Устройство для определения медианы случайного процесса Советский патент 1987 года по МПК G06F17/18 

1 1

Изобретение отмосится к специализированным вычР Слительнь м устройствам и может 1ганти применение при обработке случайных процессов для опре деления статистических характеристик в частности для определения медианы и математического ожидания случайных процессов.

Целью изобретения является цовыше ние точности оценки медианы.

На фиг.1 представлена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг.2 - блок формирования временных интервалов .

Устройство содержит блок 1 сравнения, триггер 2 Шмитта, шесть элементов И 3-8, триггер 9 знака, преобразователь 10 код - напряжение, первый и второй элементы ШШ 11 и 12, первый и второй элементы 13 и 14, первый и второй пороговые элементы 15 и 16, реверсивный счетчик 17, генератор 18 импульсов, RS-триггер 19, преобразователь 20 напряжение - код, блок 21 элементов И, дополнительный реверсивный счетчик 22, дополнитель- ный элемент Н 23, блок 24 формирования временных интервалов.

Блок 24 формирования временных, интервалов содержит первый формирователь 25 импульсов,, счетчик 26, первый и второй элементы И 27 и 28, дешифратор 29, второй формирователь 30 импульсов.

Выход блока 1 сравнения подключен к входу триггера 2 Шмитта, прямой и инверсный выходы которого соединены с первыми входами первого и второго элементов И 3 и 4 и с первыми входами четвертого и пятого элементов И 5 и 6, единичный выход триггера 9 знака подключен к первому входу преобразователя 10 Код - напряжение, первый и второй элементы ИЛИ 11-12, выход первого элемента ШШ 11 соединен с входом первого элемента НЕ 13, выход второго элемента НЕ 14 подключен к одному из входов второго элемента ИЛИ 12, другой вход которого соединен с выходом первого порогового элемента 15, выход второго порогового элемента 16 подключен к входу второго элемента НЕ 14, реверсивный счетчик 17j генератор 18, RS-триггер 19. выходы преобразова те- ля 20 напряжение - код соединены с входами блока 21 элементов И, выходы которого подключены к соотвётст52502

вующим старшим разрядам реверсивного счетчика 17, вход сложения дополнительного реверсивного счетчика 22

соединен с выходом дoпoJП итeльнoгo

элемента И 23, выход дополнительного реверсивного счетчика подключен к тактовому входу блока 24 формирования временных интервалов.

Q Элементы 15 и 16, элементы НЕ 14,

ИЛИ 12 и И 8, RS-триггер 19, преобразователь 20 напряжение - код и блок 21 элементов И определяют алгоритм работы устройства в начальный

ic; момент времени в зависимости от величины абсолютного значения входной случайной величины x(t). Элементы- 15 и 16 представляют собой двухпоро- говый элемент, принцип работы кото2Q рого определяется выражением

О, если и, -и,, и,.

1

если

и

х

. и„.

и - величина порога, которая выбирается равной напряжению одной ступени (шага квантования) преобразования преобразователей 10 и 20. Элементы 15 и 16 могут быть выполнены, например, по схеме, которая содержит последовательно соединенные схему определения модуля (абсолютного значения напряжения) и пороговое устройство (с порогом DO).

Устройство работает следующим образом.

Случайный сигнал x(t) подается на первый вход блока 1 сравнения, где происходит его сравнение с опорным

напряжением Чог, которое формируется преобразователем 10 код - напряже-г ние. Поскольку в начальный момент времени t напряжение на выходе преобразователя 10 код - напряжение равно нулю, то х(с) непосредственно подается на вход триггера 2 Шмитта„ Входной сигнал x(t) также подается на вход второго элемента 16 нечувствительности и на вход преобразователя 20 нагфяжение - код. Для определенности допустим, что х(Сд в начальный момент времени t, имеет по- ояштельное- (отрицательное) значение, тсЛ да на прямом (инверсном) выходе триггера 2 Шмитта появится логический

Tj4ll-j

сигнал 1 , который поступает на первый вход элемента И 3(4). Так как в начальный момент времени реверсивный счетчик 17 находится в нулевом со

стоянии, то на выходе пятого элемента И 7 имеется сигнал 1, который вместе с сигналом 1 с прямого (инверсного) выхода триггера 2 Шмитта обеспечивает появление на выходе элемента И 3(4) логической 1, которая установит триггер 9 знака в единичное (нулевое) состояние. В это же время сигнал 1 с выхода пятого элемента И 7 воздействует на R-вход RS-триггера 19, на прямом выходе которого появится О, а на инверсном выходе - 1. Логический сигнал О,

10

кает сигнал О. При этом состояние RS-триггера 19 не изменится, а, следовательно-, второй элемент ИЛИ 12 остается закрытым, а блок 21 элементов И - открытым. В преобразователе 20 напр яжение - код входной сигнал x(t) преобразуется в (га+1)-разряд- ный параллельный код. Абсолютное значение напряжения х(с„) т.е. x(to) , при этом определяется 2,3,...,(т+1) разрядами кода (1-й разряд определяет знак и в работе устройства не используется) . Логические сигналы с

формируемый на прямом выходе R&-тpиг- 15 2,3,...,(т+1)-разрядных выходов пре- гера 19, закрывает шестой элемент И образователя 20 напряжение - код

через открытый блок 21 элементов И воздействуют на счетные входы п+1, п+2, ..., n+m триггеров реверсивного 2Q счетчика 17, обеспечивая практически мгновенную установку в соответст- вующие коду состояния. Таким образом, в m старших разрядах реверсивного счетчика 17 появится цифра, которая 25 соответствует абсолютному значению входного сигнала х(Сд) в начальный момент. Эта цифра подается на входы преобразователя 10 код - напряжение,, на выходы которого вырабатывается опорное аналоговое напряжение U х(Со) соответствующей положительной (отрицательной) полярности, поскольку первый (знаковый) вход преобразователя 10 подключен к прямому выхо..8, блокируя подачу импульсов на счетный вход реверсивного счетчика 17 от счётчика 22 с управляемым коэффициентом деления. Реверсивный счетчик 17 будет сохранять начальное нулевое состояние. Логический сигнал 1 с инверсного выхода RS-триггера 19 поступает на входы управления блока 21 элементов И, открывая его.

Процесс установления (который делится с начального момента включения tg до момента времейи с,когда реверсивный счетчик 17 начнет заполняться импульсами) может происходить двояко: в зависимости от величины напряжения входного сигнала х(Сд; в момент времени t включения устройства. Заме- о

ТИМ, что время установления очень мало, в предлагаемом устройстве также, как и в прототипе процесс установления происходит практически мгновенно.

Рассмотрим первый случай, когда абсолютное значение напряжение входного сигнала x(to) оказывается меньше, чем напряжение U, т.е. |x(to)l и. На выходе второго элемента 16 появится О, а на выходе второго элемента НЕ 14 возникает сигнал 1, который через второй элемент ИЛИ 12 . воздействует на S-вход RS-триггера 19 и опрокидывает его. При этом на прямом выходе RS-триггера 19 появляется 1, которая открывает шестой элемент И 8, а на инверсном выходе КЗ-триггера 19 появляется О, который . закрывает блок элементов И 21.

В другом случае, когда абсолютное значение напряжения входного сигнала x(tg ) оказывается большим или равным и , т.е. ix(t(,)l, Uj, на выходе второго элемента 16 появится 1, а на выходе второго элемента НЕ 14 возни30

35

40

45

50

ду триггера 9 знака. Напряжение Ug,, также поступает на вход первого элемента 15, так как (U ) U , то на

Qfl О

выходе элемента 15 появится 1, которая через второй элемент ИЛИ 12 воздействует на 8-вход RS-триггера 19 и переводит его в противоположное состояние. При этом сигнал 1, появившийся на прямом выходе RS-триггера 19, открывает элемент И 8, а сигнал О, появившийся на инверсном выходе RS-триггера 19, закрывает блок 21 элементов И, тем самым ис- . ключает в дальнейшем его влияние на значение кода m старших разрядов ре-, версивного счетчика 17.

55

Напряжение U также подается на второй вход блока 1 сравнения, с выхода которого напряжение ux(t)x(t)- -Uo поступает на вход триггера 2 Шмитта. Предположим (для определенности) , что в последующий после t момент времени с напряжение &x(t) будет (также как и в начальный мо

кает сигнал О. При этом состояние RS-триггера 19 не изменится, а, следовательно-, второй элемент ИЛИ 12 остается закрытым, а блок 21 элементов И - открытым. В преобразователе 20 напр яжение - код входной сигнал x(t) преобразуется в (га+1)-разряд- ный параллельный код. Абсолютное значение напряжения х(с„) т.е. x(to) , при этом определяется 2,3,...,(т+1) разрядами кода (1-й разряд определяет знак и в работе устройства не используется) . Логические сигналы с

2Q 25

30

35

40

45

50

ду триггера 9 знака. Напряжение Ug,, также поступает на вход первого элемента 15, так как (U ) U , то на

Qfl О

выходе элемента 15 появится 1, которая через второй элемент ИЛИ 12 воздействует на 8-вход RS-триггера 19 и переводит его в противоположное состояние. При этом сигнал 1, появившийся на прямом выходе RS-триггера 19, открывает элемент И 8, а сигнал О, появившийся на инверсном выходе RS-триггера 19, закрывает блок 21 элементов И, тем самым ис- . ключает в дальнейшем его влияние на значение кода m старших разрядов ре- версивного счетчика 17.

55

Напряжение U также подается на второй вход блока 1 сравнения, с выхода которого напряжение ux(t)x(t)- -Uo поступает на вход триггера 2 Шмитта. Предположим (для определенности) , что в последующий после t момент времени с напряжение &x(t) будет (также как и в начальный момент) положительным (отрицательным). При этом триггер 2 Шмитта останется в прежнем состоянии. К этому времени (как отмечалось вьппе) триггер 9 знака находится в единичном (нулевом) состоянии и вместе с триггером 2 Шмитта, который находится в единичном (нулевом) состоянии образуют на выходе элемента И 5(6) сигнал 1, который через элемент ИЛИ 11 подается на вход сложения реверсивного счетчика 17, В реверсивном счетчике 17 устанавливается режим сложения. В начальный момент времени управляющие элементы счетчика-делителя 22 находятся в нулевом состоянии (до подачи логических сигналов на первый и второй управляющие входы), поэтому коэффициент деления счетчика 22 k 1. Последовательность импульсов с .частотой следования f,fд с выхода генератора 18 импульсов через счетчик 22.открывает шестой элемент И 8 и поступает на счетный вход реверсивного Счетчика 17. Первая же записанная в реверсивном счетчике 17 1. запирает элемент И 17 и снимает разрешение, с первого и второго элементов И 3 и 4, тем самым исключается в дальнейшем влияние на состояние триггера 9, который предназначен для хранекия знака входного процесса x(t).

Таким образом, Б начальный момент работы реверсивного счетчика 17 .он заполняется импульсами, следующими с максимальной частотой f f f. , что сокращает время поиска медианы. Содержимое реверсивного счетчика 17 будет возрастать и наступит момент , времени когда на счетчик 17 поступит 2 импульсов (п - число младших разрядов) и код (цифра) :п старших разрядов реверсивного счетчика 17 изменится на единицу, что приведет к изменению величины опорного напряжения U(, на величину одной ступени Ug. i Измененное напряжение U подается на вход блока 1 сравнения. Дальнейший процесс продолжается аналогично описанному. Время- заполнения г-етадших разрядов реверсивного счетчика 17 при этом равно

9

и

Г V

П ,с

--г

оп.мик

2

Рассмотрим случай, когда Т„„„ц

Г.

Как только ux(c.)x(t)-U

5

0

5

0

5

0

5

0

5

поменяет знак, в рассматриваемом случае станет отрицательным, триггер 2 Шмитта изменит противоположное свое состояние, что приведет к снятию разрешения с элемента И 5(6), с входа элемента ИЛИ 11 и с выхода первого элемента.НЕ 13 сигнал 1 подается на вход вычитания реверсивного счетчика 17 и переведет реверсивный счетчик 17 в режим вычитания. Начинается процесс вычитания, который длится до момента времени обну- Ленин п младших разрядных триггеров реверсивного счетчика 17 . После этого момента с поступлением очередного (вычитающего) импульса на счетный вход реверсивного счетчика 17 произойдет скачок и (ча выходе преобразователя 10) вниз на одну ступень U и на всех прямых первых п-разрядных выходах появятся единицы, которые поступают на 2,3(п+1) входы первого дополнительного элемента И 23.

Если при этом |дх(сЯ 0, то на выходе первого элемента НЕ 13 будет 1, поступит на первый вход первого дополнительного элемента И 23, а на его выходе появится 1. Логический сигнал 1 с выхода первого дополнительного элемента И 23 поступает на вход счетчика 22 с управляемьм коэффициентом деления. Это приведет к увеличению коэффициента деления в J раз (например, в раза). Коэффициент деления частоты станет равным , при этом частота следования импульсов заполнения реверсивного счетчика 17 уменьшится и станет равной , :2, a время достижения переполнения реверсивного счетчика t,, 2 - 2 г

f, i увеличится в раза, В дальнейшем

с каждым скачком U вниз на одну ступень при выполнении условия |ux(t)| О на п+1 входах первого дополнительного элемента И 23 -будут появляться 1, что будет приводить к увеличению коэффициента деления счетчика 22 в 1, 1-, I , ,, у раза, т.е. частота следования импульсов, згполняющих реверсивный счетчик 17, будет уменьшаться в соответствующее число раз. Процесс автоматической адаптации частоты будет завершен, если будет достигнута необходимая инерционность. При этом значение усчастоты определяется вы

ЦOP

После завершения процесса адаптации j (в установившемся режиме) установится следующее значение коэффициента де-

ления:

Ч

-КИР f I2

При выполнении последнего условия алгебраическая сумма количества импульсов L , поступающих на реверсивный счетчик 17 в режиме сложения и вычитания, будет колебаться в диапа- зоне 0 , что помещается в п младших разрядах счетчика 17. Содержание та старших разрядов не будет изменяться и является искомой оценкой значения медианного уровня входного процесса х(с).

Максимально возможное значение коэффициента деления счетчика 22 с управляемым коэффициентом деления и значение частоты следования импульсо f - определяют максимальное значение интервала корреляции входного случайного процесса, для которого выполняется условие

КОР.МЧКС

«

2

л иакс

Неравенство будет достаточным, если .превьппение будет в (5,..., 10) раз

я

2 -k.

-кор. макс (5,...,10)f

Таким образом, последнее выражение определяет верхнее значение диапазона возможных величин интервалов корреляции процессов, анализируемых предлагаемым устройством.

Если в процессе измерений происходит медленное изменение интервала корреляции анализируемого случайного процесса в сторону уменьшения (т.е. процесс становится более быстрым), то в предлагаемом устройстве предусмотрено автоматическое увеличение частоты следования импульсов, которыми заполняется реверсивный счетчик 17. Увеличение частоты достигается уменьшением коэффициента деления ид счетчика 22 с управляемым

0

5 0 5

о

коэффициентом деления. Сигнал, обеспечивающий автоматическое уменьшение коэффициента деления счетчика 22, формируется в блоке 24 формирования временных интервалов. Этот блок анализирует количество импульсов, которое размещается в интервалах времени пребывания анализируемого процесса выше и ниже U . Если появляется интервал (выброс положительный или отрицательный относительно U) , длительность которого меньше или равна

M-Ti, (где М - заданное число), то для повышения точности измерений

блок 24 вырабатывает логический сигнал 1. Это сигнал поступает на второй управляющий вход счетчика 22 с управляемым коэффициентом деления, вызывая уменьшение коэффициента деления I раз (например, ), При этом частота следования импульсов на выходе счетчика 22 увеличивается в раза. В дальнейшем если будут продолжать появляться интервалы времени, длительность которых меньше или равна М-Т, то блок 24 будет вырабатывать логические сигналы 1 до тех пор, пока не будет вьтолнено условие

L; : Т .

КОР U

f :L,

А т

35

При этом на интервалах времени выбросов будет размещаться более М импульсов, т.е.

Т

-коР

М

Неравенство будет достаточньм, если ,...,10, тогда

Т..

5,...,10

45

или

fr. 5,...,10

л

KOP

50 Необходимое значение коэффициента деления определяется выражением

U А- 5,...,10

Поскольку минимальное значение коэффициента деления (при этом f f j. f ) , TO минимальное значение интервала корреляции входного случайного процесса, определяется выражением

5,...,10

Блок 24 заданных временных интервалов работает следующим образом. В начальный момент времени (как отмечалось выше) реверсивный счетчик 17 находится в нулевом состоянии, следовательно, на выходе пятого элемента И 7 формируется 1, которая воздействует на второй вход блока 24 или на вход второго формирователя 30, которая на р-выходах (2 / М) в течение короткого времени (равного длительности входного импульса) формирует комбинацию в параллельном двоичном коде, соответствующую цифре М.В р-разрядах счетчика 26 появит- 4 ся цифра М, которая в параллельном коде подается на дешифратор 29. Де--, шифратор 29 представляет собой р-вхо- дную схему И-НЕ, прямые и инверсные входы которой соединены с разрядными выходами счетчика 26 так, чтобы при поступлении параллельного кода, соответствующего числу М, на выходе формировался О. Если на вход дешифратора 29 поступает любой другой код (отличный от М), то на выходе дешифратора 29 формируется 1. Следовательно, в соответствии с алгоритмом работы дешифратора 29 в начальный момент времени на его выходе появится сигнал О, который закрывает элементы И 27 -а 2В, Таким образом, формирователь 30 обеспечивает первоначальную запись заданного кода М в счетчик 26, т.е. осуществляет подготовку блока 24 к работе. На вход формирователя 25 импульсов поступает последовательность импульсов с выхода первого элемента НЕ 13. Формиро- ватель 25 импульсов осуществляет формирование коротких импульсов в моменты времени, соответствующие моментам времени изменения полярности напряжения л x(t)x(t)-U или в моменты времени фронтов импульсного напряжения на выходе первого элемента НЕ 13.Форми- ,рователь 25 импульсов может быть выполнен в виде вьщелителей переднего и заднего фронтов (с помощью дифференциальных элементов), выходы которых объединяются элементом ИЛИ. Короткие импульсы с выхода формирователя 25

5250210

импульсов поступают на второй вход третьего элемента И 28 и на р-вход установки счетчика 26 в нулевое состояние. Так как в момент поступления первого короткого импульса на выходе дешифратора 29 - О, то этот импульс на выход блока 24 не пройдет (элемент И 28 закрыт). Импульс, ступающий на R-вход установки счетчика 26 в нулевое состояние, обеспечивает установку всех разрядов счетчика 26 в нулевое состояние. На выходе дешифратора 29 появится 1, торая откроет по первому входу второй дополнительный элемент И 27 (заметим, что этот сигнал 1 появится несколько позже, чем импульс с выхода формирователя 25 импульсов, кото- рый не пройдет элемент И 28). На счетный вход счетчика 26 (С- вход) поступают импульсы с выхода делителя 22 частоты через элемент ,И 27. Содержимое счетчика 26 будет

25 увеличиваться. Если в течение времени после появления очередного импульса на выходе формирователя 25 импульсов до появления следующего очередного импульса на счетный вход счетчи,,Q ка 26 поступит М импульсов, то в разрядах счетчика 26 установится код, соответствующий числу М. На выходе дешифратора 29 появится О, который закроет элементы И 27 и 28. Короткий импульс, формируемый формирователем 25 импульсов, не пройдет на элемент

И 28 и на выходе блока 24 логический

1

сигнал 1 не появится. Это состояние (когда в счетчике 26 записан код 0 М, на выходе дешифратора 29 - О, элементы И 27 и 28 закрыты) сохранится до появления очередного импульса

на R-входе счетчика 26, который переводит счетчик 26 в нулевое состоя5 ние и т.д. Если же длительность между двумя соседними импульсами, формируемыми формирователем 25 импульсов, .оказывается меньшей, чем заданная, т.е. если , то к моменту при0 хода на второй вход третьего дополнительного элемента И 28 короткого импульса на первом его входе (на выходе дешифратора 29) будет сохраняться сигнал 1. Следовательно, на выS ходе блока 24 появится 1, т.е. будет зафиксирован факт появления временного интервала, длительность которого меньше заданной M Tu..

Таким образом, если на вход предлагаемого устройства подать случайный процесс, интервал корреляции которого принимает произвольное

в пределах

ПОР

значение и находится 5,...,10

2. k

,

КОР

(577. .,10)р

то автоматически устанавливается такое значение коэффициента деления k делителя 22 частоты с управляемым коэффициентом деления (сигналы управления формируются в блоках 23 и 24), чтобы выполнялось следующее условие:

(5,..., 10)t K,p,

2

ST,5,...,10

или

5,...,10

f

- Л,

(5,. . .,10Kop

Численные значения параметров схемы предлагаемого устройства определяются заданным диапазоном величин, которые может принимать интервал корреляции входного процесса

f ,ор.ик,н. .ма.пи-. ) Частота следования импульсов генератора 18 импульсов определяется формулой

fr.

5,..., 10

Затем определяют требуемое количество младших разрядов п. Для I КОР мин коэффициент деления минимален, .т.е. . Представленную формулу можно записать в таком виде

2 :5,(5,..,,lO)f LKOPмии «

Можно определить значение коэффициента деления (. )

(5io)f, l:

KOPHIQKS

Л,маис

2

Формула изобретения

1, Устройство для определения медианы случайного процесса по авт.

0

5

св. № 1249540, отличающееся тем, что, с целью повышения точности оценки медианы, устройство содержит дополнительньм элемент И, дополнительный реверсивный счетчик и блок формирования временных интервалов, при этом первый вход дополнительного элемента И объединен с входом установки в О блока формирования временных интервалов и подключен к выходу первого элемента НЕ, выход дополнительного элемента И соединен с входом сложения дополнительного реверсивного счетчика, вход вычитания которого подключен к выходу блока формирования временных интервалов, тактовый вход которого объединен с вторым входом шестого элемента И и соединен с выходом дополнительного реверсивного счетчика, информационный вход блока формирования временных интервалов подключен к выходу пятого элемента И.

25

2. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что блок формирования временных интервалов содержит два формирователя импульсов, счетчик

30 импульсов, дешифратор, первьш и второй элементы И, причем выход первого элемента И подключен к счетному входу счетчика импульсов, вход установк в -О которого объединен с первым

35 входом второго элемента И и соединен

с выходом первого формирователя им- пульсов, вход которого является входом установки в О блока, второй вход второго элемента И объединен с

40 первым входом первого элемента И и подключен к выходу дешифратора, входы которого соединены с выходами соответствующих старших разрядов счетчик импульсов, информационные входы р-стар 45 ших разрядов котсэрого подключены к соответствующим выходам второго формирователя импульсов, вход которого является информационным блока второй вход первого- элемента И явля50 ется тактовым входом блока, выход второго элемента И является выходом блока.

Изобретение относится к специализированным вычислительным устройствам и может найти применение при обработке случайных процессов для определения статистических характеристик,, в частности для определения медианы и математического ожидания . случайных процессов. Цель изобретения - повьпление точности оценки медианы. Цель достигается введением в устройство, элемента И, дополнительного реверсивного счетчика и блока- формирования временных интервалов. Благодаря этому обеспечивается возможность подачи на вход реверсивного счетчика импульсной последовательности, частота которой автоматически изменяется с помощью дополнительного реверсивного счетчика, при этом обеспечивается возможность адаптации по частоте заполнения импульсов при изменении интервала корреляции анализируемого процесса. 1 з.п.ф-лы, 2 ил. ш (Л