Адаптивный статический анализатор Советский патент 1987 года по МПК G06G7/52 

113

Изобретение относится к вгз1числи- тельной технике и может быть использовано в радиофизике, радиотехнике; в адаптивных системах и в других областях, имеющих связь со случайными процессами.

Цель изобретения - расширение динамического диапазона и повышение точности анализа.

На фиг.1 представлена структурная схема адаптивного статистического анализатора; на фиг.2 и 3 - схемы блока измерения математических ожиданий и блока вычитания дисперсий.

Адаптивный статистический анализатор содержит блок 1 генераторов вспомогательных нормальных случайных процессов, первую группу элементов 2,-2у вычитания, группу линейных двухполупериодных выпрямителей 3, -3,Kj группу интеграторов 4,-4ц вторую группу элементов 5, 5| вычитания j блок 6 задания опорного напряжения, решающий блок 7, группу счетчиков

8 -8|jj, группу элементов И 9,(-9м, груп ПУ перемножителей 10,-10|, фильтр 11 низкой частоты, сумматор 12, счетчик 13 нормирования результатов, блок 14 синхронизации, генератор 5 тактовых импульсов, элемент И 16, элемент 17 задержки, индикатор 8 плотности расп ределения, индикатор 19 функции распределения, первьш интегратор 20, перемножитель 21, второй интег ратор 22, индикатор 23 характеристической функции, генератор 24 экспоненциального напряжения, коммутирующий элемент 25, блок 26 измерения математических ожиданий, блок.27 вычисления дисперсий,

При этом блок 26 .измерения математических ожидан1да содержит узел 28 оценки максимального и минимального значений сигнала, состоящий из эмит- терного повторителя 29, двух пиковых детекторов 30, и 30, управляемых ин теграторов 31 и 32, управляемый делитель 33 напряжения, делитель 34 напряжения, узел 35 масщтабирования, группу из N компараторов 36, группу из N-1 элементов И 37, группу из N ключей 38, группу элементов 39 вычитания, группу стробируемых интеграторов 40, группу сумматоров 41 Блок 27 вычисления дисперсий содержит груп пу из N элементов 42 вычитания и группу из N узлов 43 масщтабирования

Устройство работает следующим образом.

Случайный сигнал с произвольным распределением поступает на вход устройства и в течение времени t, определяемого блоком 14 синхронизации, подключается коммутирующим элементом 25 к блоку 26 измерения математических ожиданий. Время t, определяющее время адаптацииS устанавливается по желанию исследователя путем изменения времязадающих цепей блока 14. Блок 26 измерения математических ожиданий работает по алгоритму

п п

t 1

(x(t) - Tii)dt

+ А rn . , при --- и x(t) га

Дт + --

де x(t) - исследуемый случайный процесс;т - значение математического

ожидания на п-м выходе блока: urn m - m,. ; m - оцб;нка математического ожидания, определяемого как

(х,

- m

.)

Гп LN 2Nj

,N,

где х„р„ и х,

N

соответственно максимальное и минимальное значение случайного процесса; число гауссовых компонент.

40

Сигнал с входа блока 26 поступает на первые входы компараторов , ключей 38,-38f и затем на узел 28, где определяются соответственно минимальное х..,„, и максимальное х

МИЦ I J -tix „ni iajioxiwc л

значения случайного процесса, по окончании времени t и поступлении сигнала синхронизации с выхода блока 14. Б 45 узле 35 и делителе 33 формируются соответственно значения тп и т - игл.

которые подаются соответственно на элементы 39,- 39, вычитания, суммато- ры 41,-41м и компараторы 36,-36.

ДТП Значение -„- формируется в делителе 34

при превьплении случайным сигналом порога i-ro компаратора, который в слу- чае отсутствия сигнала с инверсного выхода i+1-го компаратора, через элемент И 37; открывает ключ 38; и подключает вход элемента 39; вычитания к входу блока, одновременно этим ;ке

управляющим сигналом открывается стробируемый интегратор 40j, разрешая интегрирование, в отсутствие управляющего сигнала стробируемый интегратор 40 находится в режиме хранения .

В сумматоре 41; происходит сумми„

рование значении оценки i-m и среднего отклонения, получаемого на выходе интегратора. Выход сумматора яв- JO ляется выходом блока. Значения математических ожиданий подаются на входы блока 27 вычисления дисперсий, который работает по алгоритму

т;

С;

п

- m

С.

для

всех 2 g i 4 N-1

m,

- m,

G.

где G; - значение дисперсии i-й гауссовой компоненты. Такой алгоритм легко реализуется с помощью элементов вычитания 42,-42ц( и делителей на 3 43,-43 и на 6 43, 43,1 . Полученные значения математи

ческих ожиданий и дисперсий подаются в блок I генераторов вспомогательных нормальных случайных процессов и на фильтр 11.

По окончании времени t блок 14 обнулит счетчик ГЗ и подключит вход устройства через ключ 25 по входу блока 1, счетчика 13 и входам элементов 2,- 2(, где происходит вычисление разности между i-й составляющей гауссовой компоненты генератора нормальных случайных процессов, в линейных двухпо- Лупериодных выпрямителях происходит выпрямление сигнала ошибки и после интегрирования в соответствующи интеграторах , сигнгш подается на вычитающие входы элементов вычитания второй группы, необходимых для того, чтобы не производить поиск минимального значения, реализация которого затруднительна.

При вычитании из постоянного значения А, большего всех вычитаемых, максимальная разность будет при минимальном вычитаемом. Эту операцию производят элементы 5,-5, значение А формируется в блоке 6 задания опорного на

57304

пряжения. Результат вычитания подает- .. ся на соответствующие входы решающего блока, который выберет канал с максимальным уровнем сигнала. Таким образом, импульс появится на том выходе решающего блока, где сигнал

Uj

А /x(t) - x.(t)/dt

J

будет максимальным. Здесь U; - напряжение на i-M входе решающего блока 7, А - опорное напряжение, формируется в блоке 6 опорного напряжения, x(t) г реали-зация исследуемого случайного

процесса, х;(t) - реализация исследуемого процесса с вспомогательного i-ro генератора блока 1.

С наибольшей вероятностью наибольший сигнал будет накоплен в интеграторе того канала, реализация с генератора блока 1 которого соответствует или наиболее сходна реализации исследуемого сигнала. В результате такого анализа над I реализаций исследуемого сигнала счетчики 8, -8ц зарегистри

руют I

(

. количество реализаций исследуемого сигнала x(t), максимально сходных с реализациями блока 1.

Таким образом, предложенное устройство всю совокупность I реализаций исследуемого процесса разделяет на N подсовокупностей, законы распределения которых соответствуют по вероятности законам распределения соответствующих генераторов вспомогательного нормального случайного процесса.

Вероятности определяются следующим образом. Общее количество реализаций исследуемого процесса считается счетчиком 13 (его коэффициент пересчета устанавливается заранее).При переполнении счетчика 13с его выхода подается сигнал на другой вход

элемента И 16 и далее на вход элемента 17 задержки, при этом на другие входы элементов И 9, -9 поступает сигнал с выхода счетчика 13, ив перемножители 10,-10и списьтаются нормированные показания счетчиков 8,-8(, которые представляют собой вероятности

,

(где i подсовокупностей.

Условия индикации плотности и функции распределения требуют, чтобы они были функциями времени. Следовательно, для аппаратурного определения

51305730

плотности вероятности и функции расп- где SI - ределения должны быть представлень в виде функции времени. Поэтому плотности и функции распределения подсовокупности исследуемого процесса 5 представляются в виде функций времени, которые формируются фильтром 11, При переполнении счетчика 13 его входным сигналом запускается генератор 15, вырабатывающий единичные импульсы О 8 (t). Фильтр 11 при передаче на его вход единичных импульсов дает импульсные отклики Wj (t), где ,N, которые зависят от времени так же, как и плотности распределения разделенных - подсовокупностей от амплитуды сигнала . Импульсные отклики фильтра 1 1 перемножаются с вероятностями q; , т.е. выходными сигналами элементов

область интегрирования ; Ci}pl t),0p(v ) - плотность распределения

и характеристическая функ1 ия гауссовых ком понент смеси;

q - вероятности этих компо нент,

При поступлении запускающего импульса с выхода элемента 1 Т генератор 24 вырабатывает напряжение exp(ivt), которое в перемножителе 17

И перемножается с сигналом 7 (t)

сумматора 12. Выходной сигнал перемножителя 21 интегрируется в интеграторе 22 и подается на вход индикатора 23, который запускается элеменИ в перемножителях lOi-lOw. Выходные 20 том 17. После окончания цикла анализа счетчик 13 сбрасывается блоком 14 Решающий блок 7, фильтр, индикаторы плотности распределения, функции распределения, характеристической

сигналы перемножителей суммируются в сумматоре 12, сигналы с выхода которого подаются на вход индикатора 18 плотности распределения, и сигнал после интегрирования в интеграторе 10 подается на вход индикатора 19, на вторые входы индикаторов подаются сигнал1з запуска с выхода элемента 17. Таким образом, на всех индикаторах синтезируются соответствующие функции, состоящие из N подсовокупностей, описьшаемых смесями

Н .N

за счетчик 13 сбрасывается блоком 14, Решающий блок 7, фильтр, индикаторы плотности распределения, функции распределения, характеристической

25 функции, генератор экспоненциального напряжения вьтолнены как в известном устройстве.

Блок 14 представляет из себя таймер, вырабатывающий 2 сигнала: сигнал

30 на ключ и блок 26 измерения математических ожиданий и сигнал на обнуление счетчика 13 нормирования результатов .

W(t) 21 ),(t), , q ;

. 35 Формула изобретения

N jM F(t) ZTq, I C0,(t)dt q.t .Ct);

i-

q. 0, r:q,

Характеристическая функция в уст- . ройстве получается путем специальных функциональных преобразований случайного процесса, а именно exp(ivt), где i - мнимая величина, v - произвольный вещественный параметр, В дальнейщем усредняется по плотности распределение переменной t, т.е, среднее значение функционального преобразованного исследуемого случайного процесса является функцией

V) г 0(v) И Чп «„(t)exp(ivt)dt

Г1- J

N

,

Sn (v).

где SI -

область интегрирования ; Ci}pl t),0p(v ) - плотность распределения

и характеристическая функ1 ия гауссовых компонент смеси;

q - вероятности этих компонент,

При поступлении запускающего импульса с выхода элемента 1 Т генератор 24 вырабатывает напряжение exp(ivt), которое в перемножителе 17

И перемножается с сигналом 7 (t)

сумматора 12. Выходной сигнал перемножителя 21 интегрируется в интеграторе 22 и подается на вход индикатора 23, который запускается элементом 17. После окончания цикла анализа счетчик 13 сбрасывается блоком 14, Решающий блок 7, фильтр, индикаторы плотности распределения, функции распределения, характеристической

функции, генератор экспоненциального напряжения вьтолнены как в известном устройстве.

Блок 14 представляет из себя таймер, вырабатывающий 2 сигнала: сигнал

на ключ и блок 26 измерения математических ожиданий и сигнал на обнуление счетчика 13 нормирования результатов .

Адаптивный статистический анализатор, содержащий блок генераторов

вспомогательных нормальных случайных процессов, блок измерения математических ожиданий, группу интеграторов, счетчик нормирования, результатб в, блок синхронизации, элемент И, элемент задержки, генератор тактовых импульсов, блок интеграторов, решающий блок, выходы которого соединены соответственно с входами счётчиков группы, выходы которых соединены соответственно с первыми входами элементов И группы, вторые входы которых объединены с первым входом элемента И, входов запуска генератора тактовых импульсов, входом запуска блока синхронизации и подключены к выходу счетчика нормирования результатов, синхровход которого соединен с первым выходом блока синхронизации; при этом второй вход элемента И объединен с

71

тактовым входом фильтра низкой частоты и подключен к выходу генератора тактовых импульсов, выходы элементов И группы подключены к первым входам перемножителей группы, вторые входЕ) которых соединены соответственно с выходами фильтра низкой частоты, а выходы,перемножителей группы подключены соответственно к входам.сумматора, выход которого соединен с первым входом перемножителя, с информационным входом индикатора плотности не

посредственно, а с информационным входом индикатора функции распределения - через первый интегратор, второй вход перемножителя соединен с выходом генератора экспоненциального напряжения, а выход перемножителя

через второй интегратор подключен к информационному входу индикатора характеристической функции, входы запуска индикаторов объединены с входо генератора экспоненциального напряжения и подключены к выходу элемента задержки, вход которого подключен к выходу элемента И, при этом второй выход блока синхронизации подключен к yпi5aвляющeмy входу коммутирующего элемента и входу синхронизации блока измерения математических ожиданий, информационный вход которого соедине с первым информационным выходом коммутирующего элемента, информационный вход которого является входом анализатора, а второй информационный выход коммутирующего элемента соединен со счетным входом счетчика нормирования результатов и входом запуска блока генераторов вспомогательных нормальных случайных процессов, первая группа информационных входов которого объединена с информационными входами первой группы входов фильтра низкой частоты и подключена соответ- ственно к выходам блока измерения математических ожиданий, содержащего группу из N компараторов, группу из N ключей и узел оценки максимального и минимального значений сигнала, информационный вход которого объединен с первыми информационными входами N компараторов группы и является инфор- мад-ионным входом блока измерения математических ожиданий, а вход синхро- низации узла оценки максимального и минимального значений сигнала является управляющим входом блока измерений математических ожиданий, о т л и

O

ч а ю ш н и с я тем, что, с целью расширения динамического диапазона и повьшгения точности анализа, в него введены блок вычисления дисперсий, первая и вторая группы по N вычита- телей в каждой, группа из N линейных двухполупериодных выпрямителей и блок опорных напряжений, а в блок измерения математических ожиданий введены группа из N-1 элементов И, Группа из N элементов вычитания, группа из N стробнруемых интеграторов, группа из N сумматоров, делитель напряжения, управи тяемый делитель напряжения и

5 узел задания масштабных коэффициентов, выходы которого подключены соответственно к первым входам элементов вычитания группы и сумматоров группы, вторые входы сумматоров группы под0 ключены соответственно к выходам стро- бируемых интеграторов группыj информационные входы которых соединены соответственно с выходами элементов вычитания группь;, вторые входы которых

5 подключены соответственно к выходам ключ ей группы, управляющий вход N-ro ключа группы объединен с входом одно- стробируемого интегратора

Группы и подключен к прямому выходу i-ro компаратора группы, инверсный выход i-ro компаратора группы ( 2, ..., N-1).соединен с первым входом (i+i)-ro из элементов И группы, вторые входы которых подключены соответственно к прямым выходам одноименных N- компараторов группы, а выходы N-I элементов И группы подключены соответственно к управляющим входам N-1 ключей группы и входам синхронизации N- стробируемых интеграторов, каждая пара i-ro и (i+I)

го (где i

N-1) выходов

узла задания масштабных коэффициентов соединены соответственно с первым и вторым входами делителя напряжения, выход которого подключен к управляющему входу управляемого делителя напряжения, выходы которого соединены соответственно с вторыми входами компараторов группы, первые BXO;U I которых объединены с информационными входами ключей группы, при этом выходы узла оценки максимальног о и мнкямаль- ного значений сигнала подключены соответственно к объединенным первым информационным входам и объединенным вторым информационным входам и объединенным вторым информационным входам

913

соответственно управляемого деллтеля напряжения к узла задания масштабных коэффициентов, при этом второй информационный выход коммутирующего элемента анализатора соединен г. первыми входами вычитателей первой, группы, вторые входы которых соединены соответственно с выходами блока генераторов вспомогательных нормальных слу

чайных процессов,а выходы вычитателей 10 группы блока вьгаисления дисперсий со- первой группы через соответствующие единен с выходом (i + O-ro сумматора линейные двухполупериодные выпрямители группы подключены соответственно к информационным входам интеграторов

J5

группы,, выходы которых соединены соответственно с первыми входами вычитателей второй группы, выходы которых подключены соответственно к входам решающего блока, а вторые входы вычитателей второй группы объединены и подключены к выходу блока задания опорного напряжения, при этом блок вычисления дисперсии состоит из груп-20

группы блока измерений математических ожиданий, второй вход i-ro элемента, вычитания группы блока вычисления дисперсий соединен с выходом (i-l)-ro сумматора группы блока измерения математических ожиданий, а первый вход первого элемента вычитания и второй вход N-ro элемента вычитания группы блока измерения дисперсий соединены соответственно с выходами первого и N-ro сумматоров группы блока измерения математических ожиданий.

10

пы N элементов масштабирования и группы N элементов вычитания, выходы которых через соответствующие элементы масштабирования группы соединены соответственно с дополнительными группами входов блока генераторов вспомогательных нормальных случайных процессов и фильтра низкой частоты, первый вход i-ro элемента вычитания

группы блока вьгаисления дисперсий со- единен с выходом (i + O-ro сумматора

группы блока измерений математических ожиданий, второй вход i-ro элемента, вычитания группы блока вычисления дисперсий соединен с выходом (i-l)-ro сумматора группы блока измерения математических ожиданий, а первый вход первого элемента вычитания и второй вход N-ro элемента вычитания группы блока измерения дисперсий соединены соответственно с выходами первого и N-ro сумматоров группы блока измерения математических ожиданий.

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано при анализе случайных процессов. Цель изобретения - расширение динамического диапазона и повьшеиие точности анализа. Достижение дели осуществляется за счет использования нестандартного способа формирования сигнала сходства между исследуемым процессом и каждым вспомогательным гауссовским процессом. Нестандартный способ позволяет сжать динамический . диапазон изменения входных. сигналов решающего блока, а благодаря наличию режима определения оптимальньк значений математических ожиданий и дисперсий вспомогательных гауссовских процессов с учетом параметров исследуемого случайного процесса достигается точность анализа. За счет иной схемы выполнения блока измерения математических ожиданий известного анализатора и схемы введенного блока вычисления дисперсий, а также введенных первой и второй групп вычитателей и группы двухполупериодных вьшрямите- лей в схему анализатора достигается конструктивное решение, позволяющее решить поставленную задачу. 3 ил. с S (Л 00 о СП -sj 00

Фи1.2

Редактор В.Данко

Составитель Э.СечииаТехред Л.Сердюкова Корректор Е.Рошко

Заказ 1455/49Тираж 673 Подписное

БНИИПИ 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