Устройство для определения одномерных начальных моментов К-го порядка случайного сигнала Советский патент 1984 года по МПК G06F17/18 

торого соединен с выходом источника постоянного напряжения, выход старшего разряда второго счетчика подключен к первому входу девятого элемента И и к второму входу шестого элемента И, выход которого соединен С вторым входом второго элемента ИЖ выход первого разряда первого счетчика подключен к Четвертому входу блока определения среднего и к $ -входу второго триггер.а, единичный выход которого соединен с третьим входом четвертого элемента И, выход которогоподключен к первому входу первого реверсивного счетчика, выход которого соединен с S -входом первого триггера, выходы первого счетчика подключены к входам третьего элемента ШШ, выход которого соединен с вторым входом третьего элемента И, которого подключен к первому входу четвертого элемента ИЛИ, выход которого соединен с первым входом второго реверсивного счетчика, выход которого подключен к вто рому входу дешифратора, выход которого соединен с в торым входом блока индикации, выходы восьмого элемента И подключены соответственно к третьему входу третьего элемента И, к вторым входам первого, девятого и .второго элементов И, выход которого соединен с вторым входом первого реверсивного счетчика, подвижный контакт второго переключателя подключен к источнику постоянного напряжения, замыкающий контакт второго переключателя соединен с третьими входами шестого и девятого элементов И, размыкающий контакт второго переключателя подключен к третьему вхо- , ду седьмого элемента И, ft -вход третьего триггера является входом Пуск устройства.

2, Устройство по п.1, о т л и чающееся тем, что блок определения среднего содержит элемент И и реверсивный счетчик, выход кото-, jporo является выходом блока, первым, третьим и четвертым входами которого являются входы элемента И, выход которого соединен с первым входом реверсивного счетчика, второй вход которого является вторым входом блока.

. ,

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть испольаовано для контроля и анализа случайных сигналов с узкополосным спектром

Известно устройство для определения начальных моментов случайного процесса, содержащее аналого-цифровой преобразователь (А1Щ) СП.

Однако такое устройство отличается сложностью.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для определения одномерных начальных моментов К-го порядка случайного сигнала, содержащее аналого-цифровой преобразователь, (К-1) канал оценки начальных моментов, блок формирования среднего значения 12.

Однако данное устройство достаточно сложно.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет определения центрального момента второго порядка.

Указанная цель достигается тем, что в устройство для определения одномерных начальных моментов к-го порядка случайного сигнала, содержащее элементы И, счетчики, блок

определения среднего и аналого-цифровой преобразователь, введены реверсивные счетчики, дешифратор, триггеры, ключ, блок индикации, источник

постоянного напряжения, цифро-аналоговый преобразователь, элементы ИЛИ, элемент НЕ, переключатели, а аналого-цифровой преобразователь состоит из источника постоянного напряжения, блока модуля, ключа, интегратора, компаратора, элемента И и генератора импульсов, выход которого соединен с первьм входом элемента И аналого-цифрового преобразователя,

выход которого подключен к первым входам первого и второго элементов Ни блока определения среднего, выход которого соединен с первым входом дешифратора и через цифроаналоговый преобразователь подключен к первому входу ключа, выход которого через блок модуля соединён с вторым входом блока определе ния среднего и с первыми входами , 5 третьего элемента И и ключа аналого-цифрового преобразователя, вькод которого через последовательно соег иненные интегратор и компаратор подключен к бторому входу элемента to И аналого-цифрового преобразователя, к первым входам четвертого и пятого элементов И и к входу элемента НЕ, выход которого соединен с п-ервыми входами шестого и седьмого элементов 15 И с R -входом первого триггера, нулевой выход которого подключен к вторым входам четвертого и пятого злементов И, вькод которого соединен с вторым входом ключа, третий вход jo которого является информационнь1М входом устройства, единичный выход первого триггера соединен с третьим входом блока определения среднего, с первыми входами первого элемента 25 ИЛИ и восьмого элемента И и с входом счетчика, выходы которого подключены к входам первого переключателя, выход которого соединен с R -входом второго триггера, с вторым входом зо восьмого элемента И и с входом второго счетчика, выход предпоследнего разряда которого подключен к третьему входу пятого элемента И и к второму входу седьмого .элемента И, выход, которого соединен с вторым входом первого элемента ИЛИ, выход которого подключен к S-входу третьего триггера, единичный выход которого соединен с первым входом блока ин- 40 дикации и с вторым входом первого элемента ИЛИ, выход которого подклюг чей к второму входу ключа аналогоцифрового преобразователя, третий вход которого соединен с выходом 45 источника постряикого напряжения, выход старшего разряда второго счетчика подключен к первому входу девятого элемента И и к второму входу естого элемента И, выход которого 50 соединен с вторым входом второго элемента ИЛИ, выход первого разряа первого счетчика подключен к четвертому входу блока определения реднего и к 5 -входу :второго триг- 55 ера, единичный выход которого соедиен с третьим входом четвертого элеента И, выход которого подключен

к первому входу первого реверсивного счетчика, выход которого соединен с 5-входом первого триггера, выходы первого счетчика подключены к входам третьего элемента ИЛИ, выход которого соединен с вторым входом третьего элемента И, выход которого подключен к первому входу четвертого элемента ИЛИ, выход которого соединен с первым входом второго реверсивного счетчика, выход которого подключен к второму входу дешифратора, выход которого соединен с вторым входом блока индикации, вьгходы восьмого элемента И подключены соответственно к третьему входу третьего элемента И, к втЪрым входам первого, девятого и второго элементов И, вькод которого соединен с вторым входом первого реверсивного счетчика, подвижный контакт второго переключателя подключен к цсточниIку постоянного напряжения, замыкающий контакт,второго переключателя соединен Q третьими входами шестого и девятого элементов И, размыкающий контакт второго переключателя подключен к третьему входу седьмого элемента И, R -вход третьего триггера является входом Пуск устройства.

Блок определения среднего содержит элемент И и реверсивный счетчик, выход которого является выходом блока, первым, третьим и четвертым входами которого являются входы элемента И, выход которого соединен с первым входом реверсивного счетчика, второй вход которого является вторым входом блока. ,

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства; на фиг. 2 и 3 Временные диаграммы, поясняющие его работу (на фиг. 3 поясняется работа устройства при определении дисперсии случайного сигнала).

Устройство состоит из интегрирующего АЦП 1, блока 2 определения среднего (блока определения математического ожидания), реверсивного счетчика 3 управления, реверсивного счетчика 4 результата, десятичного счетчика 5 порядка момента, (4+1)-разрядного счетчика 6 выборки, триггеров 7-9, элементов И 10 - 18, элементов ИЛИ 19 - 22, элемента НЕ 23, цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) 24, дешифратора 25, блока 26 индикации, переключателей 27 и 28АЦП 1 включает в себя блок 29 модуля, аналоговый ключ 30, источни 31 напряжения, интегратор 32, компаратор 33, генератор 34 импульсов, элемент И 35. Блок 2 определения среднего вклю чает в себя элемент И 36 и реверсивный счетчик 37. Устройство содер жит также ключ 38 и источник 39 постоянного напряжения. Устройство реализует известный алгоритм вычисления оценки одномерных начальных моментов R-го порядка случайного сигнала при фиксированном объеме выборки iicC:x(t)-I/(tO где fe - 1,2,3...; X{-ti) значение случайного сигнала в момент времени, N - объем выборки. Кроь№ того, устройство позволяет вычислить оценку центрального одномерного момента второго порядка, т.е. дисперсию случайного сигнала. В этом случае устройство реализует алгоритм СхШ И2СуШ--R bCiiV MCx(t)ft где М ( математическое ожидани случайного сигнала. Устройство работает следующим образом. Исходное состояние устройства: переключатель 28 в положении вычисл ния момента к-го порядка (например Третьего); переключатель 27 в нижнем положении; триггер 9 установлен в единичное состояние,следовательно, на управляющем входе ключа 30 высокий потенциал, на входе интегра тора 32 отрицательный потенциал источника 31; интегратор в состоянии насьпцения, поэтому на его выходе установлен отрицательный потенциал, на выходе компаратора нулевой потен циал; счетчики 3, 4, 5, 6 и 37 уста новлены в нуль. В момент времени Чг по команде Пуск TpiHrrep 9 подключает выходной сигнал с помощью ключа 30 к входу интегратора 32. Так как входной сигнал.У& имее узкоПолосш спектр, то в течение времени одного цикла вычисления оценки к-го момента Tu, его величина практически остается постоянной и тогда можно считать, что на вход интегратора 32 поступает сигнал неизменной амплитуды. На его выходе в момент времени нап|эяжение будет равно: -| (Wx), 1и - постоянная времени интегратора;1Пче - масштаб входного сигнала. При Ugyy О компаратор 33 пропустит импульсы генератора 34 через элемент И 35 на вход блока 2 и вход счетчика 3 управления. Интервал времени % -1.2-14 определяется разностью счетчика 3 управления. В момент времени -{,2 импульсный сигнал обнуления устанавливает триггер 7 в единичное состояние, подключая тем самым с помощью ключа 30 источник 31 эталонного напряжения к входу интегратора 32. Так как напряжение источника 31 ЕО по знаку противоположно напряжению с выхода блока 29 модуля, выходное напряжение интегратора 32 уменьшается. Кроме того, высокий потенциал с единичного выхода триггера 7 подается на вход счетчика 5 порядка и на второй вход элемента И 36. Так как с появлением высокого потенциала на единичном выходе триггера 7 одновременно на выходе первого разряда счетчика порядка появляется высокий потенциал, подаваемый на третий вход элемента 36 и S -вход триггера 8, в течение времени -tx-t-i-tj счетчик 37 подсчиты- вает число импульсов генератора 34, поступивших на его вход. На вход счетчика 3 управления поступают импульсы генератора 34 в течение времени -tx . К моменту времени t-j напряжение на выходе интегратора 32 станет равным нулю, :Ueb,N :bO l;IUexb tx-0. °.- «-txHa,|lUexl Iv/gTJ)H OoTclvCM , а.,Шг Таким образом, интервал времени tx пропорционален величине входного 7 . сигнала ( . Если этот интервал времени заполнить импульсами генератора 34 с частотой повторения f и подсчитать их с помощью счетчика то к моменту времени i, в счетчик окажется записанным в выбранном ко де число W(( t , пропорционал ное входному сигналу ч( т.е. (ti) Oi,4Xo1if. В момент времени -{гкг на выходе , компаратора 33 будет нулевой потенциал и импульсы генератора 34 на выход АЦП 1 не проходят. В этот же момент с единичного выхода триггера 7 снимается потенциал лог. 1 и к вхо ду интегратора 32 вновь подключается с помощью ключа 30 входной сигнал L/. . Если теперь заставить интегратор в течение времени интегрировать сигнал IUbx((t(| так как сигнал узкополосный, то к Моменту времени ig его выходное напр жение будет равно: ,flv(fc.V oioTc,lv(OI aoT;ix(t.yi Если в момент 1:5 а вход интегра тора подать напряжение Е. источника эталонного напряжения, противоположное по знаку ,) , выход ноё напряжение интегратора начнет уменьшаться и через время станет равным нулю, т.е. Ue.(i«V lyM-|-Vo Отсюда )I. Таким образом, интервал времени пропорционален квадрату величины модуля входного сигнала х (i) . Если этот интервал заполнить импульсами с частотой повторения и подсчи-тать их с помощью счетчика, то к моменту времени i в счетчике окажется записанным в выбранном коде число Mi(ij)f-i5(l пропорциональное квадрату модуля входного сигнала, где N2(ts)fa|To)x(t,M4Wb. atfojTo , . . Указайная процедура осуществляется следующим образом. 4 В момент ifx- счетчик 3 управления переводится в режим вычитания сигналом с выхода, элемента И 15. Импульсы, поступающие на вход счетчика управления, вычитаются из числа записанного в предыдущем частном цикле A7 -tj-t . В момент tj через интервал времени iji-tp-tif-ti,- на импульсном вь1ходе обнуления счетчика 3 управления появится импульс о.бнуления, который перебрасывает триггер 7 в состояние лог.1, подключая тем самым с помощью ключа 30 к входу интегратора 32 напряжение f источника 31 эталонного напряжения и снимая сигнал реверса с управляющего входа счетчика 3 управления. Счетчик управления в течение бремени - tg-ij подсчитывает импульсы генератора 32, поступающие на его вход. К моменту :(:(, в нем будет записан код N2(-tsV c}2 ve:Ol ,3 компаратор 33 вернется в исходное состояние, переводя триггер 7 в состояние лог.О и подключая входной сигнал к входу интегратора. Начнется третий частный цикл работы устройства. Рассуждая аналогично, придем кзаключению, что к моменту -tq в счетчике 3 управления был бы записан код М5((,)( , где Q fToQ. Однако В момент второго входа элемента И 14 снимается, а на втором входе элемента И 10 появляется высокий потенциал. В результате в счетчике 3 управления будет записан нуль, а в счетчике 4 результата - код HsCtql (для VC -го момента код , Ык(,О,Де фГТоО.. Так будет повторяться в каждом из VI циклов измерения. В счетчиках Д и 37 будут накапливаться суммы OVZ|X(-ti)p и Й,2.)| соответственно. ЕСЛИ при каком-то -Ьл входной сигнал отрицательный, то счетчики 5 и 37 переводятся в режим вычитания: счетчик 37 непосредственно сигналом с блока 29 модуля, а счетчик 4 специально сформированным на элементе И 17 сигналом. На третий вход элемента И 17 поается лог.1 каждого нечетного разяда счетчика 5 порядка с выхода эле ента ИЛИ 22, на второй вход - лог.1 выхода блока 29 модуля, на первый игнал произведения (лог.1 триггера 7 X ЛОГ.1 третьего разряда счетчика 5 порядка). Счетчик 6 выборки подсчитывает каждый третий частный цикл. Когда на е-го KJ-М разряде .появится лог. 1 и придет с с выхода .эле1мента НЕ 23 инверсный выходной сигнал компаратора 33, на выходе элемента И 13 появи ся лог.1, которая -установит триггер 9 в единичное состояние; процесс определения момента третьего порядка закончится. Лог. 1 на вьгходе триггера 9 разрешает устройству 26 печат и индикацию результатов, записанных в счетчиках 4 и 37 и дешифрированных дешифратором 25. Порядок определяемого момента оп ределяется положением переключателя 28. Так как число , где тзаданное число, определено разрядностью счетчика. 6 выборки,то.,считывая результат в счетчиках 37 и 4 С ($-Н старящих разрядов ( Q, - разря ность счетчийов), получим значения соответственно математического ожидания случайного процесса X (ir M)cd). k. -го начального момента случайного процесса л(. )( Ся Для получения оценки,дисперсии случайного сигнала x(t необходимо переключатель 27 перевести в верхнее положение а переключатель 28 в положение 2р. Процесс вычисления происходит так как описано выше. Однако с появлением на N-M разряде счетчика выборки лог.1 процесс не остановится, так как на первом входе элемента И 13 будет нулевой потенциал. Устройство осуществляет таким же образом, как описано выше, последовательно линейное преобразование и,и,АП , пропорциональное величине MCv(iU затем квадратичное преобразование (tVl , перед которым счетчик 4 результата переводится в режим вычитания потенциалом лог.1 с выхода элемента ИЛИ 19. В результате в счетчике 4 результата после квадратичного преобразования величины И -к (-tn код M tJxft l вычитается из кода )T, хранящего.ся в счетчике после циклов. Таким образом, в последнем частном цикле (H-t-l) цикла измерения в счетчике результата будет записан код дисперсии. Использование интегрирующего АЦП в предлагаемом устройстве выгодно отличает его от а1налогов, так как интегрирующий АЦП может работать как функциональный преобразователь. Кроме того, в предлагаемом устройстве вычисления математического ожидания и дисперсии случайного процесса происходит почти параллельно, используются для их вычисления одни и те же выборки, что позволяет повысить надежность оценки моментных функций случайных сигналов, в том числе и нестационарных.

Фи1.2

%

Вых. 23

: