрирования Y₁(t) в счетчике m_x (6), в который оно поступает через четвертый двухвходовой конъюнктор (3.4), на первый вход которого поступает значение Y₁(t) с выхода вероятностного преобразователя (1), а на второй вход поступает сигнал с счетчика произведения N×K (8), на второй вход двухвходового конъюнктора (3.2) поступает сигнал с цифровой схемы сравнения (5) с задержкой на один такт с выхода второго D-триггера (2.2), на выходе второго двухвходового конъюнктора (3.2) формируется значение вероятностное отображения квадрата оценки математического ожидания преобразуемого случайного сигнала X(t), которое поступает на вычитающий вход реверсивного счетчика дисперсии (4), в котором и формируется значение дисперсии , которое передается в блок переписи результатов после N×K×K тактов, для чего в схеме присутствует счетчик количества статистических испытаний K (9).

Технико-экономическая эффективность предлагаемого устройства вычисления дисперсии случайного сигнала на основе вероятностного представления информации состоит в уменьшении его аппаратного объема при сохранении точностных характеристик и возможности обработки входного сигнала в реальном масштабе времени.

Изобретение относится к области автоматики и вычислительной техники. Технический результат заключается в уменьшении схемной сложности устройства вычисления дисперсии случайного сигнала и реализации обработки входного сигнала в режиме реального времени. Технический результат достигается за счет того, что устройство содержит два D-триггера, четыре двухвходовых конъюнктора, реверсивный счетчик дисперсии, цифровую схему сравнения, счетчик математического ожидания, генератор тактовых импульсов, счетчик произведения, счетчик количества статистических испытаний, блок переписи результатов, вероятностный преобразователь. 1 ил.

Вероятностное устройство вычисления дисперсии характеризующееся тем, что в состав схемы входят два D-триггера, четыре двухвходовых конъюнктора, реверсивный счетчик дисперсии, цифровая схема сравнения, счетчик математического ожидания, генератор тактовых импульсов, счетчик произведения N×K, счетчик количества статистических испытаний K, блок переписи результатов, вероятностный преобразователь, вход которого является входом всей схемы, на который подается случайный сигнал X(t), вероятностный преобразователь выполняет линейное вероятностное преобразование измеряемого случайного сигнала X(t), на второй вход вероятностного преобразователя поступают синхроимпульсы с генератора тактовых импульсов, выход которого также нагружен на вход счетчика произведения N×K, который выполняет подсчет синхроимпульсов с генератора тактовых импульсов, выход которого нагружен на вход счетчика количества статистических испытаний K, выход которого нагружен на разрешающий вход блока переписи результата выход которого является выходом всей схемы, на информационный вход которого нагружен выход реверсивного счетчика дисперсии, на суммирующий вход которого нагружен выход третьего конъюнктора, на первый вход которого нагружен выход первого конъюнктора, первый вход которого подключен к выходу вероятностного преобразователя, на второй вход которого нагружен выход первого D-триггера, на информационный вход которого также подключен выход вероятностного преобразователя, на второй вход третьего конъюнктора нагружен выход счетчика произведения N×K, на вычитающий вход реверсивного счетчика дисперсии нагружен выход второго двухвходового конъюнктора, на первый вход которого подключен выход цифровой схемы сравнения, на второй вход нагружен выход второго D-триггера, информационный вход которого также подключен к выходу цифровой схемы сравнения, на вход которой нагружен выход счетчика математического ожидания, на вход которого подключен выход четвертого двухвходового конъюнктора, на первый вход которого подключен выход вероятностного преобразователя, на второй вход нагружен выход счетчика произведения N×K, синхронизация всей схемы осуществляется с выхода генератора тактовых импульсов.