Вероятностный коррелометор Советский патент 1981 года по МПК G06F17/15 

(54) ВЕРОЯТНОСТНЫЙ КОРРЕЛОМЕТР

1

Изобретение относится к вычислитель ной и электроизмерительной технике, а именно к аппаратурному определению характеристик случайных процессов, и може быть использовано для статистической обработки информации в гидрометеорологии, биологии,, автоматике и других областях науки и техники.

Известен вероятностный коррелометр, содержащий блоки вероятностного округ ления и умножения, блок управления, регистр числа, блок, сравнения, счетчики, триггеры, блок задания режима, генератор случайных чисел, блок 8леме ггов

И 1.

Недостаток устройства заключается в невозможности обработки нестационарных процессов, Кргале того, устройство не позволяет определять гистограмму и моду случайного процесса.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является вероятностный когфелометр, содержащий блок управле{дая, подключенный своими выходами

к ущэаеляющим входам блока модификации команд, накапливающего регистра, регистра итога, а также ко входам последозательно соединенных своими первыми входами -выходами блока вероятностного умножения,, блока анализа знака,блока памяти и регистра числа, причем первый выход последнего соединен с первым входом сумматора, второй, третий и четвертый вхош которого подключены соответ10ственно к выходам регистра итога, генеи ратора случайных чисел и блока модификаций команд, первые три входа которого соединены с первыми тремя входами устройства, а четвертый вход - с пер15вым выходом сумматора, первыми входами регистров итога и накапливающего, а также со вторым входом блока вероятностного умножения, второй выход сумматора соединен со вторым входом

Ж блока памяти, выход накапливающего регистра соединен с первым входом входного регистра, второй и третий входы которого соединены с четвертым и пятым входами устройства, шестой вход устройства соединен со входом блока управления Г2Д. Однако коррелометр имеет ограничен ные возможности, так как он не может быть использован для вычисления гистограммы распределения и моды исследуемого случайного процесса. Цель изобретения - расширение функ- шюнальных возможностей коррелометра за счет вычисления гистограммы и моды распределения случайного процесса. Указанная цель достигается тем, что в вероятностный коррелометр, содержащий регистр, первый и второй входы которого являются соответственно первым и вторы входами коррелометра, третий и чет1верты входы регистра подключены соответственно к выходу накапливающего регистра и к первому выходу блока управления, второй, третий и четвертый выходы которого Соединены соответственно с управляющим входами накапливающего югистра, регист ра и блока модификации команд, пер вые три информационных входа которого являются соответственно третьим, четверо тым и пятым входами коррелометра, четвертый информационный вход блока модификации команд объединен с первыми информационными входами регистра итога, накапливающего регистра и с информационным входом блока вероятностного умножения, и подключен к первому выходу сумматора, четыре входа которого подключены соответственно к первому выходу регистра числа, к выходам регистра итога, блока модификации команд, генератора случайных чисел, второй выход сумматора соединен с первым информационным KKomaw блока памяти, пёриый выход которого подключен ко входу регистра числа, утфавляющий вход которого под ключен к пятому выходу блока ущ авяеН1 я, шестой, седьмой в восьмой шлходы которого подключены соо1«етственно к уп равляющим уходам блока аналвэа знака, блока верюятиостного умяоженкв и блока пвл4яттл, второй инфо| {ациов11ый вход которого подключеи к ш осоду блока анализа знака, информационный вход которого соединен с выходами блока вероятностного умножеакя вход блока управления является шестым входом корр&л ыетра, введен блок нор алвзацвв, первый вход которого является седьмым выходом коррелометра, второй вхоД соединен с выходом, -регистра, выход блока нормализации, соединен с пятым входом сумматора, второй выход регистра числа соединен со вторым информационным входом регистра итога, второй информационный вход накапливающего регистра соединен со вторым выходом блока памяти, третий вход которого подключен ко второму выходу сумматора. Кроме того, первый и второй входы блока нормализации образованы совокупностью разрядных шин, а блок содержит восемь элементов И и два регистра, разрядные входы первого регистра являются первым входом блока нормализации, выходом которого являются выходы второго регистра, входы которого соединены с вь1ходами соответствующих элементов И, первые три входа каждого элемента И подключены к соответствующим разрядным выходам первого регистра, четвертые входы всех элементов И объединены и соединены с первой разрядной шиной второго входа блока нормализации, пятые входы элементов И, кроме первого, объединены и подключены ко второй разрядной шине второго входа, щестые входы элементов И, кроме первого и второго, объединены и подключены к третьей разрядной шине второго входа, седьмые входы элементов И, кроме первых трех, объединены и подключены к четвертой разрядной шине второго входа, восьмые входы элементов И, кроме первых четырех, объединены и соединены с пятой разрядной шиной второго входа, девятые входы элементов И, кроме первых пяти, объединены и подключены к шестой разрядной шине второго входа, седьмая разрядная шина которого соединена с десятыми входами седьмого и восьмого элементов И, одиннадцатый вход восьмого элемента И соединен с восьмой разрядной шиной второго входа блока нормализации. На фиг. 1 представлена структурная схема коррелометра; на фиг. 2 - блоксхема блока модификации команд; на 4тг. 3 - то же, нормализации; на фиг. 4 то же, блока управления. Коррелометр содержит входной регистр 1, блок 2 модификации команд, сумматор 3, генератор 4 случайных чисел, нака ливакядий регистр 5, блок 6 памяти, блок 7 вероятностного умножения, регистр 8 числа, блок 9 анализа знака, блок 10 управления,; регистр 11 итога, а также блок 12 норяугализации. Пру этом третий выход сумматора 3 подается на третий адресный вход блока б памяти, а второй, адресный выход указанного блока соединен со вторым вховходом накапливающего регистра 5. Кро5ме того, второй выход регистра 8 числа соединен со вторым входом регистра 11 итога. Блок 2 модификации команд содержит элалент 13 задержки, элемент ИЛИ 14, регистр 15, элемент 16 И, инвертор 17, элементы И 18 и 19, элементы ИЛИ 20 тл 21, триггер 22, линию 23 задерхоси, элементы И 24-26, элементы ИЛИ 27 к шифратор 28. Раьота блока 2 модификации команд начинается с поступления из блока 10 у равления (блока синхронизации) сигнала формирования команды центрирования по четвертому входу. В зависимости от сочетания знаков tn и XT с выхода элементов ИЛИ 14 и 27 будет сформирована команда на элементах 15 и 26 И и на ши ч аторе 28. Варианты образования ксманд представлены в табл. 1. Таблица 1 Вычесть Сложить Сложить Вычесть Управляющий сигнал формирования команды после задержки на линии 23 задершга (время задержки выбрано из уоловия недостаточности для работы сумматора по команде.центрирования, с учетом возмржного преобразования кода при ( |wx 1) поступает на комбинационы

Разряды элементов И 29-36 а1 I 2 ГЭ 4 1 5 6 ) 7 I а 23 456 78

1 2 3

3 4. 5 6 7 8

4 5 6 7 8

4

5

6

7

8

7 8

8

6

5 6 7 8

7 8 49 ную схему анализа сдвига при заданном коэффициенте масштабирования q , хранящемся на регистре 15. Если, например, ах 8, то на элементе И 24 формируется сигнал и через элемент ИЛИ 27 он подается на шифратор 28 для последующей передачи его кодированного отображения в сумматоре 3. Если заданный коэффициент масштаб рованияОх 8 или Ох .«1, то с выхода элемента ИЛИ 21 сигнал поступает на вход элемента И 25 и сигналом со второго выхода линии 23 задержки будет сформирована вторая команда сидвга при «X 8 и первая при dx «4, Аналогично, с третьего выхода линии 23 задержки сигнал на элементе И 26 сформирует третий сигнал сдвига 8, второй - для QX 4 и первый приах 2, Управление преобразованием .кода проводится следующим образом. Сигнал из блока управления задерживается на элементе 13 задержки на время цикла работы сумматора 3. На элементе И 16 фиксируется факт отсутствия или наличия сигнала переноса из сумматора 3. То обстоятельство, что перед этим выдана кс 1анда Вычесть, запоминается на триггере 22. При 1 х I перенос отсутствует и с выхода элемента И 16 снимается логический ноль. Блок 12 нормализации содержит элементы И 29 36 и регистры 37 и 38, соответственно, выходной и входной. Схема блока 12 нормализации комбинационного типа и работа ее производится за один машинный такт. Коэффициент нормализации задается двоичным кодом и хранится на регистре 38. Поступающая информация из регистра 1 подключается ко входным разрядам элементов И 2936 согласно табл. 2. Таблица 2 78 С выходов элементов И 29-56 информация записывается в регистр 37, Таким образом, при коде коэффициента нормализации О10 соответствующему сдвигу на два разряда в сторону старших разрядов, будучи открыты третьи каналы элементов И, и на входы регистра 37 поцаны. разряды информации (с регистра 1) следующим образом: ла первый разряд регистра 37 - третий разряд регистра 1, на второй разряд регистра 37четвертый разряд регистра 1 и т.д., на шестой разряд регистра 37 - восьмой разряд регистра 1. Остальные разряды регистра 37 - нулевые. Блок управления содержит триггер 39 хранения признака нестационарности, анализатор 4 О границы интервала нестационарности, счетчик 41 ординат исследуемого случайного процесса (ИСП), счетчик 42 ординат вычисляемой функции., счетчик 3 крайности стохастического преобразования, блок 44 условного перехода, блок 45 формирования адреса микрокоманды, генератора 46 тактовых импульсов, элемент ИЛИ 47, регистр 48 адреса микрокоманд, триггер 49 блокировки, элемент И 5О, дешифратор 51 управляющих сигна лов, накопитель 52 (матрица) микрокоманд, элемент 53 задержки. Анализатор 4О границы нестационарности ординат представляет собой схему И на входов, где число ординат ИСП на участке псевдостационарности, обычно выбирается равным степени двух. Блок 44 условных переходов построен на дЬух шестиканальных коммутаторах, с канальными входами которых соединены выходы узлов 39-43, а адреса каналов и указание номера коммутатора поступают по многопроводнь1М связям на матрицы микрокоманд. Коммутаторы применяютсятипа К 155 К П 7. Таким подключением обеспечивается переход в два, три или четыре; направления Б зависимости от алгоритма работы Блок 45 формирования адреса микрокоманды представляет собой набор элементов ИЛИ для объединения соответстч вующих адресов микрокоманды, прихояяшнх либо от входов пусков режимов (пуск Uy , tf. , выдачи данных), либо m узла условных переходов, либо из матр№оы микрокоманд. Управляющие сигналы из дещифратора 51 соответствуют выходам блока 1О yп равления (фиг. 1). Перечень их следующий: первый - сигнал записи в регист.р 1 9 второй - запись в накапливающий регистр 5, третий - управляющий сигнал (многопроводный) в блок 2 модификации команд, четвертый - запись в регистр 11 итога, пятый - запись в регистр 8 числа, щеотой - управляющий сигнал в блок 9 анализа знака, седьмой - управляющий сигнал в блок 7 вероятностного умножения, вось мой - сигнал (многопроводный) в блок 6 памяти. Работа самого блока идентична во всех режимах, разницы в структуре известного блока управления и предлагаемого нет, дополнительные управляющие сигналы в дещи4фаторе 51 появились за счет использования резервных (неиспольгзуемых) сигналов в известном устройстве, дополнительные микрокомандырежима вычисления гистограммы и моды появились за .счет пр менения неиспользованных адресов матрицы 52. Работу блока 10 управления рассмотрим на примере реализации режима вычисления гистограммы и моды случайного процесса. Для простоты микрокоманды будем нумеровать в порядке их появлений. По сигналу Пуск режима вычисления ); , приходящему извне (на фиг. 1 сигналы пусков режимов не показаны) в блок 45, выбирается адрес, начальной (первой) команды режима и подается на вход регистра 48 адреса микрокоманд. Ближайшим тактовым, сигналом с генератора 46 через элемент И 50, второй вход которого открыт потенциалом с единичного (рабочего) выхода триггера 49, адрес получает возможность записаться в регистр 48. С выхода регистра этот адрес будет подан на вход адреса матрицы 52 микрокоманд. Этот же тактовый сигнал через элемент 53 задержки сформирует сигнал чтения матрицы. Образуется возможность для выбора первой микрокоманды - набора управляющих сигналов. В первой микрокоманде будет записан вызов ординаты ИСП через дешифратор 51 (этот сигнал не показан на фиг. 1). В этой же первой микрокоманде будет сформирован управляющий сигнал блокировки тактов, который с выхода матрицы 52 сбросит триггер 49, Этим будет снят управляющий потенциал с выхода триггера 49 на второй вход элемента И 5О, что запретит прохождение тактов на формирование адреса микрокоманды и чтение матрицы. В этом типе блока управления все микрокоманды --суть микрокоманды безусловного перехода, т;е. среди набора управляющих сигналов на выходе матрицы 52 будет многоразрядный адрес следующей микрокоманды, поступающий на составляющие входы блока 45 формирования адреса микрокоманды. До тех пор, пока на выходе матрицы микрокоманды стоит заблоктфованная микроксаданда, адрес следующей (второй) микрокоманды, пройдя через блок 45, поступает на вход регистра 48, не записываясь в него. Запись адреса следующей микрокоманды и чтение матрицы микрокоманд будут разрешены после получения блоком управления сигнала Конец преобразования АЦП {этот сигнал, свидетельствующий об окончании преобразования аналогового сигнала ординаты ИСП в цифровую форму На аналого-цифровом преобразователе, не изображен на (|шг. 1). Сигнал Конец преобразования АЦП поступит на первый вход элемента 47, с выхода элемента 47 сигнал установит в рабочее состояние триггер 49. Ближайший тактовый сигнал с выхода генератора 46 через элементы 50 и 53 обеспечит запись в регистр 48 и чтение матрицы 52. Во второй микрокоманде будет сфор рован в дешифраторе первый управляющий Сигнал для записи ординаты в приемный регистр 1. Код да регистра 1 в этом же такте поступит через блок 12 нормал№зации в сумматор 3 и с выхода сумматора поступит на адресный вход блока памяти. Для увеличения содержимого ячейки блока памяти из дешифратора .51 будет выдан закодированный восьмой управляющий сигнал в блок памяти. При этом же будет выдан управляющий сигнал из матрицы 52 в счетчик 41 на увеличение содержимого. Далее повторяется выборка первой микрокоманды с запросом следующей ординаты ИСП. После обработки -ой ординаты, где величина i равна предельному числу обрабатываемых ординат ИСП К , образуется переход на поиск моды гистограммы по признаку переполнения счетчика 41. Это делается следующим образом. Во второй микрокоманде указан адрес канала коммутатора ( ПУСТЬ это будет адрес 2) и номер коммутатора (пусть это будет-номер первого коммутатора). Выхо первого коммутатора через блок 45 подключен ко входу первого (младщего) разряда регистра 48. В К -1 циклах повторе 8 9 ние второй микрокоманды на выходе коммутатора будет ноль и переход после второй микрокоманды будет к первой микрокоманде. В N -ом цикле после переполнения счетчика 41 через блоки 44 и 45 будет передана единица на вход регистра 48 и организуется переход на третью микрокоманду - микрокоманду нахождения моды, В третьей микрокоманде будет сфорг мирован восьмой управляющий сигнал чтения блока памяти, пятый . управляющий сигнал записи в регистр 8 числа. В четвертой микроксманде будет обеопечено сравнение величины в регистрах 11 и 8, из блока управления будет выдан четвертый сигнал переписи из регистра 8 в регистр 11 и сигнал увеличения содержимого счетчика 42. Этот цикл будет повторяться до переполнения счетчика. Устройство может работать в двух независимых режимах: режим вычисления корреляционных функций и режим вычисления гистограммы распределения и моды. Математическое ожидание случайного процесса гох либо величина постоянная х мач введенная заранее по входам на основании априорного и ., знания процесса при условии что процесс стационарный либо функция от времени вида ,- (iH m;(t) , i EOlr-l) где E(-j) - целая часть числа от деления текущего номера ординаты i случайного процесса на число г , определяющее предел усреднения, т.е. длину участка псевдостационарности нестационарного процесса. Очевидно, что при Е ( i / 1) . За время вычисления корреляционной функции на вход устройства будут поданы N ординат случайного процесса X (-Ь ). Обработка каждой ординаты процесса идентична и включает в себя циклы приема, накопления и замещения значений математического ожиданияна границах участков псевдостационарности (только ля нестационарных процессов), центрирования, масштабирования центрированной ординаты и CJ, подциклов перемножения принятой ординаты х; и занесенных ранее в блок 6 памяти предыдущих ординат U-1) ( il8 Далее производится коррекция содержимого части памяти, хранящей предыдущие ординаты, т.е. замена ряда ординат Xi-1, X j, X.,j,... , Х р. , на новый ряд Х, Х.;-, iНа заключительном этапе производится вычиспенке произведений видаХ -Х и корректировка оценок промежуточных значений ординат корреляционно. функции вычисленных по предЬ1дущим ординатам случайной функции, а именно )h.p--rj Вычисление гистрограммы F(p) распределения исследуемого случайного процесса осуществляется путем определения накопленных частот для каждого из интервалов 1,р, при :этом шаг квантования может выбираться в соответствии с выражением где Р - максимальное количество интервалов Гистограммы распределения. Вычисление модьс MQ слу1айного процесса осуществляется на основе формулы,.Устройство работает следующим образом. Перед началом работы все блоки и элементы устройства ;устанавливаются в исходное (нулевое) положение. Затем в устройство извне по соответствующим входам и в соответствии с режимом вычисления засылаются исходные величины и коэффициенты. . Работа устройства по вычислению гио тограммы распределения н моды будет я на из поясие гнй к процессу обработки А -ой ординаты случайнотю процесса. Значение i -ой ординаты случайного процесса x(fc) поступает ,во входной ре гистр 1, с выхода которого в нормализо ванном В1зде передается на вход суммато ра 3, В зависимостн от введенного значени коэффициента нормалнзашш К орм О, К блок 12 нормализации осуществляет поразрядную передачу Х в сумматор 3 со сдвигсял в сторону старших ра эядов. Та ким образсм, При г -разрядной сетке сум маторк 3 и регистров 1,8,11,5 и о-разр дном числе Xi ( Y1 О ), последнее заням т место в сумматоре 3 после нормалиации с старших разрядов; (п - с ) младих разрядов сумматора 3 не использутся. Количество ячеек блока 6 памяти, в которых хранятся накапливаемые частности гистограм.№1 распределения, должно быть больше или равно величине. Коэффициент нopv aлизaшra К цорм бирается исходя из установленного соотношения между значениями п и с . Величина п является постоянной для устройства, а с определяется максимальным значением ординат исследуемого случ айного процесса. Например, при , С- - разрядное число X; передается в сумматор 3 без сдвига, при ,, число Х передается в сумматор 3 в его п , 2 старшие разряды и т.п. Занесенное в сумматор 3 число , далее подается на адресный, третий, вход блока 6 памяти, после чего по команде с блока 10 управленияв выбранную ячейку блока 6 памяти заносится значение накопленной частоты по выбранному интервалу гистограммы увеличивается на 1. На этом обработка текущего числа Х заканчивается, и устройство переходит к обработке следующей . ординаты входного случайного процесса. По окончании N цикловобработки ординат исследуемого процесса в п ячейках блока 6 памяти оказываются значения накопленных частностей, являющихся оценкой гистограммы распределения исследуемого случайного процесса. Определение моды Мд осуществляется следующим образом. По команде с блока Ю управления адресная ячейка блока 6 памяти, а также регистры 8,11 и 5 устанавливаются в начальное (нулевое) положение, содерясимое 9 первой ячейки блока 6 памяти передается через регистр 8 числа в регистр 11 итога. Рассмотрим процедуру определения моды на примере стандартного машиннога цикла. Пусть, например, к моменту i - того цикла в регистре 11 итога находится значение , а в регистре 8 числа -значение соответственно К-ой и ч ячеек блока 6 памяти, причем К ) . Содержимое регистров 8 и 11 подаютсл на входы сумматора 3, причем значение числа , занесенного в регистр 8 числа, подается на сумматор 3 в дополнительном коде. Поэтому значения 9li и Я| на сумматоре 3 .взаимно вычитаются. Еоли при этом оказывается, что , содержимое регистра 8 числа передается в регистр 11 итога, и по переносному вх ду блока 6 памяти с выхода сумматора 3 в адресную ячейку заносится 1. Если 9i содержимое регистра И итога остается неизменным, а в регистр 8 числа заносится i+-(;- значение ( ) .ячейки блока 6 памяти. Далее устройств переходит к следующему (-f +1) циклу ср внения. По окончаний процесса перебора всех ячеек памяти в накапливающий регистр 5 передается из адресного выхода блока памяти значение К-номер ячейки i к, i содер жащей максимальное значение накопленной частности. Величина К и является оценкой моды исследуемого случайного процесса. Формула изобретения 1. Вероятностный коррелометр, содержащий регистр, первый и второй входы которого являются соответственно первым и вторым входами коррелометра, третий и четвертый входы регистра подключены соответственно к выходу накапливающего регистра и к первому выходу блока управления, второй, третий и четвертый вь ходы которого соединены соответственно с управляющими входами накапливающего регистра, регистра итога и блока модификации команд, первый, второй и третий информационные входы которого являются соответственно третьим, четвертым и пятым входами коррелометра, чет- вертый информационный вход блока модификации команд объединен с первыми инфopvIaци6нными входами регистра итога, накапливающего регистра и с информационным входом блока вероятностного умно жения, и подключен к первому выходу сумматора, первый, второй, третий и четвертый входы Которого подключены соответственно к первому выходу регисугра числа, к выходам регистра итога, блока модификации команд, генератора случай.ных чисел, второй выход сумматора соединен с первым информационным входом .блока памяти, первый выход которого подключен ко входу регистра числа, управляюцщй вход которого подключен к пятому выходу блока управления, шестой, седьмой и восьмой выходы которого подключены соответственно к управляющим входам блока анализа знака, блока вероятностного умножения и блока памяти, второй информационный вход которого подключен к выходу блока анализа знака, информационный вход которого соединен с выходами блока вероятностного умножения, вход блока управления является шестым входом коррелометра, отличающ и и с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет Шэ1числения гистограммь и моды распределения, в коррелометр введен блок нормализации, первый вход которого является седьмым входом коррелометра, второй вход соединен с выходом регистра, выход блока нормализации соединен с пятым входом сумматора, второй выход регистра числа соединен со BTOJ,IM информационным входе регистра итога, второй информационный вход накапливающего регистра соединен со вторым выходсм блока памяти, третий вход подключен ко второму выходу сумматора. 2. Коррелометр по п. 1, о т л к чающийся тем, что первый и второй входы блока нормализации образованы совокупностью разрядных щин, а блок содержит восемь элементов И и два регистра, разряднь1е входы первого регистра являются первым входом блока нормализации, выходом которого являются выходы второго регистра, входы которого соединены с выходами соответствук щих элементов И, первые три входа каждого элемента И подключены к соответствующим разрядным выходам первого регистра, четвертые входы всех элементов И объединены и соединены с первой, разрядной шиной второго входа блока нормализации, пятые входы элементов И, кроме первого, объединены и подключеныко второй разрядной шине второго входа, шестые входы элементов И, кроме первого и второго, объединены и подключены ктретьей разрядной шине второго входа, седьмые входы элементов И, кроме первых трех, объединены и подключены к четвертой разрядной шине второго входа, восьмые входы элементов И, кроме перьвых четырех,, объединены и соединены с пятой шиной второго входа, девятые входы элементов И, кроме первых пяти, объединены и подключены к шестой разрядной шине второго входа, седьмая разрядная шина которого соединена с десятыми входами седьмого и восьмого элементов И, одиннадцатый вход восьмого элемента И соединен с разрядной шиной второго вхоаа блока нормализации. Источники инфо1машш, „..„j..M.u,,iu принятые во внимание при экспертизе5 кл. 892449 № по

.} 1.Авторское свидетельство СССР 524184, кл. G 06 F 15/336, 1975. 2.Авторское свидетельство СССР заявке N 28ОО942/18-24, заявке J№ iic5UUy4,2/18-24 Q Об F 15/336. 1979 (г ототип).

9

Ъ&

пппп