Устройство для выделения периодических последовательностей цифровых сигналов Российский патент 2024 года по МПК H03K5/19 

Изобретение относится к вычислительной технике и системам управления и может быть использовано в специализированных аппаратных средствах для систем обработки и распознавания изображений, мониторинга, анализа, контроля и диагностики сложных технических объектов и человеко-машинных систем, таких как: медицинская диагностика, системы дистанционного мониторинга, интеллектуальные системы видеонаблюдения и робототехники, для расширения функциональных возможностей.

Известен селектор импульсной последовательности, разработанный Д.Ф.Смирновым, С.Л.Карапетяном, М.Г.Юрковым, А.А.Глуховым, РФ (патент RU № 2235418, МПК H03K 5/19), содержащий входной формирователь импульсов, блоки задержки, ключ, сумматор, многоуровневый амплитудный селектор, коммутатор и триггер, позволяющий выделять импульсы с заданными параметрами по длительности и амплитуде за счет применения блоков задержки и многоуровневого амплитудного селектора.

Известны прибор и метод детектирования и описания импульсов, разработанный John B. Allen, (US patent № 6686997, G02B 27/32, G01R 23/00, G01R 23/17, G01R 31/302, H04J 14/00), содержащий ячейки Брэгга, оптические элементы, лазер, клеточные диафрагмы, линзы, непрозрачные пластины, бинарные оптические пластины, анаморфные линзы, массив детекторов, позволяющие определять частотно-временные параметры импульсов по характеру отклонения лазерного луча с помощью ячеек Брэгга на основе преобразование входного аналогового сигнала в оптический и цифровой вид.

Известно устройство измерения амплитудно-временных и частотных параметров сигналов, разработанное С.Л.Дурневым, С.Н.Полторацким, РФ (патент RU № 2592730, МПК G01R29/00), содержащее аналого-цифровой преобразователь (АЦП) по каналу промежуточной частоты, АЦП по каналу Видео, генератор тактовых импульсов (ГТИ), линию задержки, устройство сглаживания и децимации, обнаружитель, первичный и вторичный измерители параметров, коммутатор, контроллер передачи данных, селекторы по амплитуде и длительности импульса, блок запоминающего устройства (ЗУ), позволяющее измерять время прихода, амплитуду, длительность, период повторения, несущую частоту и ширину спектра импульсов по двум каналам при условии предварительного детектирования огибающей импульса.

Известна система детектирования и классификации импульсов РЛС, разработанная David P. Andersen, Steven A. Murphy, (US patent № 5583505, G01S 7/40), содержащая антенну, волоконно-оптические линии задержки, внутриимпульсный приемник, приемник на основе IFM, внутриимпульсный процессор, процессор обработки чередования, управляющий процессор, детектор, АЦП, ЗУ, позволяющая выделять импульсные сигналы на основе периода повторения импульсов, полученного с помощью автокорреляционной функции, путем интегрирования сигнала по времени.

Известен алгоритм селекции с отождествлением данных, разработанный Э.А.Кирсановым, А.А.Сиротой, (Обработка информации в пространственно-распределенных системах радиомониторинга: статистические и нейросетевые подходы. / Э.А. Кирсанов, А.А. Сирота. – М: ФИЗМАТЛИТ, - 2012 – 344 с.), содержащий для частоты и длительности импульсов соответственно этап формирования исходной общей совокупности данных, этап формирования функции распределения параметра, этап выделения импульсов из выбранной значимой области параметра, позволяющий проводить сортировку и распределение данных по областям значений параметров, в результате которых данные, полученные от различных датчиков и принадлежащие одному источнику, группируются в одной области, а данные, принадлежащие разным источникам, по возможности разделяются.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является выбранная в качестве прототипа система детектирования и классификации импульсов РЛС, разработанная David P. Andersen, Steven A. Murphy, (US patent № 5583505, G01S 7/40), позволяющая выделять импульсные сигналы на основе периода повторения импульсов, полученного с помощью автокорреляционной функции, путем интегрирования сигнала по времени.

Существенными недостатками патентов RU № 2235418 и US № 6686997 являются устаревшая элементная база и громоздкость конструктивной реализации при ограничении выделения только по одному параметру, что не позволяет обеспечить необходимую полноту и качество выделения и описания принятых последовательностей импульсов.

Существенными недостатками патента RU № 2592730 и алгоритма селекции с отождествлением данных Э.А.Кирсанова и А.А.Сироты являются потенциально высокие тактовые частоты АЦП, выделение сигналов по одному параметру, не учитывающее взаимосвязь различных параметров, а также потенциальную периодичность структур данных.

Существенными недостатками патента US № 5583505 являются сложность правильного подбора временных окон для автокорреляции и корректного выбора порога обнаружения, мягкость критериев обнаружения, отсутствие весовой обработки в случае зашумленности выборки, а также применимость только в системах обработки данных РЛС.

Технической задачей изобретения является увеличение достоверности и оперативности выделения периодических последовательностей цифровых сигналов за счет использования гистограммы в качестве инструмента оценки периодичности и обнаружения периода сигнала на основе взвешенного критерия, а также применения управляемого уровня разности и взвешенного принятия решения о наличии периодичности в сигнале.

Техническая задача решается за счет того, что в известную систему (устройство), содержащую ГТИ, АЦП, блок вычисления параметров (БВП), компараторы, ЗУ, согласно изобретению введены блоки управления (БУ1 и БУ2), блоки формирования разности (БФР1 и БФР2), блок формирования гистограммы (БФГ), блок сортировки и обнаружения (БСО), блок поиска (БП), блок режекции (БР), при этом выход ГТИ подключен к АЦП, выход АЦП подключен к БВП, выход БВП подключен к БФР1 и БУ1, выходы БУ1 подключены к БФР1, БФГ, БСО и Компартору1, выход БФР1 подключен к БФГ, выход БФГ подключен к БСО, выход БСО подключен к Компаратору1, выходы которого подключены к БУ1, БУ2 и БФР2, выходы БУ2 подключены к БУ1, БФР2, Компаратору2, БП и БР, выход БФР2 подключен к Компаратору2, выходы которого подключены к БП и БУ2, выход БП подключен к БУ2 и БР, выход которого подключен к БУ2, при этом БВП, БФГ, Компаратор1, БФР2, БП и БРП взаимодействуют с ЗУ по шине данных, выходные данные хранятся в ЗУ.

Анализ известных технических решений в исследуемой и смежных областях позволяет сделать вывод о том, что введенные функциональные узлы известны. Однако введение их в устройство для выделения периодических последовательностей цифровых сигналов с указанными связями придает этому устройству новые свойства. Введенные функциональные узлы взаимодействуют таким образом, что позволяют увеличить достоверность и оперативность выделения периодических последовательностей цифровых сигналов за счет использования гистограммы в качестве инструмента оценки периодичности и обнаружения периода сигнала на основе взвешенного критерия, а также применения управляемого уровня разности и взвешенного принятия решения о наличии периодичности в сигнале.

Изобретение может быть использовано в системах обработки и распознавания изображений, мониторинга, анализа, контроля и диагностики сложных технических объектов и человеко-машинных систем, таких как: медицинская диагностика, системы дистанционного мониторинга, интеллектуальные системы видеонаблюдения и робототехники для расширения функциональных возможностей в части обнаружения, оценки амплитудно-временных и частотных параметров, выделения периодических последовательностей цифровых сигналов с целью последующей классификации и сохранения выделенных последовательностей цифровых сигналов.

Таким образом, изобретение соответствует критерию “промышленная применимость”.

На фиг. 1 - представлена структурная блок-схема устройства для выделения периодических последовательностей цифровых сигналов,

на фиг. 2 - таблица сравнения аналогов по применяемым методам выделения сигналов.

В устройстве для выделения периодических последовательностей цифровых сигналов (фиг.1) выход ГТИ подключен к АЦП, выход АЦП подключен к БВП, выход БВП подключен к БФР1 и БУ1, выходы БУ1 подключены к БФР1, БФГ, БСО и Компартору1, выход БФР1 подключен к БФГ, выход БФГ подключен к БСО, выход БСО подключен к Компаратору1, выходы которого подключены к БУ1, БУ2 и БФР2, выходы БУ2 подключены к БУ1, БФР2, Компаратору2, БП и БР, выход БФР2 подключен к Компаратору2, выходы которого подключены к БП и БУ2, выход БП подключен к БУ2 и БР, выход которого подключен к БУ2,
при этом БВП, БФГ, Компаратор1, БФР2, БП и БР взаимодействуют с ЗУ по шине данных, выходные данные хранятся в ЗУ.

Большинство существующих устройств вычислительной техники для обработки и выделения последовательностей цифровых сигналов ориентированы на обработку известных ограниченных групп цифровых сигналов без возможности предварительного анализа и взвешенного поиска, что не позволяет использовать такие устройства для выделения последовательностей постоянно расширяющегося класса цифровых сигналов с высокой достоверностью.

Решение задачи выделения периодических последовательностей цифровых сигналов при значительном многообразии типов сигналов предполагает создание специализированных вычислительных устройств, работающих в условиях отсутствия априорных знаний о структуре сигнала, динамически изменяющейся в процессе эксплуатации систем.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

До поступления на вход сигналов выполняется калибровка устройства по собственным шумам входных трактов, которые в основном определяют уровень шума. По результатам калибровки вычисляются и сохраняются пороги обнаружения импульсов на фоне шума. На вход устройства подают сигнал s(t) на промежуточной частоте, согласованной с тактовой частотой ГТИ F_T.

Далее при рассмотрении работы устройства необходимо учесть, что БВП реализует детектирование и вычисления параметров импульсов P. В результате работы АЦП аналоговый сигнал преобразуется в набор амплитудно-временных отсчетов s_δ(t)={Ap_j, tp_j}. Набор параметров импульсов записывается в ЗУ.

БУ1 и БУ2 обеспечивают последовательное получение импульсов из исходной выборки W при гистограммном анализе и поиске по временным параметрам соответственно. При этом в ходе обработки сигналов изображений выбираются пары импульсов/пикселов с учетом количества пикселов в строке кадра для поиска периодичности в рамках каждой строки, а при сравнении пикселов учитывается цвет/яркость.

По сигналам f_i1 и f_k1 БФР1 вычисляет очередную разность T_р1=t_k-t_i, на основе которой в БФГ инкрементируется высота соответствующего разряда гистограммы yh(d), а также контроль кратных значений периода поступления импульсов с вычислением соответствующих высот разрядов, таким образом используя ретроспективные элементы сигнала во времени.

При завершении выборки по сигналу f_N1 в БСО выполняется упорядочивание разрядов по убыванию высоты и расчет критериальной статистики:

где h – положительное целое число, коэффициент, задающий уровень контроля кратных периодов, hold – настраиваемый порог обнаружения, Т_о – искомый период последовательности, – весовые коэффициенты.

Компаратор1 сравнивает величину рассчитанного критерия с заданным пороговым значением. В случае превышения обнаруженный период T_о используется в ходе дальнейшего поиска последовательности.

При поиске по времени прихода активируется счетчик в БУ2 для последовательного перемещения по исходному сигналу. По сигналам f_i2 и f_k2 БФР2 работает аналогично БФР1, а Компаратор2 сравнивает полученные разности с T_о. По сигналу f_N2 по результатам сравнения (с учетом l-кратных разностей) в БП вычисляются импульсы, относящиеся к периодической последовательности, которые помечаются как выделенные. По сигналу f_N3 на основе данных выделения в БР формируется прореженная выборка для последующей обработки.

Параметры выделенных последовательностей записываются в ЗУ, а по специальной команде переписываются в ЭВМ для дальнейшей обработки последовательности. В результате работы устройства формируется массив описаний импульсных последовательностей {D}. Каждая последовательность соотносится с выделенным набором импульсных описаний в ЗУ.

Устройство формирует слово состояния, в котором содержится информация о состоянии системы (запущена или остановлена), признаках остановки, количестве принятых импульсов, объеме ЗУ.

Для реализации устройства использованы элементы и схемы, выпускаемые зарубежной промышленностью. Блоки БВП, БУ1 и БУ2, БФР1 и БФР2, БФГ, БСО, Компаратор1 и Компаратор2, БП, БР реализованы на ПЛИС семейства XILINX. Блоки АЦП, ГТИ, ЗУ являются отдельными микросхемами.

В ходе моделирования работы разработанного устройства выполнен сравнительный анализ с аналогами. Моделирование выполнялось по 30 выборкам, включающим от 2 до 10 смешанных периодических последовательностей (x=2÷10) в каждой из них. На фиг.3 отражены полученные:

– достоверность выделения (H) как соотношение обнаруженных импульсных последовательностей к их общему количеству;

– время обработки (Т_обр) в мс;

– соотношение невыделенных последовательностей к их общему количеству на входе (ошибки второго рода), ER;

– оперативность выделения последовательностей (Op) как отношение количества выделенных последовательностей ко времени обработки в послед./мс;

в зависимости от количества последовательностей во входной выборке.

В результате разработанное устройство выделяло периодические последовательности с достоверностью (H) не менее 0,8, что в 1,3-1,4 раза больше достоверности, достигнутой аналогами при одинаковом количестве последовательностей в выборке. Устройство позволяет повысить достоверность и оперативность выделения последовательностей с априорно неизвестными временными детерминированными структурами в тех случаях, когда традиционные подходы дают ошибочные решения, в частности, для зашумленных и смешанных выборок.

Изобретение относится к вычислительной технике и системам управления и может быть использовано в специализированных аппаратных средствах для систем обработки и распознавания изображений, мониторинга, анализа, контроля и диагностики сложных технических объектов и человеко-машинных систем, таких как: медицинская диагностика, системы дистанционного мониторинга, интеллектуальные системы видеонаблюдения и робототехники. Техническим результатом является увеличение достоверности и оперативности выделения периодических последовательностей цифровых сигналов для последующей классификации сигналов из потока импульсных параметров. Устройство содержит генератор тактовых импульсов, аналого-цифровой преобразователь, блок вычисления параметров, два блока управления, два блока формирования разности, блока формирования гистограммы, блока сортировки и обнаружения, два компаратора, блока поиска, блока режекции. 2 ил.

Устройство для выделения периодических последовательностей цифровых сигналов, содержащее генератор тактовых импульсов, аналого-цифровой преобразователь, блок вычисления параметров, компаратор один и компаратор два, запоминающее устройство, отличающееся тем, что в него введены блок управления один и блок управления два, блок формирования разности один и блок формирования разности два, блок формирования гистограммы, блок сортировки и обнаружения, блок поиска, блок режекции, при этом выход генератора тактовых импульсов подключен к аналого-цифровому преобразователю, оцифрованный сигнал с выхода аналого-цифрового преобразователя поступает в блок вычисления параметров, выход блока вычисления параметров подключен к блоку формирования разности один и блоку управления один, выходы блока управления один управляющими линиями соединены с блоком формирования разности один, блоком формирования гистограммы, блоком сортировки и обнаружения и компаратором один, очередная разность с выхода блока формирования разности один поступает в блок формирования гистограммы, выход блока формирования гистограммы подключен к блоку сортировки и обнаружения, рассчитанная критериальная статистика с выхода блока сортировки и обнаружения поступает на компаратор один, выходы которого подключены к блоку управления один, блоку управления два и блоку формирования разности два, выходы блока управления два управляющими линиями соединены с блоком управления один, блоком формирования разности два, компаратором два, блоком поиска и блоком режекции, очередная разность с выхода блока формирования разности два поступает на компаратор два, выходы которого подключены к блоку поиска и блоку управления два, выход блока поиска подключен к блоку управления два и блоку режекции, выход которого подключен к блоку управления два, при этом блок вычисления параметров, блок формирования гистограммы, компаратор один, блок формирования разности два, блок поиска и блок режекции взаимодействуют с запоминающим устройством по шине данных.