Цифровое сглаживающее устройство Советский патент 1984 года по МПК G06F17/17 

Изобретение относится к специализированным средствам вычислительной техники и может быть использова но в адаптивных системах цифровой о работки информации. Известно устройство для вычисления среднего значения случайной величины, содержащее преобразователь аналоговой величины в число импуль :ов, счетчик числа реализаций, упра ляемый делитель частоты, генератор тактовых импульсов 1 L Известно также устройство для вы числения скользящего среднего значе ния , содержащее генератор тактовой частоты, два регистра и два суммато ра 21. Недостаток известнь с устройств заключается в том, что реализуемый в них алгоритм определения скользящего среднего по известной рекуррен . - ной формуле 7 не учитывает влияния импульсного си нала на величину скользящего средне го значения, характеризующего шум, т.е. оценка среднего значения шума, сопровождающего импульсные сигналы, оказывается недостаточно эффективно В формуле (1) через Х обозначено скользящее среднее, вычисленное на i-M шаге, текущее значение случайной величины, 2 - интервал усре нения в числе отсчетов случайной ве личины. . Наиболее близким по технической сущности к изобретению является циф ровое сглаживающее устройство, соде жащее регистр, сумматор, два мульти плексора, блок управления с триггер ми и элементом И Тз. В указанном устройстве уменьшает ся влияние импульсного сигнала на вычисляемое по формуле (1/ среднее значение шума ..„(2 . 1 при X ,-Х 5.7,0 о при m - постоянный коэффициент, увеличивающий интервал усреднения при повышении текущего значения случайной величины скользящего среднего значения. Недостаток этого устройства заклю чается в низкой точности определения скользящего среднего из-за того что при ,-.интервал усреднения равен , а при х,-Х|./О этот интервал уменьшается до 2 отсчетов. При этом положительные и отрицатель ные приращения текущих значений слу чайной величины учитываются при вычислении скользящего среднего значения с разными весами, что приводит к получению смещенной оценки среднего значения даже при отсутствии импульсного сигнала (спад среднего . значения происходит быстрее, чем нарастание, и величина среднего значения получается заниженной. Кроме того, в указанном устройстве не оценивается уровень импульса, в результате чего при появлении сигнала с большой амплитудой нежелательное влияние его на величину среднего значения оказывается существенным. Недостатком устройства является также низкое быстродействие, поскольку вычисление скользящего среднего производится за несколько последовательно выполняемых операций с тактироваHHeiJi элементов памяти. Цель изобретения - повышение точности и увеличение быстродействия устройства. Указанная цель достигается тем, что в цифровое сглаживающее устройство, содержащее регистр, элемент И, юрвый сумматор и мультиплексор, выход i-ro (i-l., n) разряда которого подключен ко входу i-ro разряда первой группы первого суг.Ф1атора, выход 1-го( , n+k ) pa3ряда f где 2 - интервал усреднения , п-разрядность обрабатываемых чисел) которого соединен со входом i-ro разряда регистра, введены второй и третий сумматоры и элемент НЕ, выход которого соединен со входом переноса первого сумматора, со входом i-ro разряда (, n+k) первой группы первого сумматора и входом j-ro (jtn-m+l,M разряда первой группы ( коэффициент увеличения интервала усреднения второго сукя атора, выход переноса, которого подключен к первому входу элемента И, выход которого соединен с управляющим вхо7ДОМ мультиплексора, вход i-ro (,n| разряда первой группы которого подключен к выходу -го разряда третьего су№ атора.г выход переноса которо-. го соединен со входом элемента НЕ и вторым входом элемента И, пр51мой выход i-ro (,n4l ) разряда регистра соединен со входом i-ro разряда второй группы первого сумматора, инверсный выход i-ro (i , п+1 разряда регистра подключен ко входу ( разряда второй группы второго сум.матора и ко входу (т- )-го разряда пер)зой группы третьего cyMiviaTopa, выход i-ro ( +l,h I разряда которого под.ключен ко входу ((-tn V-го разряда пер)эой группы второго сумматора, вход переноса которого объединен со входом переноса третьего сумматора и под глючен к инверсному выходу k-ro разряда регистра, прямые выходы п старших разрядов которого являются группой информационных выходов устройства, входы п разрядов второй группы третьего сумматора являются группой информационных входов устрой ства, а вход синхронизации регистра является входом синхронизации устрой ства, входы разрядов второй группы мультиплексора являются входами задания константы приращения устройства. Введение в устройство указанных элементов и связей между ними обеспе чивает учет приращений случайной величины с одинаковыми весами независимо от знака приращения, Что позволяет исключить ошибку в вычислении скользящего среднего значения. Кроме того, повышается быстродействие, так как все вычисления выполняются на комбинационных сумматорах и тактирование устройства выполняется один раз при записи окончательного резуль тата в регистр. На чертеже приведена схема цифрового сглаживающего устройства. Устройство содержит регистр 1, сумматоры 2, 3 и 4, мультиплексор 5, элемент НЕ 6 и элемент И 7. Позициями 8, 9 и 10 обозначены соответствеь но вход синхронизации, информационные входы и выходы устройства. Для определенности на чертеже представлен частный случай, когда величина т 1. Сумматоры 3 и 4 содержат по п раз рядов в соответствии с разрядностью информационного входа 9 устройства, подключенного к первым входам {А.,,..., А J,) сумматора 3, выходы кото рого соединены с первыми входами .мультиплексора 5. Кроме того, выходы сумматора 3 подключены со сдвигом вправо на один разряд (обеспечивающим деление на дваJ к первым входам А,..., А сумматора 4, первый вход старшего разряда А которого соединен через элемент НЕ б с выходом переноса сумматора 3. Сумматоры 3 и 4 предназначены для вычитания кода регистра 1 из кодов, поступающих на их первые входы, при этом для получения дополнительного кода h старших разрядов регистра 1 инверсные выходы этих разрядов подключень ко вторьам входам сумматоров 3 и 4, а для получения, дополнительного кода с округлением (с учетом старшего из отбрасы ваемых младших разрядов ) на входы переносов сумматоров 3 и 4 вместо сигнала логической 1 подключается сигнал с инверсного выходы k-ro разряда. Мультиплексор 5 коммутирует на первые входы младших разрядов первого сумматора 2 либо код с выходов сумматора 3 (при логическом О на его входах управления V., / V ), либо код константы (минимального/ приращения (при логической 1 на входах ), установленный на вторых входах мультиплексора 5, например код О,...,01 (единица младшего разряда |. Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии в регистре 1 хранится код среднего значения Х. случайной величины (шума, полученный на предыдущем шаге вычисления. С поступлением на вход 9 устройства кода очередного измерения случайной величины на выходе сумматора 3, выполняющего сложение кода Х JC дополнительным кодом Х,-., формируется код разности Л Х,-Х., (3) на выходе переноса Р. сумматора 3 действует сигнал логической 1, обозначающий, что уровень в.ходного сигнала не меньше уровня среднего значения случайной величины. В этом случае с помощью сумматора 4 производится проверка на превышение уровня входного сигнала У.трехкратной величины скользящего среднего Х.,. Сумматор 4,производящий сложение кода и , сдвинутого на один разряд вправо, т.е. уменьшенного в 2 раза, с дополнительным кодом скользящего среднего X ,-., поступающим на его вторые входы (и вход переноса J, формирует на выходе код разности Л-, : ХрЭХ,., 2 - Если , что соответствует случаю Х;, ЗХ-..,, с определенной верояткостью можно считать, что последнее измерение X; относится к анализируеMoi y импульсному сигналу, и следовательно, пocлeдF ee измерение не должно учитываться при определении велихины скользящего среднего на очередном шаге вычислений. на выходе переноса Рр, сумматора 4 сигнал принимает значение логической 1, при этом на выходе элемеита И 7, на обоих входах которого действуют сигналы 1, 7-акже появляется сигнал логической 1, под действием которого на первые входы мпадших разрядов сумматора 2 с выхода мультиплексора 5 поступает код тсонстанты минимального приращения, например О,...,01, а на входах старших разрядов н на входе переноса cyMviaTopa 2 с элемента НЕ б поступает сигнал логического О. Положительная константа добавляется к коду Xi--| с регистра 1 и код cyMTvsH с сумматора 2 поступает на входы регистра 1. С поступлением на вход 8 устройства сигнала синхронизации код с cyMiviaTOpa 2 записывается в регистр 1. Для нормальной работы устройства задержка сигнала

синхронизации относительно посгупления информации на вход 9 устройства должна быть достаточной для установления уровней сигналов на входах р.,.... , Df,4i регистра 1, а в регистре 1 должны использоваться -элементы памяти, воспринимающие входную информацию только в момент действия фронта сигнала синхронизации (например триггеры типа D с самоблокировкой) .

При на выходе переноса сумматора 4, следовательно, на выходе элемента И 7 сигнал принимает значение логического О, под действием которого на первые входы сумматора 2 через мультиплексор 5 поступает код разности й с выхода сумматора 3. При этом сли d-j7,0, то на первые входы старших разрядов (А„4,. , ., А f,4X / вход переноса сумматора 2 с выхода элемента НЕ 6 подается логической О, т.е. на сумматор 2 поступает прямой код разности 4 , а при результат вычитания на выходе сумматора 3 получается в дополнительном коде и на первых входах старших разрядов, а также на входе переноса сумматора 2 действуют сигналы логической 1, соответствующие дополнительному коду (п41 (-разрядного числа,

Среднее значение X,- , вычисляемое в устройстве, определяется в соотвествии с рекуррентными выражениями

при

(,

,при

где С - константа минимального приращения скользящего среднего при наличии на входе устройства кода, значение которого, по крайней мере, в 3 раза превышает средний уровень шума. Необходимость введения константы

CiO обусловлена тем, что при случайной установке в регистре 1 нулевого кода условиел О всегда выполняется и изменение содержимого регистра 1 становится невозможным, если .

Назначение элемента И 7 заключается в исключении влиянии переполнения сумматора сложении двух отрицательных величин, когда сигнал на выходе его переноса принимает значение 1, несмотря на то, что фактически 0 .

Код скользящего среднего со старших разрядов регистра 1 поступает на выход 10 устройства и не изменяется до поступления следующего синхш5 низирующего импульса на вход 8 усГ ройства.

Таким образом, в данном устройстве за один такт производится вычисление скользящего среднего значения 1лума, которое может использоваться в дальнейшей обработке для автоматической установки режимов пороговых устройств.

По быстродействию и точности вычисления скользящего среднего данное устройство имеет преимущества по сравнению с известным. Получение выходного кода в данном устройстве производится за один такт записи в

регистр нового вычисленного значения с задержкой относительно поступления кода на вход устройства, определяемой лишь временем задержки переключения логических элементов.

Ошибка в оценке среднего значения при Х.ЗХ. в данном устройстве в отличие от известных устройств отсутствует, а при Xj v ЗХ j. ошибка,обусловленная влиянием импульсного сигнала на среднее значение в данном

устройстве, составляет единицу младшего разряда, уменьшенную в 2 раз, в то время как в прототипе эта величина определяется амплитудой сигнала и может быть в несколько раз больше.

ЦИФРОВОЕ СГЛАЖИВАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО, содержащее регистр, элемент И, первый сумматор и мультиплексор, выход i-ro (,n I разряда которого подключен ко входу i-ro разряда первой группы первого сумматора, выход i-го (t 1 ,п+ К разряда (где интервал усреднения, п- разрядность обрабатываемых чисел ) которого соединен со входом il-ro разряда регистра, о тличающееся тем, что, с целью повышения точности и увеличения быстродействия, в него введены второй и третий сумматоры и элемент НЕ, выход которого соединен со входом переноса первого сумматора, со входом j-го разряда (, и +1 /первой группы первого сумматора и входом j-ro (j h-m+l,n ) разряда первой группы {т - коэффициент увеличения интервала усреднения ) второго сумматора, выход переноса которого подклю/ e m«Jчен к первому входу элемента И, выход которого соединен с управляющим входом мультиплексора, вход i-ro