Устройство для определения корреляционных характеристик случайного процесса Советский патент 1985 года по МПК G06G7/19 

Изобретение относится к специализированным средствам вычислитель ной технике и предназначено для изме рения корреляционных характеристик случайных процессов, представленных в аналоговой форме. . Известно устройство для определения корреляционных характеристик случайного процесса, содержащее . многозвенный фильтр, вход которого является входом устройства и подключен к информационному входу ключа и к первому входу блока умножения, выход которого через последовательно соединенные блок усреднения и широтно-импульсный модулятор подключен к управляющему входу ключа, выход которого соединен с первым входом. блока вычитания, второй вход которого подключен к выходу многозвенного фильтра, а выход соединен с вторым входом блока умножения m. Однако это устройство не позволяет оценивать отношение двух моментов различных порядков автокорреляционной функции одного случайного процес са. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому объекту является устройство для определения корреляционных характеристик случайного процесса, содержащее многозвенные фильтры т- го ио-го порядков, входы которых объединены и являются, входом устройства, инвертор, ключ, сумматор, первый вход которого соеди нен с выходом многозвенного фильтра т-го порядка, а второй вход - через инвертор с входом ключа, информацион ный вход которого соединен с выходом многозвенного фильтра о-го порядка, блока умножения, входы которого подключены соответственно к входу устройства и -к выходу сумматора, а выход через последовательно соединен-. ные блок усреднения и широтно-импуль ный модулятор к управляющему входу ключа и к входу блока регистрации 2J Это устройство позволяет оценивать отношение двух моментов различных порядков автокорреляционной функции одного случайного процесса. Однако оно характеризуется недостаточной точностью и сложно в изгртовлении, так как содержит в своем составе конструктивно сложный блок умно жения. Накопленная аппаратурная. . погрешность на выходе блока умножени за счет дрейфа его усштителей, температурной нестабильности и т.д. приводит к снижению точности устаовки относительной длительности . импульса на выходе широтно-импульсного модулятора, а тем самым к сниению точности оценки отношения двух оментов различных порядков нормированной автокорреляционной функции одного случайного процесса. Цель изобретения - повышение точности измерения и упрощение устройства. Указанная цель достигается тем, что в устройство для определения корреляционных характеристик случайного процесса, содержащее элемент НЕ, многозвенные фильтры т-го и q-ro порядков, входы которых объединены и являются входом устройства, выход многозвенного фильтра га-го порядка соединен с первым входом сумматора, выход многозвенного фильтра q-ro порядка соединен с информационным в.ходом ключа, управляющий вход которого объединен с входом блока регистрации и подключен к выходу широтно-импульсного модулятора, вход которого подключен к выходу.первого блока усреднения, введены второй блок усреднения, вто.рой элемент НЕ, квадратор, два коммутатора и генератор тактовых импульсов, выход которого соединен с управляющими входами коммутаторов, первьй информационный вход первого коммутатора подкл{очен к выходу первого элемента НЕ, вход которого объединен с вторым информационным входом первого коммутатора, свХодом многозвенного фильт- ра т-го порядка и является входом устройстваi выход первого коммутатора соединен с вторым входом сумматора, третий вход которого подключен к выходу второго блока усреднения, вход которого подключен к выходу ключа, выход сумматора через квадратор соединен с первым информационным входом второго коммутатора и входом второго элемента НЕ, выход которого соединен с вторым информационным входом второго коммутатора, выход которого соединен с входом первого блока усреднения. На чертеже представлена структурная схема предлагаемого устройства. . Устройство для определения корреляционных характеристик случайного

31

процесса содержит многозвенный фильтр 1 т-го порядка, импульсная переходная характеристика которого равна

uf.-лп Tir: ( К/ SolTlH/ (1) где Т - постоянная времени каждого

звена;

,2,... - количество звеньев; ,1,2,.. - порядок оцениваемого

момента;

многозвенный фильтр 2 q-ro порядка, импульсная переходная характеристика -которого равна

±.-1

-im

-Т

е

К VT 7

где q 0,1,2 - порядок оцениваемого момента,

элементы НЕ 3,1 и 3.2, ключ 4, блоки 5.1 и 5.2 усреднения, коммутато- ры 6.1 и 6.2, сумматор 7, квадратор 8, широтно-импульсный модуля- тор 9, генератор 10 тактовых импульсов и блок 11 регистрации, входы многозвенных фильтров 1 и 2 элемент НЕ 3.1 и соответствующий инфор:; мационный вход коммутатора 6.1 объединены и являются входом устройства, первый информационный вход коммутатора 6.1 соединен с выходом элемента 3.1, выход многозвенного фильтра 1 непосредственно подключен к первому входу сумматора 7, а выход многозвенного фильтра 2 через последовательно соедийенные ключ 4 и блок 5.1 усреднения подключен к другому входу сумматора 7, последний вход которого соединен с выходом коммутатора 6. Г, вход квадратора 8 соединен с выходом сумматора 7, а его выход - непосредственно с первым информационным аходом и через элемент НЕ 3.2 со вторым информационным входом коммутатора 6.2, выход которого через последовательно соединенные блок 5.2 усреднения и широтноимпульсный модулятор 9 подключен к управляющему входу ключа 4 и к входу блока 11 регистрации, выход генератора 10 тактовых импульсов подклюг чек к управлякяцим входам коммутаторов 6.1 и 6.2.

Устройство для определения корреляционных характеристик случайного процесса работает следующим образом.

647424

, Исследуемый центрированньй случайный процесс x(t) поступает на вход устройства. С выхода многозвенного фильтра 1 с импульсной характеристк5 кой H(t) сигнал

во

11,|нГс)х(

поступает на первый вход сумматоfO pa 7. На второй вход сумматора 7 поступает сигнал U с выхода блока усреднения 5.1 и равен

00

(4)

u,-,i;(blorox(,

5/о

где 1 (t) - коммутационная- функция ключа 4, равная А во время D замкнутого ключа и равная во время - открытого ключа;

период следования импульсов широтно-импульсного модулятора 9; А - постоянная величина.

При нахождении коммутаторов 6.1 и 6.2 в положении как показано на чертеже, на выходе сумматора 7 имеем сигнал

I I /II . I . П / . . - /

ОзЦи,-и,).$(г),

а на выходе квадратора. 8 и на входе блока усреднения 5.2 имеем сигнал

, ,,, (6)

tJ (Urll,)4x(i)

При нахождении коммутаторов 6.1 и 6.2 в положении, противоположном изображенному на чертеже, на выходе сумматора 7 имеем сигнал

U(UrO.VvW,

на выходе квадратора 8 сигнал (8)

u:(urii,vxw,

а на входе блока усреднения 5,2 имеем сигнал со знаком минус u.

Генератор 10 тактовых импульсов, управляя коммутаторами 6.1 и 6.2, осуществляет принцип временного разделения сигналов, позволяет получить на входе блока 5.2 усреднения переменный сигнал, имеющий форму меандра, амплитуда положительных импульсов которого равна U, а отрицательных - U4 выходе блока 5,2 усреднения имеем сигнал Ug, пропорционалный оценке математического ожидания этого переменного сигнала, под действием которого широтно-импульсный модулятор 9 изменяет длительность импульсов ь до тех пор, пока сигнал и. на выходе блока 5.2 усреднения не станет равен нулю, т.е. на выход блока 5.2 усреднения с учетом выражений (3), (Л), (6) и (8) получим

(}xll)vH- Jt-2(t)x

-о .

00

(9)

iQltvJWxii-lUJl,

о -1

где L - оператор сглаживания.

В установившемся режиме, когда из выражения (9) получим

ОО .

JHro;(t yii-j(j (ь

(tvJit-tu:

а с учетом выражений (1) и (2) получаем

00

5л - (Л л 1л I, )do

со

о

где РХ (t) - нормированная автокорре ляционная функция случайного сигнала х (t). Из анализа видно, что в качестве оценки отношения моментов автокорреляционной функции исследуемого процесса является относительная длительность импульсов широтно-импульсного модулятора 9, измеряемая блоком 11 регистрации.- .

Точность устройства обеспечивает . ся за счет применения компенсационного метода измерения оценки математического ожидания и может быть . определена с высокой точностью.

Кроме того, точность оценки математического ожидания на выходе широтно-импульсного модулятора 9 в предлагаемом устройстве не зави сит от вносимой погрешности нелинейных элементов (квадратором, блоком умножения), а в прототипе зависит и определяется их точностью.

Экспериментальная сравнительная оценка точности предлагаемого устройства и прототипа проводилась на аналоговой вычислительной машине АВМ МН-18М. В результате моделирования получены результаты, показывающие, что точность предлагаемого

устройства на порядок выше, чем у прототипа. Кроме того, при выполнении устройства в аналоговой форме упрощается конструкция устройства,

так как отпадает необходимость в высококачественных усилителях, имеюших малый уровень дрейфа, а квадратор может иметь любые неравные нулю амплитудно-частотные характеристики,

а при выполнении устройства в цифровой форме значительно упрощается реализация нелинейного элемента (квадратора, блокаумножения).

За счет упрощения конструкции (так как квадратор конструктивно на много проще блока ум-ножения предлагаемого устройства), как показали рас tie ты, наработка на отказ увеличилась на 30%.

Реализация предлагаемого устройства не представляет технических трудностей.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕдаЛЕНИЯ КОРРЕЛЯЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СЛУЧАЙНОГО ПРОЦЕССА, содержащее первый элемент НЕ, многозвенные фильтры П)-го и Q -го порядков, входы которых объединены и являются входом устройства, Выход многозвенного фильтг ра порядка соединен с первым входом cyi iaTopa, выход многозвенного фильтра q-го порядка соединен с информационным входом ключа, управлякщий вход которого объединен с входом блока регистрации и подключен к выходу широтно-импульсного модулятора, вход которого подключен к выходу первого блока усреднения,- о т личающее ся тем, что, с целью повышения тосности измерения в него введены второй блок усреднения, второй элемент НЕ, квадратор, два коммутатора и генератор тактовых импульсов, выход которого соединен с управляющими входами коммутаторов, первый информационный вход первого коммутатора подключен к выходу первого элемента НЕ, вход которого объединен с вторым информационным входом первого коммутатора, с входом мно гозвенного фильтра т-го порядка и является входом устройства, выход первого коммутатора соединен свторым входом сумматора,третий вход (Л которого .подключен к выходу втЬрого блока усреднения, вход которого подключен к выходу ключа, выход сумматора квадратор соединен с первым информационным входом второго коммутатора и входом второго элемента НЕ, выход которого соединен с вторым информационным входом второго коммутатора выход которого соединен с входом первого блока усреднения.