Устройство для адаптивного сглаживания цифровой информации Советский патент 1980 года по МПК G06F17/10 G06F17/17 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ АДАПТИВНОГО СГЛАЖИВАНИЯ ЦИФРОВОЙ ИНФОРМАЦИИ

Изобретение относится к цифровой обработке информации и может использовать ся в различных отраслях, где необходимо осуществлять сглаживание цифровой инфор мации о нестационарных по математическому ожиданию случайных процессов. Известно устройство сглаживания цифровой информации, реализующее алгоритм, в котором коэффициент с (коэффициент сглаживания) равен Д/2 К где - параметр сглаживания i . Недостаток устройства - большая систематическая ошибка, Уменьшить систб матическую сяиибку при сглаживании можно путем адаптивного изменения коэффициента сглаживания или параметра сглаживания ipi , т.е. при изменении коэффициентов модели или несоответствии выбранной детерминированной основы фактической коэффициент сК увеличивают (уменьшают коэффициент fc ), тем самым увеличивают скорость реакции сглаживаюшей системы на изменения коэффициентов модели. По мере догона сглаженным процессом исходного процесса коэффициент сглаживания ck снова уменьшают (или увеличивают коэффициент R ), обеспечивая тем самым достаточную степень сглаживания (малую дисперсию после сглаживания). К тому же, данный способ не позволяет выбрать величину коэфф1щиента сглаживания с в каждом конкретном случае, т.е. не дает ответа на вопрос, насколько необходимо изменить величину(S. Наиболее баизким является устройство (2J, реализующее алгоритм сглаживания, в котором следящий сигнал определяется по формуле r..W , (1) где величина сУ-, определяется сглаживанием величины отклоне1тя сглаженного значения измеряемой функции V | от измеренного . по способу экспоненциального сглаживания, т.е. Ч(1 Величина UL l.t) характеризует усредненное отклонение измеряемого процесса от сглаженного и определяется сглаживанием по формуле Ц1).и() Коэффициенты сглаживания ck и сК выбираются такими, что cK.i СА о Недостатки устройства - повышенная скорость реакции на случайные возмущения и сложность его реализации. Действи- 10 тельно, при определенных случайных выбросах помехи с большой амплитудой числитель в (1), который близок к нулю, изменяется в большее число раз, чем знаменатель, и приблизительно во t столько же 15 раз изменяется следящий сигнал, а следовательно, и коэффициент сглаживания с,, Для реализации рассматриваемого устройства используется устройство сглажива1шя, реализующее операции алгебраическо- 20 го суммирования (с учетом знака) с высокой разрядностью чисел для определения величины Ai(t), дополнительное устройство сглаживания с высокой разрядностью чи- сел для определения величины исГ; )о1; а также сложное устройство деления. Целью изобретения - упрощение устройства. Указанная цель достигается тем, что устройство для адаптивного сглаживания цифровой информации, содержащее компаратор, два блока сглаживания, блок памяти, элемент задержки, причем первый вход компаратора и первый вход первого блока сглаживания объединены и являются первым входом устройства, первый выход нервого блока сглаживания является первым выходом устройства и подключен ко второму входу компаратора, второй выход первого блока сглаживания является вторым выходом устройства, вход второго блока сглаживания является вторым входом устройства, содержит триггер, элемент эквивалентности, при этом-выходкомпаратора соединен с информационным входом триггера и первым входом элемента эквивалентности, выход которого соединен c jynравляющям входом блока памяти, выход которого соединен с информациога1ым входом второго блока сглаживания, управляющий выход которого подключен к управляющему входу первого блока сглаживания и управляющему входу триггера, выход которого соединен со вторым входом элемента эквивалентности, второй вход первого блока сглаживания соединен с выходом .второго блока сглаживан)гя, управляющий вход которого подключен к выходу элемен5та задержки, вход которого является третьим входом устройства. В предлагаемом алгоритме сглаживания измеряемая функция содержот детерминированную составляющую и случайную. Случайная составляющая обусловлена ошибками намерения или высокочастотной помехой и в дискретные моменты времени представляет собой независимые случайн ю величины, распределенные по равномерному или нормальному (в наихудшем случае) закону. Процесс сгладшвания эффективен, если сглаженное значение исходного сигнала равно его математическому ожиданию, В этом случае вероятность поягления отклонений измеренного сигнала от сглаженного одного знака равно вероятности появления отклонений другого знака. При нали ии смещенности сглаженного значения относительно математического ожидания, т.е. при наличии систематической ошибки сглаживания, вероятность появления отклонений одного знака становится больше вероятности появления отклонений другого знака, что свицетельствует о необходимости увеличения коэффициента сглаживания ik Поэтому величине а - текущему коэффидиейгу сглаживания присваиваем значение равное максимальному значению коэффициента сглаживания, если знаки отклонения сглаженного значения параметра от измеренного в текущий и предыдущий Дискретные моменты времени одинаковые,. .. и величине присваиваем значение, равное минимальному значению коэффициекга сглаживания ,р если эти знаки разные,т.е, ., ,, - если S gn(ol.ysvgfn(cn)0 В частном случае c:krnOlX T,min О. Фактическое 31 ачение коэффициента сглаживания в текущий момент времени выбирается как среднее значение | на некотором интервале, которое характеризует статистику появления отклонений того или иного знака. Удобнее всего для этой цели использовать экспоненциальное сглаживание,( , где УК - коэффициент сглаживания. На фиг. 1 представлены результаты сглаживания некоторой гипотетической функции, на которую в дискретные момен1Ы времени наложены случайные числа из таблицы случайных чисел, подчиняющиеся нормальному закону распределения и

имитирующие помеху (кривая 1 на фиг.

Сглаживание осуществлялось по формуле

v.-i (

i)

1 Ki IP, J

Кривая 2 на фиг. 1 характеризует результаты сглаживания при следующих параметрах

таГ,г ;п- /Х- / Кривая 3 характеризует результать сглаживания с постоящным коэффициентом сглаживания, равным iil/fj. Кривая 4 характеризуе результаты сгла живания по алгоритму, описанному в известном CiC t с /j т Д /4 .

На фиг. 2 представлено устройство для адаптивного сглаживания цифровой информации,

Устройство содержит компаратор 1, первый блок 2 сглаживания. Первый вход компаратора 1 и первый вход устройства 2 сглаживания соединен с источником входного сигнала X| (первый вход устройства Выход блока 2 сглаживания соединен со вторым входом компаратора 1, выход которого соединен с информационным входом триггера 3 и с первым входом элемента 4 эквивалентности, второй вход которой соединен с выходом триггера 3. Выход элемента 4 эквивалекгности соединен с управляющим входом блока 5 памяти, в котором храшггся допустимые минимальные и максимальные значения коэффрщиента сглаживания г(Т |О/ i rr а/ (параметры сглаживания К поступающие информационный вход второго блока 6 сглживания. На вход (второй вход устройства установки коэффициента сглаживания ck блока 6 сглаживания поступает сигнал К jj, соответствующий коэффициенту сглаживания А . На управляющий вход блока 6 сглаживания поступает сигнал запуска Си (третий вход устройства) через элемент 7 задержки. Информационный выход блока 6 сглаживания соединен с соответствующим входом блока 2 сглаживания, с выходов которого снимается сигнал сглаженного значения (первый выход устройства) и сигнал окончания работы Cj; (второй выход устройства). Управляющий выход б г1ока 6 сглаживания соединен с соответствующими входами блока 2 сглаживания и триггера 3.

Триггер 3 предназначен для хранения знака предьщущей разницы, т.е. СГ( . Элемеигом 4 экв;Jзaлeнтнocти производится

сравнение знаков текущей раз1ыиы сГ; , поступающей с выхода компаратора 1 , и предществующей j . Если знаки совпадают, то с выхода элемента 4 эквивалентности поступает сигнал логической единицы и на выходе блока памяти формируется сигнал, равный максимальному значению коэфф1щие1гга сглаживания ck rnoix противном случае на выходе блока памяти будет присутствовать сигнал Olrnin

Устройство адаптивного сглаживания цифровой информации работает следующим образом.

На выходе триггера присутствует сигнал логической единицы, что соответствует отрицательной разности, T.e,).;,yj,,j.B блоке 5 памяти занесены соответствующие коэффициенты сглаживания i pt in- nxiix На выхоце блока 2 сглаживания находится сигнал предшествующего сглаженного значения V

При подаче на вход устройства текущего значения X , на выходе компаратора 1 пояааяется сигнал знака разности (Х-,-Vi,). Допустим, X ,V-,, , т.е. знаки СТ совпадают, тогда с выхода элемента 4 эквивалентности поступает сигнал логической единицы и с блока 5 памяти на блок 6 сглаживания поступает сигнал -Cil..Bместе с информационным сигналом на вход устройства поступает управляющий сигнал запуска ( который с задержкой времени поступает на блок 6 сглаживания и запускает его. После окончания работы блока 6 сглажквания с его выхода формируется сигнал, которым зано. сите я знак разности в триггер 3 и запускается блок 2 сглаживания. Сглаживание текущей информации производится с новым коэффицие1ггом сглаживания «ak.

Коэффициент Ql j увеличивается на каждом щаге измерения до тех пор, пока на выходе элемента 4 эквивалентности прсутствует сигнал логической единицы,т.е. (cr.vgv(cf.)0

или пока (ivi не станет равным ckppoiit,,

Аналогично осуществляется работа устройства адаптивного сглаживания, если

(cf.).s«gn(cr.)cO

в этом случае на вхоп блока 6 сглаживания поступает сигнал с( г - В розультате значение коэффицмсчгто сглаживания уме11ьшавтся. Его предельное значение равно ч -, Ь ( п Темп иэменения коэффициента схлаживания .ч на каящом шаге измерения зави сит от коэффициента сглаживания который предваритопьно устанавливается сигна лом на блоке в сглаживания. Формула изобретения Устройство для адаптивного сглаживания циф|ровоЙ информации, содержащее KOM пфатор, две, блока сглаживания, блок памяти, элемент задержки, причем первый вход компаратора и первый вход первогчэ блока сглаживания объединены и являются первым входом устройства, первый выход первого блока сглаживания является первым выходом устройства и подключен ко второму входу компаратора, второй выход первого блока сглаживания является вторым выходом устройства, вход второго блока сглаживания является вторым входом устройства о т л и ч. а ю щ е е с я тем, что, с целью упрощения устройства, . оно содержит триггер, элемант эквивале1и иости, при этом выход компаратора соодннен с информационным входом триггера и первым входом элемента эквивалентности, выход которогчэ соединен с управляюTOiM входом блока памяти, выход коачэрого соединен с .информационным входом второго блока сглаживания, управляющий выход которого подключен к управляющему входу первогю блока сглаживания и управляющему входу триггера, выход которого соединен со вторым входом элемеш-а эквивалентности, второй вход первого блока сглаживания соединен с выходом .пюрого блока сглаживания, управляющий вход которого подключен к выходу элемента задержкИа вход которого является третьим входом устройства Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1о Авторское сввдетельство СССР по по заявке № 2551371/18-24, кл« 3 06 F 15/34, 1977. 2, Чуев Ю. В, Прогнозхфование количественных характеристик процессов, М,, Советское радио, 1975, с. 197-198 {прототип).