Устройство для анализа распределений случайных процессов Советский патент 1986 года по МПК G06F17/18 G06F17/17 

Изобретение относится к специали- зированиь средствам вычислительной техники и может использоваться для статистического анализа случайных процессов, а именно для измерения плотности распределения вероятностей

Цель изобретения - повышение точ- Д1ОСТИ определения плотности распределения вероятностей.

На фиг. 1 изображена структурная схема устрьйства для анализа распределений случайных процессов; на фиг. 2 - структурная схема цифрового фильтра; на фиг. 3 - структурная схема блока управленияi на фиг. 4 - временные диаграммы сигналов.

Устройство для анализа распределений случайных процессов (фиг. 1) содержит аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 1, коммутатор 2, блок 3 памяти, комбина1;ионньш сумматор 4, элемент И 5, счетчик 6 адреса, цифровой фильтр 7, блок 8 регистрации и блок 9 управления. Входом., устройства является инфopмaп Ioнный вход аналого-цифрового преобразователя 1., выход которого соединен с вторым информационным входом коммутатора 2, Ьервый информационный вход которого соединен с выходом счетчика б адреса

Выход коммутатора 2 соединен с адресным входом блока 3 памяти, информационный вход которого соединен с выходом элемента И 5, первглй вход котороrQ соединен с выходом сумматора 4, вход которого соединен с выходом блока 3 памяти и информационным входом цифрового фильтра 7, выход которого соединен с информационным входом блока 8 регистрации. Вход блока 9 управления и установочный вход счетчика 6 адреса соединены с шиной Пуск, Пер- вьш выход блока 9 управления соединен с управляющим входом аналого-цифрового преобразователя 1, второй выг. ход блока 9 управления соединен с управляющим входом блока 3 памяти, . , третий выход блока 9 управления соединен со счетным входом счетчика 6 адреса и первым управляющим входом блока 8 регистрации, четвертьй выход блока 9 управления соединен с управляющим входом цифрового фильтра 7,пятый выход блока 9 управления соединен с управляющим входом коммутатора 2, вторым управляющим входом блока 8 регистрации и вторым входом элемента И 5.

Цифровой фильтр (фиг, 2) содержит первый узел 10 коммутации, блок 11 памяти, второй узел 12 коммутации, узел 13 суммирования, регистр 14| ,

элемент И 15. Информационным входом цифрового фильтра является первьй информационный вход первого узла 10 коммутации, второй информационньш вход которого соединен с первым входом элемента И 15 и выходом регистра 14, а также является выходом цифрового фи.. Выход первого узла 10 коммутации соединен с информационным входом блока 11 памяти и первым информационным входо.м второго узла 12 коммутации, второй информационный вход которого соединен с выходом блока 11 памяти. Выход второго узла 12 соединен с первым входом узла 13 суммирования,, второй вход которого соединен с выходом элемента И 15, а выход узла 13 суммирования соединен с информаци- oHHbnvi входом регистра 14. Управляю- 1ций вход цифрового фильтра 7 образован управляющими входами узла 10 ком- 4утации и регистра 14, адресным входом блока 11 памяти, а также соеди-. HeHHbLVM между собой управлякщим входом блока 11 памятиS управляющим

входом узла 12 коммутации и вторым входом элемента И 15.

Блок 9 управления (фиг. 3) содержит первый и второй генераторы 16 и 17 тактовых импульсов, первый;, второй

и третий элементы И 18-20, первый, второй, третий и четвертый счетчики 21 - 24, RS -триггер 25 и коммутатор 26, Выход первого генератора 16 тактовых импульсов соединен с вторым входом первого элемента И 18, первый вход которого соединен с управляющим входом Ko:NfMyTaTopa 26 и выходом триггера 25, а выход первого элемента И 18 соединен с вторым информационным входом коммутатора 26 и счетным входом первого счетчика 21, выход которого соединен с R -входом триггера-25, инверсный выход которого соединен с .первым входом второго

элемента И 19. Выход второго генератора 17 тактовых импульсов соединен с первым входом третьего элемента И 20 и входом третьего счетчика 23, л. ьжод которого соединен с входом чет1 ертого счетчика 24, первый выход которого соединен с вторым входом второго и вторым (инверсным) входом третьего элементов И 19и 20, выход

третьего элемента И 20 соединен с входом второго счетчика 22, Первым выходом блока управления является выход первого элемента И 18. Вторым выходом блока управления является выход коммутатора 26. Третьим выходом блока управления являются соединенные между собой выход второго .элемента И 19 и первый информационный вход коммутатора 26. Четвертый выход блока управления образован выходом второго элемента И 19, выходом второго генератора 17-тактовых импульсов, выходом третьего счетчика 23, а также разрядными выходами второго и четвертого счетчиков 22 и 24. Пятым выходом блока управления является прямой выход триггера 25. Установочный вход первого счетчика 21 и 5 -вход триггера 25 подключены к шине Пуск.

На фиг. 4 показаны временные диаграммы сигналов на шине Пуск и на пятом выходе блока 9 управления (У), а в режиме воспроизведения: яа четвертом, шестом, втором и третьем выходах блока 9 управления (U , U , Uj и 1)5 ), а также на разрядных выходах второго и четвертого счетчиков 22 и 24 блока 9 управления (1) ии ).

Устройство для анализа распределений случайных процессов работает следующим образом.

По сигналу с шины Пуск устройство переходит в режим накопления: происходит обнулени е счетчика 6 адреса и первого счетчика 21 блока 9 управления, а также установка триггера 25 в единичное состояние. С выход первого генератора 16 тактовых импульсов через первый элемент И 18 на управляющий вход аналого-цифрового преобразователя 1 подаются импульсы Ц с постоянным периодом следования Т, равным интервалу дискретизации реализации x(t) анализируемого случайного процесса.

В аналого-цифровом преобразователе 1 реализация xCt) дискретизируется и квантуется по уровню. Цифровой отсчет Х- с выхода аналого-цифрового преобразователя 1 через коммутатор 2 ,поступает на адресный вход блока 3 памяти. Содержимое ячейки блока 3 памяти с адресом Х| поступает в сумматор 4, где к нему добавляется единица, и затем результат суммирования через элемент И 5 проходит на информационный вход блока 3 памяти и по сигналу с второго выхода блока 9 управления, .поступающему на управляющий вход блока 3 памяти, запоминается по тому же адресу у. Так повторяется N раз,

где N - число цифровых отсчетов, по которым производится измерение плотности распределения вероятностей.

Затем устройство переходит в режим воспроизведения. Происходит это следующим образом. Импульсы U., , посту- паюш;ие на управляющий вход аналого- цифрового преобразователя 1, одновременно попадают на счетный вход первого счетчика 21 блока 9 управления.

Коэффициент пересчета этого счетчика равен N . Поэтому после поступления N-го импульса на управляющий вход аналого-цифрового преобразователя 1 с выхода первого счетчика 21 блока 9

управления на R-вxo триггера 25 поступает импульс, который устанав1пи- вает триггер 25 в нулевое состояние. В результате на прямом выходе триггера 25 устанавливается нулевой потенциал, по которому прекращается поступление импульсов с выхода первого элемента И 18 блока 9 управления на тактовый вход аналого-цифрового преобразователя 1, коммутатор 2 начинает

пропускать информацию на выход со

своего первого информационного входа, а выход элемента И 5 устанавливается в нулевое состояние. На первый вход второго элемента И 19 блока 9 управления с инверсного выхода триггера

25 поступает единичный потенциал, по которому на третий выход блока 9 управления с первого выхода четвертого счетчика 24 блока 9 управления через второй элемент И 19 начинают поступать импульсы Uj , период следования которых Т. равен периоду считывания информации из блока 3 памяти. Эти импульсы поступают на счетный вход счетчика 6 адреса. Коэффициент,

.пересчета счетчика 6 адреса равен N, где Ng- число ячеек блока 3 памяти (например, для 10-разрядного аналого- цифрового преобразователя 1 и,соответственно, для блока 9 памяти,имеющего 2 ячеек, счетчик 6 адреса имеет коэффициент пересчета NQ 1024, т.е.- счетчик 6 адреса - это 10-разрядный двоичный счетчик). С выхода счетчика 6 адреса через коммутатор 2 на..адресный вход блока 3 памяти подается код адреса, который меняется от О до () с периодом Т . В результате с выхода блока памяти периодически с

периодом t на информационный вход, цифрового фильтра 7 поступают цифровые отсчеты PJ. , каждый из которых равен числу попаданий цифровых отсчетов X j ( i 1,.. ., N ) в j -и интервал уровней ( j О,..., N, - 1). На выходе цифрового фильтра 7 формируется последовательность цифровых отсчетов

М- P.h

J-0

e-j

где {bf} - импульсная характеристика цифрового фильтра 7. Выражение для 1у Чможно переписать в другом виде:

Видно, что последовательность| ул является цифровым аналогом ядерных оценок плотности распределения вероятностей, причем роль весовой функции, определяющей такую оценку, играет импульсная характеристика 1;ифро вого фильтра 7. Цифровые отсчеты поочередно с периодом Т поступают в блок 8 регистрации, который служит для отображения измерений плотности распределения вероятностей. В качестве блока 8 регистрации можно использовать алфавитно-цифровое печатающее устройство, графопостроитель, дисплей и другие цифровые регистрирующие устройства. Импульсы и , поступающие на первый управляющий вход и имеющие период повторения Т, используются в блоке 8 регистрации для стробирова ния цифровых отсчетовР- , поступающих на информационный вход. Сигнал Uj , поступающий на второй управляющий вход, используется для запуска развертки в блоке 8 регистрации.

Цифровой фильтр 7 должен иметь импульсную характеристику, совпадающую с весовой функцией. В качестве импульсной характеристики целесообразно использовать прямоугольное весовое окно, весовые функции Бартлетта, Парзена, Колмогорова, биномиальные, а также функции, близкие к гауссовой кривой. Все указанные весовые функции реализует цифровой фильт 7 (фиг. 2).

Цифровой фильтр 7 эквивалентен соединенным каскадно и цировым филь рам, каждый из которых имеет прямоугольную импульсную характеристику, состоящую из К отсчетов. Поэтому

2264876

при п 1 импульсная характеристика h совпадает с прямоугольной весовой функцией, при h 2 - с весовой функцией Бартлетта, при п 4 - с весовой функцией Парзена; при произвольном п- с весовой функцией Колмогорова, при биномиальной весовой функцией степени q, ; при возрастании h импульсная характеристика{hj будет стремиться к гауссовой кривой. Цифровые отсчеты поступают на информационный вход

15

20

25

30

-35-

р

т-3

40

45

50

7 с периодом Т разбит на п равPJ

цифрового фильтра

Каждьнй интервал Т ных интервалов Т, каждый из которых, в свою очередь, разбит на 14 интервалов I , где I- - период следования импульсов на выходе второго генератора 17 тактовых импульсов. Работа цифрового фильтра 7 на каждом интервале Т эквивалентна работе цифрового фильтра, имеющего прямоугольную импульсную характеристику Ь у, сос- тоя щую из К отсчетов:

Гь

ц- 1;

е

е о,...,

о 5 ДЛЯ других Е .

Цифровой фильтр 7 работает следующим образом. Цифровой отсчет Pj поступает с выхода блока 3 памяти на информационный вход цифрового фильтра 7 в момент действия импульса U- , который переводит блок 3 памяти в режим считывания информации. Цифровой отсчет Pj попадает на первый информационный вход первого узла 10 коммутации, В это же время на его управляющий вход поступает импульс Uj , временное положение которого в режиме воспроизведения совпадает с временным положением импульса U . По импульсу Uj цифровой отсчет Pj проходит через узел 10 коммутации на информационный вход блока 11 памяти и запоминается в нем в ячейке с некоторым адресом А . Кроме того, цифровой отсчет Pj, поступает на первый информационный вход второго узла t2 коммутации. По импульсу Uj, цифровой отсчет PJ проходит через второй узел 12 на первьй вход узла 13 су1чмирования. Одновременно импульс 0 подается на второй вход элемента И 15 и устанавливает его в нулевое состояние. Поэтому отсчет PJ проходит через узел 13 суммирования без изменения и поступает на информаци71

онный вход регистра 14. По импульсу и цифровой отсчетР- запоминается в регистре 14. Затем до конца интервала времени Т (К - 1) раз повторяется следующее. Содержимое регистра 14 через элемент И 15 поступает на второй вход узла 13, а на первый его вход с выхода блока 11 памяти из ячеек с адресами А, А,, , ..., А через второй узел 12 коммутации поступают цифровые отсчеты Р; По импульсам U

минается информация с выхода узла 13 суммирования. В результате в конце интервала длительностью Т

р. Р

4- J-u .

В регистре 14 запов регистре 14 запоминается сумма К цифровых отсчетов Р; :

J

i J-K+1

Цифровой отсчет Sj через узел 10 коммутации поступает на информационный вход блока 11 памяти. По сигналу U. , устанавливающему блок 11 памяти в режим записи информации, цифровой отсчет Sj запоминается в ячейке с адресом А. Затем до конца интервала длительностью Т„ с отсчетом

S.

осуществляются те же операции, что и с цифровым отсчетом на предыдущем интервале Т .Разница заключается лишь в том, что теперь суммируются цифровые отсчеты Sj , , S.. J ,j, хранящиеся в ячейках блока 11 памяти с адресами А, .Л.

SK

i-j-K + 1

Цифровой отсчет d , представляющий собой результат фильтрации цифровых отсчетов PJ. в двух каскадно соединенных цифровых фильтрах с прямоугольными импульсными характеристиками, записывается в регистр 14.

Затем до конца интервала Т на каждом интервале Т производятся те же операции, что и на первых двух интервалах Т. В результате в конце интервала Т в регистре 14 оказьшает- ся записанным цифровой отсчет v , который представляет собой результат фильтрации цифровых отсчетов Р. в п каскадно соединенных цифровых фильтрах, каждый из которых имеет прямоугольную, импульсную характеристику, состоящую из К от счетов.

Покажем теперь, как вырабатываются адресные сигналы U для блока 11

26487S

памяти .цифрового фильтра 7, которые определяют порядок записи и считывания информации. Адресные сигналы UT формируются во втором и четвертом

5 счетчиках 22 и 24 блока 9 управления. Второй счетчик 22 имеет коэффициент пересчета Ч , а четвертый счетчик 24 имеет коэффициент пересчета h . Счетные импульсы U поступают на

10 вход четвертого счетчика 24 с выхо- да третьего счетчика 23, коэффициент пересчета которого равен К . Разрядные выходы и четвертого счетчика 24 после прихода очередного импульса

)5 и внутри интервала Т увеличивают свое состояние на единицу: с О до (| - .1). Тем самым на каждом интервале времени Т внутри интервала Т происходит обращение только к К ячей20 кам .блока 11 памяти, относящимся к одному из п каскадно соединенных условных цифровых фильтров. На вход второго счетчика 22 счетные импульсы поступают с выхода второго генерато25 ра 17 тактовых импульсов через третий элемент И 20. На второй вход третьего элемента И 20 с выхода переноса четвертого счетчика 24 в начале каждого интервала Т., поступает импульс (совпадающий по времени сUj ), которьй препятствует прохождению одно- ,го на интервал Т импульса с выхода второго генератора 17 тактовых импульсов на счетный вход второго счетчика 22. Поэтому сос тояние второго счетчика 22 в начале каждого нового интервала Т (и соответственно, в начале всех интервалов Т внутри этого нового интервала Т) будет совпадать с состоянием

второго счетчика 22 в конце предыдущего интервала Т (и соответственно, в конце всех интервалов Т внутри этого предыдущего интервала Т ). Иначе говоря, если на одном интервале Т цифровой отсчет р. запоминается в блоке 11 памяти в ячейке с адресом Д , цифровой отсчет запоминается в ячейке с адресом А , цифровой отсчет dy запоминается в ячейке с

50 адресом А„.. и т.д., то на следующем интервале Т цифровой отсчет р. запоминается в ячейке с адресом д , цифровые отсчеты Sj и dj., запоминаются в ячейках с адресами

55 соответственно и А и т.д. Следовательно, цифровые отсчетыPj-., , S. d-. оказываются помещенными в блоке 11 памяти на место отсче30

Sj-k.i dj-K+i (необходимости в которых для дальнейших расчетов больше нет.

Таким образом, в результате работы предлагаемого устройства формиру- г ется оценка Парзена-Розенблатта (ядерная оценка) для плотности распределения вероятностей анализируемого случайного процесса. Тип ядра (весовой функции) определяется импульсной ха- рактеристикой- ьЛ цифрового фильтра 7. В рассмотренном варианте цифрового фильтра 8 возможны реализации прямоугольной весовой функции, весовых функций Бартлетта, Парзена, Кол10

могорова и биномиальных весовых функций.

Формула изобретения

15

20

Устройство для анализа распределений случайных процессов, содержащее аналого-цифровой преобразователь, информационный вход которого является информационным входом устройства, а тактовый вход соединен с первым выходом блока управления, вход которого является входом пуска устройства, второй выход блока управления подключен к входу управления записью блока памяти, разрядные выходы которого подключены к разрядным входам комбинационного сумматора, о т л и ч а ю- щ е е с я тем, что, с целью повышения точности определения плотности распределения вероятностей, оно содержит коммутатор, блок регистрации, элемент И, счетчик адреса и цифровой фильтр, состоящий из блока памяти, элемента И, узла суммирования, регистра и первого и второго узлов коммутации, первьш информационный вход первого из которых соединен с выходом блока памяти устройства, а выход первого узла коммутации соединен с информационным входом блока памяти цифрового фильтра и первым информационным входом второго узла коммутации, второй информационный вход которого соединен с выходом блока памяти, а выход соединен с первым входом узла суммирования цифрового фильтра, второй вход узла су {мирова- ния соединен с выходом элемента И цифрового фильтра, а выход узла суммирования цифрового фильтра соединен с информахщонным входом регистра, выход которого подключен к второму информационному входу первого узла

25

1226487 О

коммутации, первому входу элемента И цифрового фильтра и соединен с информационным входом блока регистрации, при этом вход установки счетчика адреса объединен с входом блока управления, а выход счетчика адреса подключен к первому информационному входу коммутатора, второй информационный вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, а выход коммутатора соединен с адрес- ньм входом блока памяти, информационный вход которого соединен с выходом элемента И., первый вход которо-. го соегдинен с выходом комбинационного cy aтopa, при этом блок управления состоит из первого и второго генераторов тактовых импульсов, первого, второго, третьего и четвертого счетчиков, коммутатора, RS -тригге- ра и первого, второго и третьего элемеьгтов И, установочный вход первого сч€;тчика объединен с 5 -входом RS -триггера и является входом блока управления, а выход первого счетчика соединен с R -входом RS-триг- гера, прямой выход которого соединен с управляющим входом коммутатора, с первьш; входом первого элемента И блока управления и подключен к управляющему входу коммутатора устройства, второму входу элемента И и входу запуска развертки блока регистрации устройств:а, а инверсный выход RS - триггера блока управления соединен с лервым входом второго элемента И, выход которого подключен к первому информационному входу коммутатора блока управления, к счетному входу счетчика адреса, входу стробирова- ния блока регистрации и к управляющему входу первого узла коммутации цифрового фильтра, второй вход первого элемента И блока управления соединен с выходом первого генератора тактовых импульсов, а выход первого элемента И подключен к счетному входу первого счетчика, к второму информационному входу коммутатора блока управления и является первым выходом блока управления, а выход коммутатора блока управления является вторым выходом блока управления, выход второго генератора тактовых импульсов блока управления соединен с входом третьего счетчика, первым входом третьего элемента И и подключен к входу управления записью регистра цифрового фильтра, выход третьего счетчика

30

35

40

45

50

55

и12

блока управления соединен со счетным входом четвертого счетчика и подключен к управляющему входу второго узла коммутации, к второму входу элемента И цифрового фильтра и ко входу управления записью блока памяти цифрового фильтра, выход переноса четвертого счетчика блока управления соединен с

12

вторыми входами второго и третьего элементов И своего блока, выход третьего элемента И блока управления подключен к счетному входу второго счетчика, выходы которого и выходы четвертого счетчика блока управления подключены к адресному входу блока памяти цифрового фильтра.

HHipopMai uonHbiu Вмд

51

Изобретение касается средств вычислительной техники и может использоваться для статистического анализа случайных процессов, а именно для измерения ллотности распределения вероятностей. Цель изобретения - повышение точности определения плотности распределения вероятностей. Это достигается за счет введения в устройство коммутатора, блока регистрации, элемента И, счетчика адреса и цифрового фильтра с соответствующими функциональными связями между ними и известными блоками устройства. В результате работы устройства формируется оценка Парзена-Розенблатта (ядерная оценка) для плотности распределения вероятностей анализируемого случайного процесса. Тип ядра (весовой функции) определяется импульсной характеристикой цифрового фильтра. 4 ил. § kA

p

.JU™..

Л

Нанопмние

Воспроизде т Нахопленж ВоспроцзЬедЕнае И

.f«

w

.JU™..

Л,....

И

«

wrwwifiwfl

Редактор С. Лыжова

Составитель Э. Сечина

Техред Л.Олейник Корректор 0. Луговая

Заказ 2136/50 Тираж 671Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб.,-д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород ул. Проектная, 4