Адаптивный анализатор плотности распределения амплитуд Советский патент 1983 года по МПК G06F17/18 

Изобретение огносигся к специализированным среаствам автоматики и вычис- лительной техники,. предназначенным для определения характеристик случайных процессов в условиях недостатка априорн ной информации, например в океанологии, метеорологии и других областях. Известен анализатор с адаптивным выбором диапазона анализа, содержащий устройства выделения и фиксации наиболь шего и наименьшего значения сигнала, соединенные через блоки запоминания с контактными реле режима работы, подключенными через потенциометр к блоку анализа Недостатком анализатора является низкое быстродействие, обусловленное необходимостью предварительного определения интервала корреляции для задания шага временной дискретизации. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является цифровой адаптивйый анализатор плотности распределения амплитуд, содержащий ана- лого-цифровой преобразователь, запомина- юшее ус -ройство и сумматор, соединенные последовательно, выход сумматора соеаинен с информационным входом запоминаюшего устройства, усреднитель, регистр числа, блок сравнения, регулируемый делитель частоты и блок управления, состоящий из генератора тактоввис импульсов и счегчика выборок, причем выход генератора тактовых импульсов соединен ,с тактовым входом регулируемого делите ля частоты, выход которого соединен с управляющими входами аналого-цифрового преобразователя, сумматюра и счетчика выборок. Дополнительно анализатор содержит блок вычитания С2 . Недостатком известного анализато|эа является необходимость априорного знания амплитудных свойств исследуемого сигнала для рационального выбора порога сравнения &, определяющего, в свою очередь, точность вычислений и скорость сходимости алгоритма поиска шага времен-, ной дискретизации. Эти факторы в сово310«зпшосги снижают быстродействие анализатора. Цель изобрегения - повышение быстро действия за счет уменьшения необходимого объема априорной информации о свойствах исслецуемого сигнала. Поставленная цель достигается тем, что адаптивный анализатор, содержащий блок сравнения, регистр числа, усреднитель, блок управления, состоящий из счетчика выборок и генератора тактовых импульсов, выход которого соединен с тактовым входом делителя частоты, выход которого соединен с управляющими входами аналого-цифрового преобразователя, счетчика выборок и сумматора, информационный вход которого подключен к выходу -чапоминающего устройства и является соответствующим выходом анализатора, а адресный вход запоминающего устройства соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, информаци онный вход которого является входом анализатора, содержит первый и второй блоки определения размаха, делитель кодов и ключ, при этом информационные вхоаы усреднителя и первого блока определения размаха.подключены к выходу аналого-цифрового преобразователя, вы- хок усреднителя соединен с информацион- ным входом второго блока определения размаха, выход которого, а также выход второго блока определения размаха подключены к соответствующим входам целителя коцов, при этом выход первого блока определения размаха является соответствующим выходом анализатора, выход делителя кодов соединен с первым входом блока сравнения, второй вход которого подключен к выходу регистра числа, а выход соединен с информационным входом ключа, выход которого соединен с управляющим входом целителя частоты выход которого соединен с управляющим входом первого и первым управляющим входом второго блоков определения раз маха, управляющим входом усреднителя и первым управляющим входом запоминающего устройства, первый выход счетчик выборок подключен к управляющему йхоц ключа и к второму управляющему входу запоминающего устройства, а второй выход счетчика выборок соединен с вторым управляющим входом второго блока определения размаха. Кроме того, блок распределения размаха содержит вычитатель и два канала определения экстремума, каждый из ко104торых состоит из регистра, схемы сравнения и элемента И, выход которого соединен с первым управляющим входом регистра своего канала, выход регистра в каждом канале соединен с первым входом схемы сравнения и соответствующим входом вычитателя, выход которого является выходом блока, выход схемы сравнения соединен с информационным входом элемента И своего канала, управляющие входы элементов И первого и второго каналов объединены и являются первым управляющим входом блока, второй вход схемы сравнения и информационный вход регистра в обоих каналах объединены и являются информационным входом блока, вторые управляющие входы регистров обоих каналов объединены и являются вто- рым управляющим входом блока. На фиг. 1 представлен адаптивный анализатор, структурная схема; на фиг. 2 - амплитудные соотнощения определяемых характеристик сигнала, на фиг. 3 - блок определения размаха, ({ункциональная схема. Адаптивный анализатор плотности распределения амплитуд содержит аналого-цифровой преобразователь 1, запоминающее устройство 2, сумматор 3, ус1реднйтель 4, блоки 5 и 6 определения размаха, делитель 7 кодов, регистр 8 числа, блок 9 сравнения, ключ 1О, блок 11управления, состоящий из генератора 12тактовых импульсов и счетчика 13 выборок, делитель 14 частоты. Блок 5 (6) определения размаха содержит два канала 15 определения экстремума и вычитатель 16. Канал 15 определения экстремума содержит регистр 17, схему 18 сравнения и элемент И 19. Адаптивный анализатор работает следующим образом. В исходном состоянии запоминающее устройство 2, сумматор 3, усреднитель 4, блоки 5 и 6 определения размаха и счетчик 13 выборок обнулены, а делитель 14 частоты установлен в начальное положение. Обычно до начала эксперимента известно значение интервала корреляции TO, поэтому задавая щаг временной дискретизации исследуемого сигнала Ai из условия , по известным соотнощениям определяют необходимый объем N некоррелированной выборки для обеспечения заданной статистической точности искомой оценки (х). Если априорной шформации для выполнения указанного условия неаостаточно, то в этом случае проводят ряц пробных экспериментов для опрецеления интервала корреляции. В отличие ог неацаптивных анализаторов в предлагаемом анализаторе также как и в анализаторе-прототипе осуществляется автоматическое обеспечение некоррелированности отсчетов сигнала, однако эти процедуры существенно отличаются. При подключении исследуемого СИРнала в аналого-аифрово преобразователе 1 формируются отсчеты x(iut) с начальным шагом дискретизации й , задаваемым делителем 14 частоты. Из этих отсчетов в усреднителе 4 определяется оценка среднего значения Aj сигнала, например, с реализацией алгоритма скользящего среднего, а в блоке 6 определения размаха формируется размах RX входного сигнала, как разность между н больщим и наименьшим значениями отсчетов. После прохождения N выборок в блок- 5 определения размаха поступае от счетчика 13 выборок управляющий импульс, разрешающий формирование раз- маха оценки среднего значения R на следующем объеме N отсчетов. I Блок 5(6) определения размаха работает следующим образом (фиг. 3). Отсчеты входного сигнала поступают в кана лы 15 определения экстремума, где осуществляется выделение наибольшего и наименьщего значений, из которых в вычитателе 16 формируется значение раз маха. Наибольшее (наименьшее) значение определяется путем текущего сравнения в схеме 18 сравнения значений входных отсчетов с значением, хранящимся в регистре 17, Причем схема 18 сравнения открывает элемент И 19 тогда, когда значение входного отсчета больше (меньше), чем значение, хранящееся в регист ре 17, при этом в него осуществляется запись нового значения экстремума. Полученные значения Ry и R поступаю на входы делителя 7 кодов. Результат деления ( /Rv подается на вход блоI ТП л ка 9 сравнения, в котором он сравнивается с величиной (fp , хранящейся в регистре 8 числа. Значения d и сГ: являют ся соответственно заданным и текущим (контролируемым) значениями относительной погрещности определения оценки среднего значения. При cf блок 9 сравнения формирует микрокоманду несоответ- ствия, которая в виде управляющего импульса поступает через ключ 1О, стробируемый счетчиком 13 выборок, на управляющий вход регулируемого делителя 14 частоты для увеличения коэффициента, деления. Счетчик 13 через каждые Nor- счетов попеременно сбрасывает в нулевое состояние блок 5 определения; размаха или запоминающее устройство 2 и. стробирует ключ 1О.I После нескольких циклов корректировки шага дискретизации достигается обео- печение условия некоррелированности отсчетов, вследствие чего получаемая оценка w (х )статистически достоверна с необходимой точностью. При этом оценка Х(Х) формируется по классическому алгоритму: каждый очередной отсчет, поступающий с выхода аналого-цифрового преобразователя 1 на адресный вход запоминающего устройства 2, вызывает cotдержимое соответствующей ячейки запом нающего устройства 2 в сумматор 3, в котором к нему добавляется единица (тактовый импульс от регулируемого целителя частоты 14). Полученная сумма записывается в ту же ячейку запоминающего устройства 2. i Механизм осуществления такой адап- тивной процедуры основан на стремлении анализатора обеспечить некоррелирован ность отсчетов сигнала. Это достигается выполнением следующих математических зависимостей между параметрами входного сигнала и параметрами измеряемой плотности распределения W/. Из соотнощения между дисперсией входного сигнала D, и дисперсией оценки математического ожидания D(rn j) этого сигнала D( 3) Следуют соотношения для среднеквад|эатичных отклонений й и й;( и пропорциональ ных им размахов R (фиг. 2) соответственно для плотности распределения . оценки математического ожидания и плотности распределения амплитуд сигнала Wj( : ) Y х r Однако выражения (1) и (2) справедливы только для случая некоррелированных отсчетов сигнала, поэтому задавая объем выборок (в счетчике 13) и контролируя значение отношения размахов Л, (3) Д0 можно контролировать (блоком сравнения 9) и адаптивно регулировать степень коррелированности отсчетов сигнала до обеспечения , SIX некоррелированности. Это,возможно за счет того, что при коррелированности выборок погрешность определенияВ(гпу )зависит не только от значений N и Dj , но и от величины (характера) корреляционной функции, котора на интервале цискретизаиии не равна нулю. А при некоррелированности выборок эта погрешность зависит только от значений М к DX (выражение (1). Поэтому при зацанном (в регистре 8} пороговом (допустимом) значении от- носительной погрешности d опрецеления оценки гп и известном N , можно производить автоматическое регулирование шага 4-t ди.-.кретизаиии сигнала к такому значению , при котором для определяемых в блоках, и, 6 и 9 значений величин (2) и (З) начинает выполняться условие T HI Таким образом, выполнение в адаптивном анализаторе условия (4) являетс выполнением условия некоррелированности отсчетов сигнала, вследствие чего минимизация погрешности измерений фун ции Wy осуществляется быстрее, чем в, анализаторе-прототипе. В анализаторе-прототипе в регистре устанавливается величина абсолютной погрешности 4,, которая зависит от дисперсии DX . что, в свою очередь, приводит к необходимости априорных зна ний дисперсии (размаха) исследуемых случайных процессов, т.е. проведения предварительных экспериментов для их определения. В предлагаемом адаптивном анализаторе, благодаря новой структуре и новым связям блоков, стало возможным задавать относительную погрешност dL , что исключает необходимость предварительных экспериментов для определе ния дисперсии сигнала, за счет чего уменьшается обшая длительность экспериментов по определению плотности раопределения амплитуд, т.е. соответственн увеличивается быстродействие анализа. Кроме того, одновременно с определением искомой оценки плотности распре деления амплитуд /}{, в предлагаемой структуре анализатора определяется ряд других параметров сигнала - размах входного сигнала, размах оценки среднег 0 значения и скользяшая оценка среднего начения сигнала, что существенно расширяет функциональные возможности нализатора. Это является дополнительным преимуществом адаптивного анализаора в сложнь х комплексных экспериментах. Технико-экономический эффект предлагаемого адаптивного анализатора состоит в значительном сокращении времени экспериментов, а также в более простой аппаратурнсГЙ реализации такой структуры и в несложной эксплуатации (и, соответственно, меньшей квалификации обслуживающего персонала - что схзобенно важно в морских судовых и самолетньсх лабораториях). Формула изобретения 1. Адаптивный анализатор плотности распределения амплитуд, содержащий блок сравнения, регистр числа, усреднитель, блок управления, состоящий из счетчика выборюк и генератора тактовых импульсов, выход которого соединен с тактовым входом делителя частоты, выход которого соединен с управляющими входами аналого-цифрового преобразователя, счетчика выборок и сумматора, информационный вход которого попключен к выходу запоминающего устройства и является соответствующим выходом анализатора, а адресный вход запоминающего устройства соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, информационный вход которого является входом анализатора, отличающийс я тем, что, с целью повышения быстродействия, он содержит первый и второй блоки определения размаха, делитель кодов и ключ, при этом информационные входы усреднителя и первого блока определения размаха подключены к выходу аналого-цифрового преобразователя, выход усреднителя соединен с информационным входом второго блока определения размаха, выход которого, а также выход второго блока определения размаха подключены к соответствующим входам делителя кодов, при этом выход первого блока определения размаха является соответствующим выходом анализатора, выход делителя кодов соединен с первым входом блока сравнения, второй вход которого подключен к выходу регистра числа, а выход соединен с информационным входом ключа, 910 выхоа которого соецинен с управляющим вхоаом целителя частоты, выхоа которого соёцинен суправляющим входом первого и первым управляющим входом второго блоков опреаеления размаха, управляющи входом усрецнителя и первым управляющим- вхоаом запоминающего устройства, первый выхоа счетчика выборок подключен к управляющему входу ключа и к второму управляющему входу запоминающего устройства, а второй выход счетчика выборр соединен с вторым управляющим вхоаом второго блока определения размаха. 2. Анализатор по п, 1, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что блок определения размаха содержит вычитатель и цва канала определения эксремума, каждый из которых состоит из регистра, схемы сравнения к элемента И, выход которого соединен с первым управляющим входом регистра своего канала, выход регистра в каждом канале соеаинен с первым входо 010 схемы сравнения и соответствующим входом вычитателя, выход которого является выходом блока, вькод схемы сравнетгая соединен с информационным входом эле мента И своего канала, управляющие входы элементов И первого и второго каналов объединены и являются первым управлякяцим входом блока, второй вход схемы сравнения и информационный вход . регистра в обоих каналах объединены и являются информационным входом блока, вторые управляющие входы регистров. обоих каналов объединены и являются вторым управляющим входом блока. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 381079, кл. Q 06 G, 7/52, 1968. 2.Авторское свидетельство (ЭССР № 9039О8, кл. GI O6G; 7/52, 1980 (прототип).

1001110

.2

lV//57x}

Wfxj

) /

PK

16

mif7