Устройство для определения характеристик случайных процессов Советский патент 1988 года по МПК G06F17/18 

Изобретение относится к специализированным средствам вычислительной техники и может найти применение при определении статистических характеристик случайных величин, а именно для определения квантилей при произ - вольном неизвестном распределении случайных; величин.

Целью изобретения является повы- шение быстродействия и расширение функциональных возможностей за счет обеспечения возможности анализа не- ставдонарного случайного процесса.

На фиг о 1 представлена блок-схема устройства; на фиг. 2 - структурная схема блока формирования порядковой статистики.

Устройство содержит т-сдвиговьй 1 регистр, вход 2 которого является

информационным входом устройства, группу блоков 3 формирования порядковых статистик, первые и вторые информационные входы которых соединены соответственно с выходами первых

и (N+1)-x разрядов тп-сдвигового регистра 1 и с первым и вторым входами блока 4 сравнения кодов, шинных формирователей 5, входы которых соединены с информационными выхода- ми блоков 3 ГРУППЫ; а выходы являются первой группой информационных выходов 6 устройства, группу блоков 7 интерполяции, выходы которых являются второй группой информационных вы ходов 8 устройства, блок 9 генератора синхроимпульсов, первый выход которого соединен с управляющим входом тп-сдвигового регистра 1. Информационный выход первого блока 3 соединен с третьим информационным входом вто- рого блока 3 формирования порядковой статистики, информационный выход i-r блока 3 (1 2, N-1) соединен с третьим информационным входом (i+D-ro Олока 3 и с четвертым информационным входом (г-1)-го блока 3, информацион ньй выход последнего N-ro блока 3 соединен с четвертым информационным входом (N-1)-ro блока 3„ Первые управляющие входы блоков формирования порядковых статистик группы соединены с выходом блока 4 сравнения кодов вторые управляюаще входы блоков 3 соединены с .третьим управляющим вхо дом первого блока 3 и подключены к второму выходу блока 9 генератора синхроимпульсов. Выход неравнозначности первого блока 3 соединен с

Q

s

0

5

0 c 0 5

0

5

третьим тактовым входом второго блока 3, выход неравнозначности i-ro блока 3 (i 2, N-1) соединен с четвертым тактовым входом (i-l)-ro блока 3 и с третьим тактовым входом (i+1)-ro блока 3, выход неравнозначности N-ro блока 3 соединен с четвертым тактовым входом (N-l)-ro блока 3, четвертый тактовый вход N-ro блока 3 соединен с объединенными тактовыми входами блоков 5 и подключен к третьему выходу блока 9 генератора синхроимпульсов ,

Блок 3 формирования порядковой статистики содержит первьй 10 и вто рой 11 цифровые компараторы, первые входы которых являются соответственно первым и вторым информационными входами блока, а вторые входы объединены и соединены с выходом регистра 12, являющимся информационным выходом блока, первый 13, второй 14 и третий 15 злементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ. ИЛИ, первые входы которьк соединены с выходом неравнозначности первого цифрового компаратора 10, являющимся тактовым выходом блока, первый 16 и второй 17 элементы И, первые входы которых являются соответственно первым и вторым тактовыми входами блока, первый 18 и второй 19 элементы ИЛИ. Второй вход первого элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 13 соединен с выходом Неравнозначность второго 11 цифрового компаратора 11, а его выход соединен с первым входом первого элемента ИЛИ 18. Выход Равнозначность второго 1 1 цифрового компаратора 11 соединен с BTopbiM входом первого элемента И 16, выход которого соединен с вторым входом первого элемента ИЛИ. Выход первого элемента ИЛИ 18 соединен с вторым входом второго элемента И 17, выход которого соединен с входом записи регистра 12. Выходы второго t4 и третьего 15 элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ соединены соответственно с первым и вторым входами второго элемента ШИ 19, а их вторые входы являются соответственно третьим и четвертым тактовыми входами блока Первый разряд адресного входа коммутатора 20 кодов соединён с первым входом первого элемента И 16, а его второй разряд соединен с выходом второго элемента ИЛИ 19.

Устройство реализует следукдий алгоритм определения квантилей.

в m-сдвиговом регистре объемом N+1 разряд записаны N разрядных отсчетов измерений случайного процесса X; в порядке поступления их на вход 2 устройства, т.ео число, записанное в N-x разрядах т-сдвиго- вого регистра 1 () соответствует отсчету (измерению) случайного процесса в начале интервала анализа (самое старое измерение), а число, Записанное в первых разрядах т-сдвигового регистра 1, соответствует измерению в конце интервала анализа (последнее текущее измерение). Количество разрядов N регистра 1 определяет величину интервала анализа, или размер выборки исследуемого случайного процесса.

В регистрах 12 блоков 3 записаны коды порядковых статистик X; чисел, хранявш ся в т-сдвиговом регистре 1, (Здесь и далее отсчеты выборки случайного процесса обозначаются Х-, где i - номер разряда т-сдвигового регистра 1, а члены ранжированного ряда значений Х-- порядковые статистики Xj, где i - номер члена ранжированного ряда).

Известно, что порядковые статистики обладают таким свойством, что номер члена порядковой статистики позволяет заранее, не зная конкретного значения этого члена и вида функции распределения случайной величины F(x,, достаточно точно оценить соответствующую ему величину F(X.) р. по выражению

F(xl) Р. i/N+1. 1 1

Таким образом, номера блоков 3 и величины кодов в регистрах 12 этих блоков обеспечивают всей необходимой информацией для формирования квантилей.

Заранее определив номера блоков 3 регистрируя величины кодов в регистрах 12 этих блоков, получаем значения величины квантиля PJ как содерзки мое регистра 12 (i+1)-ro блока 3, Если искомый квантиль не определяется как точное значение регистра 12 блока 3, то более точное значение можно найти путем интерполяции значений двух ближайших соседних квантилей большего и меньшего заданного

Если на вход устройства поступает очередной отсчет случайного про-

, -,

i

444823

цесса, то это соответствует тому, что интервал анализа сместился на один отсчет вправо и имеет место . новая выборка случайного процесса, отличающаяся от старой заменой значения Хы на новое значение X

20

25

30

35

40

45

50

55

U « « ilS.LJVJ о л К 1 %L 111 J I

в предлагаемом устройстве старое значение Х(у переходит в (Ы+1)-й раз10 ряд т-сдвигового регистра 1, т.е. старое X|j Х, исключается из анализа и вносится новое Х.

Для получения ранжированного ряда этой новой выборки необходимо номера

15 порядковых статистик старой выборки, значения которых лежат в интервале LX,, X f44.(l, увеличить на единицу при Х„, X, или уменьшить на единицу

при X, Хм,., . а на освобопиптр.ргя место ранжированного ряда занести

значение Х. Остальные члены ранжированного ряда остаются на своих местах.

В предлагаемом устройстве изменение номеров порядковых статистик мо- дифшдируемой части ранжированного ряда производится путем одновременной перезаписи значений порядковых статистик, записанных в регистрах 12 блоков, в соседние блоки 3, т.е. осупдествляя сдвиг значений порядковых статистик влево или вправо. Определив освободившиеся места в ранжированном ряде, в него записывается значение Х о Используя логику связей элементов блоков 3, эти операции в устройстве происходят за один такт.

С приходом нового отсчета описанные операции повторяются, обеспечивая таким образом непрерывное измерение характеристик случайного процесса на скользящем интервале измерений.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии в т-сдвиговом регистре 1 записаны коды произвольно выбранных N га-разрядных чисел, а в регистрах 12 блоков 3 - порядковые статистики этих чисел, в част- ности, это могут быть нули Перед началом работы содержимое tn-сдвиго- вого регистра Т и регистров 12 блоков 13 обнуляется (на фиг. 1 и 2 цепи обнуления не показаны).

Устройство работает в три такта.

Во время первого такта синхроимпульс с первого выхода блока 3 генератора синхроимпульсов поступает на управляющий вход т-сдвигового регистpa 1 о Все отсчеты сдвигаются на одну позицию вправо Старое значение Х| окажется в (N+1)-x разрядах, а в первые разряды запишется первьй отсчет случайного процесса.

После первого такта работы устройства на первые и вторые информа- ционные входы блоков 3, являющиеся первыми входами первого 10 и второго 11 цифровых компараторов,/поступают коды чисел X, и Хц., . Коды этих же чисел поступают также на блок 4 сравнения кодов, на выходе которого формируется логическая единица при

л U4.I X.

., ; Л| и нулевой уровень при X , о

В блоках 3 величины X, и X,

поЧ Н-.(

ступаняцие на первые входы цифровых компараторов 10 и 11, сравниваются с величинами порядковых статистик, хранящихся в регистрах 12 этих бло- ковс ЕСЛИ их значения удовлетворяют условию X, Х- , Х, или Xfj,:x . , то на выходах Неравнозначность цифровых компараторов 10 и 11 формируются противоположные логические уровни и, следовательно, на выходах первого элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 13 такого блока 3 появляется ло- , гическая единица. Для остальных бло- i ков 3 на выходе этого элемента будет нуль о

Во время второго такта с второго выхода блока 9 генератора синхроимпульсов поступает синхроимпульс на вторые тактовые входы блоков 3. При этом для всех блоков 3, у которых на выходе первого элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЖ 13 установлена единица, с выхода второго элемента И 17 поступает логическая единица, разрешающая запись информациис выхода коммутатора 20 кодов в регистр 12, Для случая Xj это же разрешение запи- 6и в регистр 12 появляется также в блоке 3, для которого значения X, и X ц, совпадают, так как в этом блоке 3 на выходе Равнозначность второго цифрового компаратора 11 (второй вход второго элемента И 17) и в Цепи первого разряда адресного входа коммутатора 20 кодов (первый вход второго элемента И 17) будут единицы.

Вид цепи, подключаемой коммутатором 20 кодов к информационному входу записи регистра 12 блока 3, определяется значением кода на его адрес

, i

ном входе Входные цепи к коммутатору 20 кодов подключены таким образом, что при адресном коде 00 он

g соединяет с информационным входом записи регистра 12 i-ro блока 3 ин- формационньй выход (i+1)-ro блока 3 ( ) Адресньй код 01 вызьшает подключение к информационному входу

10 записи регистра 12 i-ro блока 3 ин- формационньй выход (i-l)-ro блока 3 (Х|, ), а при кодах 10 и 11 подключаются первые разряды т-сдвигово- го регистра 1„

15 Значение первого разряда адресного кода формируется блоком 4 сравнения кодов и определяется знаком разности величин.

При Xfvji.(X, на блока 4

20 сравнения кодов устанавливается единица, в противном случае нулЬо Значение кода второго разряда определяется уровнем выхода второго элемента ИЛИ 19, являющегося логической сум2 мой уровней выхода второго и третьего элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 14 и 15. Наличие едини1у 1 на выходе вто - рого элемента ИЛИ 19 в одном из блоков 3 свидетельствует о том, что он

30 первьй, -в котором изменился знак

разности Х - Х| (выход первого цифрового компаратора 10), Всего может быть два блока 3, в которых это наблюдается, так как фиксируется смена

35 знака при просмотре ряда значений слева направо и справа налево, но учитьгоая, что разрешающий упровень записи на управляющих входах регистров 12 блоков 3 появляется при вьшол40 нении условий описанных , код Х запишется в регистр 12 только одного блока 3, После перезаписи в регистры 12 блоков 3 новых значений кодов заканчивается второй такт работы уст

45 ройства. Ранжированный ряд новой вы- рорки сформирован.

Присоединение третьего тактового входа первого блока 3 к второму, а

четвертого тактового входа N-ro блока 3 к третьему выходам блока 9 генератора синхроимпульсов обеспечивает во время второго такта работы устройства наличие на них соответственно единицы и нуля, что позволяет правильно заносить новое значение Х в ранжированньй ряд, если новое значение Xf является наименьшим или наибольшим для новой выборки.

При поступлении синхроимпульса с третьего выхода блока 9 генератора синхроимпульсов на тактовые входы блоков 5 на выходах этих блоков формируются порядковые статистики выборки исследуемого случайного процесса, Искомые значения квантилей считьшают- ся либо непосредственно с выходов 6 с известными номерами, либо после интерполирования блоками 7 с выходов 8 о

С поступлением на вход 2 т-сдвиго- вого регистра 1 нового отсчета случайного процесса, синхронизированного с работой блока 9 генератора синхрои тульсов, цикл формирования порядковых статистик для новой совокупности значений отсчетов, описанвход которого подключен -к первому выходу генератора синхроимпульсов, группу шинных формирователей, выходы которых являются первой группой информационных выходов устройства, группу блоков интерполяции, первый и второй информационные входы каждого i-ro блока интерполяции (, 0 N-1) со(единены соответственно с выходами i-ro и (i+1)-ro шинных формирователей, выходы блоков интерполяции являются соответственно второй группой информационных выходов устрой15 ства, информационный вход сдвигового

регистра является информационным входом устройства, блок сравнения кодов, отличающееся тем, что, с целью повьшения быстродействия и ньм вьшае, повторяется. После поступ- 20 расширения функциональных возможнос- ления N отсчетов в блоках 3 форми-тей за счет обеспечения возможности

руются порядковые статистики, состав- анализа нестационарных случайных ленные только из отсчетов измеряемого случайного процесса. На выходе устройства находятся квантили случайного процесса для интервала от 1

процессов, в него введена группа блоков формирования порядковых статис- 25 тик, первые и вторые информационные входы которых соединены с выходами

448238

вход которого подключен -к первому выходу генератора синхроимпульсов, группу шинных формирователей, выходы которых являются первой группой информационных выходов устройства, группу блоков интерполяции, первый и второй информационные входы каждого i-ro блока интерполяции (, 0 N-1) со(единены соответственно с выходами i-ro и (i+1)-ro шинных формирователей, выходы блоков интерполяции являются соответственно второй группой информационных выходов устрой15 ства, информационный вход сдвигового

анализа нестационарных случайных

процессов, в него введена группа блоков формирования порядковых статис- 25 тик, первые и вторые информационные входы которых соединены с выходами

Изобретение относится к специализированным средствам вычислительной техники и предназначено для определения квантилей случайных процессов (СП)о Цель изобретения - повышение быстродействия и расширение функциональных возможностей за счет обеспечения возможности анализа нестационарных случайных процессов. Устройство содержит т-сдвиговый регистр объемом N+1 разряд, группу блоков формирования порядковых статистик, группу блоков шинных формирователей, группу блоков интерполяции, блок сравнения кодов, синхрогенераторо Блок формирования порядковой статистики содержит регистр, два компаратора, коммутатор кодов, два элемента И, три элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, два элемента ИЛИ„ . В т-сдвиговый регистр заносится N га-разрядных отсчетов измерений СП в порядке их поступления на вход устройства, а в регистрах находятся значения порядковых статистик этой совокупности измерений. Величины кодов, записанных в регистры, поступающие на выходы устройства с известными номерами, являются квантилями СП. На других выходах устройства находятся квантили, значении которых не определяются как точные значения порядковых статистик, а вычисляются путем интерполяции. При поступлении очередного отсчета СП (Х) устройством за три такта работы синхрогенератора определяются значения квантилей дпя нового интервала анализа При этом наиболее раннее измерение (Х) исключается из анализа. 1 з.п. ф-лы, 2 ил. § (Л (ib 4 4 ОС 1C 00

до N отсчетов. После поступления ()-ro отсчета на выходе устройства находятся квантили для интервала от 2 до N+1 отсчетов, т,е, устройство измеряет квантили, двигаясь по реалнзагщи случайного процесса скользящим окном,

Дпя определения квантилей случайного процесса при поступлении очередного отсчета устройству необходимо проделать три операции на интервале в N отсчетов, в то время как для построения квантилей прототипу необходимо в среднем +N операций, т,е, предлагаемое устройство обладает значительно большим быстродействием. Равное число операций при обработке поступления очередного отсчета позволяет легко реализовать режим измерения в реальном масштабе времени, Непрерьшное измерение характеристик случайного процесса скользящим окном дает возможность измерения характеристик нестационарных процессов, что существенно расширяет функциональные возможности устройства по сравнению с прототипом.

Формула и

зобретения 55 всех блоков формирования порядковых статистик и третий тактовый вход первого блока формирования порядковой статистики объединены и подключены к второму выходу генератора

1„ Устройство для определения характеристик случайных процессов, содержащее сдвиговьй регистр, тактовый

первого и (N+1)-ro разрядов сдвигового регистра, подключенными соответственно к первому и второму входам блока сравнения кодов, информационные выходы блоков формирования порядковых статистик группы соединены соответственно с входами шинных формирователей, информационный вы-

ход первого блока формирования порядковой статистики соединены с третьим информационным входом второго блока формирования порядковой статистики, информационный выход i-ro

блока формирования порядковой статистики (i 2, N-1) соединен с четвер- тътм информационным входом (i-l)-ro блока формирования порядковой статистики и третьим информационным входом

(i+O-ro блока формирования порядковой статистики, информационный выход последнего N-ro блока формирования порядковой статистики соединен с информационным входом (N-l)-ro блока

формирования порядково1Ч статистики, первые тактовые входы блоков формирования порядковых статистик объединены и соединены с выходами блока сравнения кодов, вторые тактовые вхосинхроимпульсов, выход неравнозначности первого блока формирования порядковой статистики соединен с третьим тактовым входом второго блока формирования порядковой статистики, выход неравнозначности i-ro блока формирования порядковой статистики (i 3, N-1) соединен с четвертым тактовым входом (i-l)-ro блока формирования порядковой статистики и с третьим тактовым входом 1+1)-го блока формирования порядковой статистики, выход неравнозначности N-ro

выход которого соединен с первым входом первого элемента ИЛИ, первый информационный вход коммутатора кодов соединен с первым входом первого цифрового компаратора, второй и третий информационные входы коммутатора являются соответственно третьим и четвертым информационными входами 10 блока, первый разряд адресного входа коммутатора кодов, являющийся первым .тактовым входом блока, соединен с первым входом первого элемента И, второй вход которого соединен с выблока формирования порядковой статис- 15 ходом Равнозначность второго цифротики соединен с четвертым тактовым входом (N-l)-ro блока формирования порядковой статистики, четвертый тактовый вход N-ro блока формирования порядковой статистики объединен с тактовыми входами шинных формирователей и подключен к третьему выходу генератора синхроимпульсов.

2о Устройство по п. 1, о т л ивого компаратора, второй разряд адресного входа коммутатора кодов соединен с выходом второго элемента ИЛИ, выход коммутатора кодов соеди- 20 нен с информационным входом регистра, вход управления записью которог соединен с выходом второго элемента И, первый вход второго элемента является вторым тактовьи входом бло

чающееся тем, что блок форми- 25 ка, второй вход первого элемента И

рования порядковой статистики содержит два цифровых компаратора, три элемента ИСКгаОЧАЮЩЕЕ ИЛИ, два элемента И, два элемента ШШ, регистр, коммутатор кодов, причем первые входы первого и второго цифровых компараторов являются соответственно первым и вторым информационными входами блока, вторые информационные входы которых соединены с выходом регистра, являюгцегося информационным выходом блока, выходы неравенства первого и второго цифровых компараторов соединены с первым и вторым входами первого элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ,

выход которого соединен с первым входом первого элемента ИЛИ, первый информационный вход коммутатора кодов соединен с первым входом первого цифрового компаратора, второй и третий информационные входы коммутатора являются соответственно третьим и четвертым информационными входами 10 блока, первый разряд адресного входа коммутатора кодов, являющийся первым .тактовым входом блока, соединен с первым входом первого элемента И, второй вход которого соединен с вывого компаратора, второй разряд адресного входа коммутатора кодов соединен с выходом второго элемента ИЛИ, выход коммутатора кодов соеди- нен с информационным входом регистра, вход управления записью которого соединен с выходом второго элемента И, первый вход второго элемента И является вторым тактовьи входом блосоединен с выходом первого элемента ИЛИ, второй вход первого элемента ИЛИ соединен с выходом первого элемента И, выход первого цифрового Компаратора соединен с первыми входами второго и третьего элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выходы которых соединены с первым и вторым входами второго элемента ИЛИ, вторые входы второго

и третьего элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ являются соответственно третьим и четвертым управлякщими входами блока, выход первого цифрового компаратора является тактовым выходом блока.

ж

e.2

Составитель Л.Григорьян-Чтец Редактор М. Циткина Техред М.ДидыкКорректор Н. Король

8

Nt

i-i 6-f-f