Устройство для классификации сигналов Советский патент 1992 года по МПК G06K9/00 

00

сл о

Д

W

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано для классификации электрических сигналов.

Известно устройство для классификации объектов, содержащее первый регистр, входы которого являются первым и вторым входами устройства, а выход подключен к одному входу первого дешифратора, другой вход которого является вторым входом устройства, второй и третий регистры, входы которых соединены с соответствующими выходами первого дешифратора и элементов ИЛИ первой группы, входы которых яв- ляются первым и третьим входами устройства, а выходы второго и третьего регистров подключены к одним входам первого коммутатора, другие входы которого соединены с выходами счетчика и делителя частоты, первый блок памяти, один вход которого является первым входом устройства, другие подключены к соответствующим выходам первого дешифратора, первого коммутатора и ключей первой группы, а выход соединен с одним входом первого регистра сдвига, другой вход которого подключен к генератору импульсов, выход которого соединен с входом делителя частоты, выход которого подключен к входу счетчика, и вторую группу элементов ИЛИ, второй блок памяти, один вход которого является первым входом устройства, другие подключены к соответствующим выходам первого дешифратора, первого коммутатора и ключей первой группы, второй регистр сдвига, входы которого соединены с выходами генератора импульсов и второго блока памяти, четвертый и пятый регистры, одни входы которых являются первым входом устройства, другие подключены к соответствующим выходам первого дешифратора, а выход четвертого регистра соединен с входами ключей первой группы, второй коммутатор, входы которого подключены к выходам элементов ИЛИ первой группы, первого и второго блоков памяти, а выходы соединены с одним входом элементов ИЛИ второй группы, выход которых является первым выходом устройства, вторую группу ключей, входы которых подключены к выходам пятого регистра и первого и второго регистров сдвига, а выход является вторым выходом устройства, и последовательно соединенные шестой регистр, вход которого подключен к выходу второго коммутатора, второй дешифратор, счетчик первой группы, компаратор, управляющий вход которого является вторым входом устройства, и счетчики второй группы, выход которых подключен к другим входам элементов ИЛИ второй группы. Одним из недостатков указанного устройства является то, что оно может быть использовано только для классификации объектов, которые характеризуются дискретными сигналами (признаками) Поэтому это устройство обладает ограниченными функциональными возможностями. Кроме того, это устройство обладает низкой точностью классификации объектов, поскольку

0 при классификации объектов не учитывается влияние аддитивных помех, которые, как правило, присутствуют на входе устройства классификации.

Наиболее близким по технической сущ5 ности к предлагаемому устройству является устройство, содержащее последовательно соединенные усилитель и блок задания весовых коэффициентов, № формирователей уровня сигнала, элемент ИЛИ, триггер, ге0 нератор импульсов и последовательно соединенные первый элемент И, счетчик, дешифратор и блок отображения, первый и второй входы первого элемента И соединены с выходом генератора импульсов и с пря5 мым выходом триггера, прямой вход которого является входом Пуск устройства, а инверсный вход является входом Останов устройства, третий вход элемента И соединен с выходом элемента ИЛИ, входы

0 которого соединены с первыми выходами формирователей уровня сигнала, первые входы которых соединены с выходами блока заданий весовых коэффициентов, второй вход N-ro формирователя уровня сигнала

5 соединен с вторым выходом (N-1)-ro формирователя уровня сигнала.

Это устройство имеет два недостатка. Первым недостатком является то, что оно обладает низкой точностью классифи0 кации сигналов, так как в нем не учитывается воздействие помех при классификации сигналов. Под воздействием помех искажается огибающая сигнала, а, следовательно, искажается и амплитуда сигнала. С по5 мощью блока задания весовых коэффициентов пороговые элементы настраиваются на искаженный амплитудный уровень сигнала и дальнейшая обработка искаженного сигнала сказывается и на результаты классифи0 кации сигналов.

Вторым недостатком устройства является то, что устройство не обеспечивает выделение информативных признаков по амплитуде при поступлении сложных сигна5 лов на вход устройства. К сложным сигналам можно отнести сигналы, имеющие изменяющуюся со временем амплитуду. Например, сигналы, имеющие нарастающую со временем амплитуду, устанавливающую- ся через определенное время до определенной величины. Другой разновидностью таких сигналов являются сигналы, имеющие примерно постоянную амплитуду, а через определенное время амплитуда их убывает до нуля. Анализ таких сигналов показывает, что при классификации их можно использо-4 вать информацию о сигнале на всем интервале времени существования его, как это делается в известном устройстве, а можно использовать при классификации только участки сигнала с меняющейся амплитудой или сигналы, имеющие только постоянную амплитуду. Информативность признаков, выделенных с различных участков или участка за времй существования сигнала, будет различной. В связи с этим возникает задача выбора наиболее информативноагпризна- ка (участка) сигнала для проведения классификации. Выбор наиболее информативных признаков (участков) из имеющихся обеспе- чит повышение точности классификации сигналов.

Таким образом, это устройство обладает низкой точностью классификации сигналов, т.к. при синтезе этого устройства не учтено воздействие помех на его входе ц не обеспечивается выделение наиболее информативных признаков при классификации сложности сигналов.

Целью изобретения является повыше- ние точности устройства

Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее усилитель, блок задания весовых коэффициентов, формирователи уровня сигнала, элемент ИЛИ, триггер, генератор импульсов и последовательно соединенные первый элемент И, счетчик, дешифратор и блок отображения, вторрй вход первого элемента И соединен с прямым выходом, прямой вход которого яв- ляется входом Пуск устройства, а инверсный вход является входом Останов устройства, третий вход первого элемента И соединен с выходом элемента ИЛИ, входы которого соединены с первыми выходами формирователей уровня сигнала, первые входы которых соединены с выходами блока задания весовых коэффициентов, второй вход каждого формирователя уровня сигнала соединен с вторым выходом предыдуще- го формирователя уровня сигнала,, введены интегратор, дополнительный счетчик и третий элемент И, причем вход интегратора соединен с выходом усилителя, а выход соединен с входом блока задания весовых ко- эффициентов, вход дополнительного счетчика и первый вход третьего элемента И соединены с выходом генератора импульсов, второй вход трет ьего элемента И и второй вход усилителя соединены с выходом

дополнительного счетчика, выход третьего элемента И соединен с первым входом первого элемента И, прямой вход триггера соединен с входом генератора импульсов.

Введение в устройство для классификации сигналоЪ интегратора, дополнительного счетчика и третьего элемента И позволяет повысить точность классификации сигналов за счет устранения аддитивных поясах после усиления входных сигналов и выделения наиболее информативных признаков при классификации сложных сигналов.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для классификации сигналов; на фиг. 2а - эпюры сигналов с выхода усилителя 1 и с выхода интегратора 2 соответственно; на фиг. 26 - эпюры сигналов: x(t) - сигналы с одинаковой амплитудой;

х (t) - сигналы с нарастающей амплитудой;

х (t) - сигналы с убывающей амплитудой.

На фиг. 3 представлен формирователь уровня.

Устройство для классификации сигналов содержит усилитель 1, интегратор 2, блок 3 задания весовых коэффициентов, формирователи 4 уровня сигнала, элемент ИЛИ 5, триггер б, первый элемент И 7, третий элемент И 8, дешифратор 9, счетчик 10, дополнительный счетчик 11, генератор 12 импульсов, блок 13 отображения, причем выход усилителя 1 соединен с входом интегратора 2, выход которого соединен с входом блока 3 задания весовых коэффициентов, выходы которого соединены с входами формирователей 4 уровня сигнала, первые выходы которых соединены с входами элемента ИЛИ, выход которого соединен с третьим входом первого элемента И 7, второй вход которого соединен с выходом триггера 6, прямой вход которого является входом Пуск устройства, а инверсный вход является входом Останов устройства, выход генератора 12 импульсов соединен с входом дополнительного счетчика 11 и первым входом третьего элемента И 8, второй вход которого соединен с выходом дополнительного счетчика 11, к которому присоединен второй вход усилителя 1, выход третьего элемента И 8 соединен с первым входом первого элемента И 7, последовательно соединены первый элемент И 7, счетчик 10, дешифратор 9 и блок 13 отображения, второй вход N-го формирователя уровня сигнала соединен с вторым выходом (М-1)-го формирователя уровня сигнала, прямой вход триггера 6 соединен с входом генератора 12.

Формирователь уровня содержит пороговый элемент 14, элемент НЕ 15 и второй элемент И 16 (см. фиг. 3).

Классификация сигналов по классам производится после того, когда исследователем устанавливается, по каким сигналам (x(t) или x (t), или x(t), (см. фиг, 26) должна производиться классификация. Это осуществляется путем установления времени начала классификации сигналов на дополнительном счетчике 11. Классификация сигналов по классам заключается, как и в известном устройстве, в определении среднего времени нахождения данных сигналов на одном или нескольких информативных уровнях. По значению данного времени, которое является информативным признаком определенного класса, производится классификация.

Информативный уровень (или уровни) определяется на стадии обучения. При этом в зависимости от исследуемых сигналов x(t) или x (t), или x(t), по которым должна осуществляться классификация сигналов, производится обучение устройства по изменяющимся участкам сигналов x(t) или x,(t), или по установившимся участкам тех же сигналов x(t) или x(t), или сигнала x(t), или по всем участкам существования входных сигналов x(t), x(t). В любом случае выбирается уровень, который несет наибольшую информацию о различимости сигналов.

Устройство работает, следующим образом.

Перед началом работы устройства дополнительный счетчик 11 устанавливается в необходимое положение в зависимости от классифицируемых сигналов, т.е. в зависимости от имеющихся априорных сведений о входных сигналах, поступающих на вход устройства. При этом при поступлении сигналов x(t) классификация (обучение классификации) производится с момента . При поступлении сигналов видов x(t) и x(t) классификация (обучение) может проводиться (в зависимости от постановки задачи исследователя) по сигналам с установившейся амплитудой (для x(t) с момента времени до момента времени ti и по сигналам с изменяющейся амплитудой (для x(t) с момента времени до момента времени , а для сигналов х (t) с момента времени ).

При классификации (обучении) по сиг налам вида x(t) или х (t) нарушение указан- ных выше временных соотношений может привести к существенным ошибкам классификации, т.е. существенно может быть снижена точность классификации сигналов.

-

Пусть для определенности входной сигнал имеет вид x(t) (см, фиг. 26), тогда дополнительный счетчик 11 устанавливается в О состояние, что соответствует тому, что клас5 сификация (обучение) должна проводиться с момента поступления сигнала на вход устройства, т.е. момента времени . В этом случае выходной сигнал с этого счетчика в виде высокого потенциала поступает на вто10 рой вход усилителя 1 и на первый вход третьего элемента И 8.Усилитель 1 и третий элемент И 8 подготовлены к работе.

Входной сигнал x(t), подлежащий классификации, усиливается входным усилите15 лем 1 до необходимого значения и подается через интегратор 2, где сигнал.фильтруется, устраняя аддитивную помеху (см. фиг. 2а), и через блок 3 задания весовых коэффициен- тов подается на все пороговые элементы 14

20 формирователей уровня одновременно. С помощью блока 3 задания весовых коэффициентов пороговые элементы 14 настраиваются на определенный амплитудный уровень сигнала x(t). После команды Пуск

25 с триггера 6 на второй вход элемента И7 выдается сигнал. При нахождении исследуемого сигнала x(t) на первом уровне срабатывает пороговый элемент 14 и выдает сигнал на второй вход элемента И -16. Так

30 как пороговый элемент 14, настроенный на второй уровень, еще не сработал, на его выходе сигнал отсутствует и с выхода элемента НЕ 15 подается сигнал на третий вход элемента И 16. При наличии сигнала на пер35 вом входе элемента И 1 б с его выхода выдается сигнал через элемент ИЛИ 5 на третий вход элемента И 7, Импульсы с кварцован- ного генератора 12 через элементы И 8 и И 7 начинают поступать на счетчик 10 импуль40 сов. Наличие сигнала на первом входе элемента И 16 обусловливает измерение времени нахождения исследуемого сигнала x(t) на соответствующем амплитудном уровне, Отсутствие сигнала исключает данные

45 измерения.

При достижении сигналом x(t) второго амплитудного уровня срабатывает пороговый элемент И 14 и на его выходе появляется сигнал, закрывающий через элемент НЕ

50 15 элемент И 16, на выходе которого сигнал исчезает. Отсутствие сигнала на выходе элемента И 16 приводит к закрытию элемента И 7. Импульсы с кварцованного генератора 12 не поступают на счетчик 10. Количество 55 импульсов, подсчитанных счетчиком 10. пропорционально времени нахождения исследуемого сигнала x(t) на первом амплитудном уровне.

Появление сигнала на выходе порогово- го элемента 14 открывает элемент И 16 при

наличии на его первом входе сигнала., На третьем входе элемента 1/116 сигнал есть, так как пороговый элемент 14, настроенный на третий уровень, не сработал и на выходе элемента НЕ 15 сигнал имеется. С выхода элемента И 16 сигнал через элемент ИЛИ 5 поступает на третий вход первого элемента И 7. Первый элемент И 7 открывается и счетчик 10 производит подсчет импульсов, поступающих с кварцованного генератора 12.

При достижении сигналом x(t) третьего амплитудного уровня срабатывает пороговый элемент 14 и сигнал на его выходе через элемент НЕ 15 закрывает соответствующий элемент И 16 и открывает соответствующий элемент И 16. Далее все происходит аналогично рассмотренному. Процесс происходит до тех пор, пока амплитуда исследуемого сигнала x(t) не снижается. Тогда на выходе определенного порогового элемента сигнал исчезает и тем самым обеспечивает закрытие соответствующего ему элемента И 16 и открытие элемента И 16 в формирователе уровня, настроенного на нижестоящий амплитудный уровень. Все операции повторяются до тех пор, пока не поступает команда Останов на триггер 6.

Измерение времени пребывания исследуемого сигнала x(t) на определенном амплитудном уровне происходит лишь тогда, когда на первый вход элемента И 16 соответствующего формирователя уровня подан сигнал, Таким образом, сигнал y(t)# x(t)J, где ) - оператор преобразования, определяемый совокупностью сигналов на первых входах элементов И 16, преобразуется в импульсы, подсчитываемые счетчиком 10. По значению количества импульсов можно судить о номере класса предъявляемого сигнала. Число импульсов, подсчитанных счетчиком 10, через дешифратор 9 высвечивается на цифровом табло 13. Оператор преобразования р (х) запоминается в виде комбинации сигналов на первых входах элементов И 16. Адаптация устройства производится на этапе обучения и заканчивается в подборе такого оператора преобра- зования (р (х), который обеспечивает правильную классификацию данной совокупности сигналов.

Устройство на стадии обучения работает следующим образом. Исследуемые сигналы x(t) разбиваются по амплитуде при помощи блока 3 задания весовых коэффициентов на п уровней.

Путем последовательной подачи единичного потенциала на установочные входы (первые входы элемента И 16) формирователей уровня, что соответствует выделению из сигнала только соответствующего уровня, последовательно находят среднее значение времени нахождения исследуемого сигнала 5 на каждом амплитудном уровне Для этого подают сигнал Пуск на триггер 6. Импульсы с кварцованного генератора 12 не проходят через элемент И 7 на счетчик 10, так как на элементе И 7 отсутствует сиг нал на треть0 ем входе. При достижении- исследуемым сигналом x(t), снимаемым с интегратора 2 и проходящим через блок 3 задания весовых коэффициентов, уровня амплитуды, на который настроен соответствующий формирова5 тель уровня, с последнего выдается сигнал через элемент ИЛИ 5, который начинает пропускать импульсы с кварцованного генератора 12 на счетчик 10 импульсов.

При достижении исследуемым сигна0 лом уровня амплитуды, на который настроен следующий формирователь уровня (N+1), сигнал с выхода формирователя (N) исчезает, элемент И 7 запирается и импульсы с кварцованного генератора 12 перестают пб5 ступать на счетчик 10. При снижении амплитуды исследуемого сигнала все происходит аналогично, но в обратном порядке. Счетчик 10 суммирует импульсы за время нахождения исследуемого сигнала на выбранном

0 уровне до прихода команды Останов на триггер 6, т.е. за строго фиксированный промежуток времени t. В результате на цифровом табло 10 высвечивается число импульсов, пропорциональное времени на5 хождения исследуемого сигнала на выбранном уровне за период Т (mk1). Аналогичные операции проводятся и на других уровнях. Все операции по нахождению информативного уровня являются обучающими про0 цедурами и проводятся один раз для неизвестных сигналов, принадлежащих равным классам. В зависимости от найденного информативного уровня(ей) подается единичный потенциал на установочный

5 вход(ы) соответствующего(щих)формирова- теля(ей) уровня, а установочные входы других формирователей уровня заземляются.

При этом этап обучения устройства заканчивается.

0 Формула изобретения

Устройство для классификации сигналов, содержащее усилитель, блок задания весовых коэффициентов, формирователи уровней сигналов, первые входы которых

5 соединены с выходами блока задания весовых коэффициентов, а второй вход каждого формирователя уровня сигнала подключен к первому выходу предыдущего формирователя уровня сигнала, элемент ИЛИ, соответствующие входы которого соединены с

вторыми выходами формирователей уровней сигнала, триггер, прямой и инверсный входы которого являются входами Пуск и Останов устройства, первый элемент И, первый и второй входы которого подключены соответственно к выходам триггера и элемента ИЛИ, генератор и последовательно соединенные счетчик, дешифратор и блок отображения, причем вход счетчика подключен к выходу первого элемента И, отличающееся тем, что, с целью повышения точности устройства, в него введены интегратор, вход которого соединен с вы

ходом усилителя, а выход - с входом блока задания весовых коэффициентов, дополнительный счетчик, установочный вход которого является установочным входом устройства, и третий элемент И, первый вход которого и информационный вход дополнительного счетчика подключены к выходу генератора, второй вход третьего элемента И и второй вход усилителя подключены к выходу дополнительного счетчика, а выход третьего элемента И соединен с третьим входом первого элемента И.

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано для классификации электрических сигналов. Устройство содержит усилитель 1, интегратор 2, блок 3 задания весовых коэффициентов, формирователи 4 уровня сигнала, элемент ИЛИ 5, триггер 6, первый, второй и третий элементы И, дешифратор 9, счетчики 10/11, генератор 12, блок 13 отображения, пороговый элемент 14, элемент 15 НЕ. 3 ил.

-fft

Ю|

w

l/v/vw /vA/v

Ornfa.Z

Пороговый злемент

/4

Элемент 15

ЛАЛ/У.,

Второй Эл емент

Uf6

/rЈi,4