Вероятностный коррелометр Советский патент 1982 года по МПК G06F17/15 

t

Изобретение относится к цифровой аымислительной технике и предназначено для вычисления математического

.ожидания, дисперсии, авто- и взаимокорреляционной функции, а также определения амплитуды и (|)азы периодической составляющей исследуемого случайного процесса.

Изобретение может найти применение во многих областях науки и техники (гидрометеорология, ядерная физика, медицина, биология связь и др.), где исследуемые процессы носят случайный характер.

Известен коррелометр, содержащий блоки крутого и точного квантования, блоки умножения, блок памяти, блок усреднения, регистры, блоки элементов И, счетчики, коррелометр позволяет выделить периодическую составляющую ll.

Однако с его помощью нельзя определять ее амплитудно-фазовые характеристики.

Из известных вероятностных коррелометров наиболее близким по технической суцности к предлагаемому является вероятностный коррелометр,, содержащий первый и второй блоки вероятностного кодирования, блок сдвигающих регистров, блок памяти, блок умножения, выходы которого соединены с выходами каналов преобра зования, генератор псевдослучайных

to чисел, подключенный своими выходами к вторым входам соответственно первого и второго каналов преобразования, блок вентилей, счетчик кратности, регистр, d такие блок управлеtsния , подключенный саоими управляющими выходами к входом бгюков и узлов устройства 2.

Недостатком (.-ззестного устройства являются ограниченныэ:функциональные

возможности, не позволя сщие производить вычисление амплитудно-фазовых характеристик периорической составляющей случайного процесса. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет выявления периодической составляюще случайного процесса и определения ее амплитудно-фазовых характеристик Поставленная цель достигается тем, что в вероятностный коррелометр, содержащий два блока элементов И, регистр, счетчик, первый и второй блоки вероятностного кодирования, первые входы которых являютс соответственно первым и вторым вход ми коррелометра, а вторые и третьи входы блоков вероятностного кодирования соединены соответственно с со ответствующими выходами генератора псевдослучайных чисел и с первым и вторым выходами блока управления, выход первого блока вероятностного кодирования подключен к первым входам первого блока элементов И и бло ка умножения, выход которого соедин с первым входом блока памяти, второ вход которого объединен о вторым входом блока умножения и подключен к первому выходу второго блока веро ятностного кодирования, четвертый вход которого соединен с выходом блока памяти, выход nepBdro блока элементов И через блок сдвигающих регистров подключен к четвертому входу первого блока вероятностного кодирования, управляющие входы перв го блока элементов И, блока умножения, блока сдвигающих регистров, генератора псевдослучайных чисел и блока памяти соединены соответственно с третьим, четвертым, пятым, шестым и седьмым выходами блока управления, введен блок анализа результатов сравнения, вход которого соединен с вторым выходом второго блока вероятностного кодирования, а выходы подключены соответственно к суммирующему и вычитающему входам счетчика и к первому входу второго блока элементов И, второй вход кото рого подключен к третьему выходу второго блока вероятностного кодирования, выход второго блока элемен тов И подключен к входу регистра, выход которого подключен к пятому входу второго блока вероятностного кодирования. Кроме того, блок анализа результатов сравнения содержит три элемен та И, счетчик, формирователь импуль сов, два триггера и элемент задержки первый вход первого триггера. первые входы первого и второго элементов И и вход счетчика объединены и являются входом блока анализа результатов сравнения, выходами которого являются соответственно выходы первого и второго элементов И и формирователя импульсов, вход которого подключен к выходу третьего элемента И, входы которого подключены соответственно к первымвыходам первого и второго триггеров, вход второго триггера подключен к выходу счетчика , а второй выход второго триггера подключен ко второму входу второго элемента И, первый выход второго триггера соединен с вторым входом первого элемента И, второй выход формирователя импульсов через элемент задержки соединен с вторым входом первого триггера. На фиг. 1 представлена блок-схема вероятностного коррелометра; на фиг. 2 - схема бхюка управления; на фиг. 3 схема блока анализа результатов сравнения; на фиг. и 5 структуры блоков вероятностного кодирования. Устройство содержит блоки 1 и 2 реооятностного кодирования, генератор 3 псевдослучайных чисел, блок Ц умножения, блок 5 памяти, блок 6 элементов И, блок 7 сдвигающих регистров, счетчик 8, блок 9 управления, блок 10 анализа результата сравнения, регистр 11 и блок 12 элементов И. На фиг. 2 изображена структурная схема блока 3 управления, содержащего счетчик 13 шагов, счетчик 1 кратности стохастического преобразования, счетчик 15 циклов, формироватеяь 16 одиночного импульса, генератор 17 тактовых импульсов, элемент И 18, элемент 19 задержки, элемен И 20, блок 21 анализа, триггер 22, блоки 23 и 2 анализа, счетчик 25 вре менных интервалов элементы И 26, 27, элемент ИЛИ 28, триггер 29. На фиг. 3 приведена структурная схема блока 10 анализа результатов, содержащая счетчик 30, элементы И 31-33, триггеры З и 35, формирователь 36 импульсов и элемент 37 задержки. На фиг. k изображена структурная схема блока 1 вероятностного кодирования, содержащего блок 38 элементов И, регистр, 39, схему сравнения, а также накапливающий регистр 1. При этом первый вход блока 38 элементов И соединен с выходом блока 7 сдвигающих регистров, второй вход с информационным входом устрой ства , а управляющий вход - с выходо блока Э управления. Блок 38 элемент И через регистр 39 соединен с первы входом схемы kO сравнения, второй вход которой соединен с выходом ;генератора 3 псевдослучайных чисел, а выход - через накапливающий регис Ц, в котором в процессе счета форм руется значение математического ожидания, - соединен с входами блок умножения и блока б элементов И.. На фиг. 5 представлена структурная схема блока 2 вероятност юго ко дирования, содержащего блок k2 элементов И, регистр 43, схему 44 срав нения, накапливакйций регистр kS, в котором в процессе счета формируется математическое (ииидание случай ного процесса, элемент И 46, а также блок 47 элементов И.. Первый вход блока 42 элементов И соединен с выхсдом блока Б памяти, второй вход с вторым входом устройства, а-третий, управляющий вход, соединенный с управляющими входами блока 47 элементов И и элемента И 4 подключен к выходу блока 9 управления. вход блока 42 элементов И соединен Wepea регистр 43 с первым входо 44 сравнения, второй вход которой соединен через блок 47 элемен тов И с выходом генератора 3 псевдо случайных чисел и с выходом регистр 11, выход схемы 44 сравнения соединен через накапливающий регистр 45 с входом блока 5 памяти и входом блока 4 умножения и через элемент И 46 - с входом блока 10 анализа результата ср авнения. г « « Блоки I и 2 предназначены для вероятностного кодирования ординат процессов x(t) и 2(t), которое состоит в замене входного многоразрядного двоичного или десятичного числа в одноразрядное двоичное путем сравнения его на схемах 40 и 44 сравнения с псевдослучайными числами, подаваемыми с соответствующих выходов генератора 3 Параллельно с вычислением корреляционной функции в ре гистрах 41 -и 43 происходит также накопление кодированных значений ординат процессов x(t) и z(t) cootветственно. В отличие от блока 1 блок 2 содержит элемент И 46, через который со схемы 44 сравнения на вход блока 10 анализа подается результат сравнения, О или 1, используемый для выявления значения (Kx/z}fnci i по вычисленной взаимокорреляционной функции. Устройство работает следующим образом. Перед началом работы все узлы и блоки коррелометра устанавливаются в начальное (нулевое) состояние. Случайный процесс, представленный в дискретном виде, поступает на вход блока 1 вероятностного кодирования (при вычислении автокорреляционной функции) и на входы блоков.1 и 2 (при вычислении взаимокоррёляционноЙ функции, амплитуды и фазы исследуемого случайного процесса). Вычисление автокорреляционной функции осуществляется по формуле б;«м, где N - длина с 15рабатываемого ряда чисел, ,N; ID - количество вычисляемых ординат корреляционной функции;X - центрированное текущее значение исследуемого процесса.. Вычисление взаимокорреляционной функции производится по формуле 114 . 1 - текущие центрированные значения процес ; сое. )HX{t),i .N Вычисление амплитуды А периодической составляющей случайного проесса x(t) и его фазы Чх производитя по формулам А . WtHOICU) АИ .уив ., U AttF CUjAt, (1) - вычисленное максима льное значение взаимокорреляционнойфункции процессов z(tR) и-х(1ц),К-1,М; A - нормированное значе ние амплитуды проце са z(t); - круговая частота пр цесса z(t) ; At - шаг квантования (временной интервал между двумя соседни ми ординатами случайных процессов z(t) и x(t), m(z. ...„(t)) - номер ординаты проТпЧХ/ . цесса z(t), принимающей максимальное значение на первом периоде; i( (1)) - номер ординаты взаи . мокорреляционной функции, имеющей максимальное значение. Режим вычисления корреляционных функций рассмотрен при условии, что на вход блока 1 поступает процесс x(t), а на вход блока 2 - процесс z(t). : Весь процесс вычисления корреляционной функции для N пар ординат случайных процессов состоит из N циклов, а в каждом из которых производится прием, преобразование пар ординат и коррекция промежуточных результатов m вычисленных ординат корреляционной функции. Каждый из Н указанных цик;юв состоит из m шагов. При вычислении автокорреляцион ной функции исследуемый случайный процесс подключается на входы x(t) и z(t) соответственно блоков 1 и 2. При вычислении взаимокорреляционных функций и К.2./ каждый из двух случайных процессов подается на соответствующие входы x{t) и z(t) бло ков 1 и 2. В начале вычисления взаимокорреляционной функции Ку/ в блок 7 сдвигающих регистров заносит ся через блок 1 и блок 6 элементов m значений орданит процесса x(t). По входу z(t) блока 2 вероятностного кодирования поступает первая ордината процесса z(t). В первом цикле вычисления К пошагово вычисляются произведения вида Xj - z , m-1, которые передаются в соответствующие m ячеек блока 5 памяти. По первому шагу первого цикла из блока 7 сдвигающих регистров в блок 1 передается ордината к-(, (Которая центрируется по начальному введенному значению т,, вероятностно кодируется и передается на первый вход блока Ц умножения. По этому же шагу на вход блока 2 поступает ордината z , которая центрируется по введенному начальному значению т, вероятностно кодируется и поступает на второй вход блока умножения. Полученное произведение переда ется на интегратор блока 5 памяти (не показан), где суммируется с содержимым интегратора, частичной суммой, соответствующей номеру m ординаты вычисляемой .корреляционной функции. В зависимости от задаваемой точности вычисления блок 9 управления определяет кратность кодирования Зе , т.е. повторяемость в вычислении произве-. дения Xj Zyf и накоплении его в интеграторе блока 5 памяти. По второму шагу блок 3 управления выдает синхронизирующий импульс, по которому информация в блоке 7 сдвигающих регистров сдвигается на один регистр вправо, информация из интегратора блока 5 памяти переписывается в первую ячейку памяти, а содержимое второй (следующей) ячейки памяти передается в интегратор. Таким образом, к началу реализации второго шага первого цикла ордината X 2 передается в блок 1 вероятностного кодирования, центрируется, вероятностно кодируется и умножается на центрированное и вероятностно кодированное значение ординаты z.. Процесс перемножения и накопления произведения х.. i на интеграторе повторяется х раз. На этом второй шаг вычислений по первому циклу заканчивается и начинается следую- щий, третий, шаг вычислений произведения х. z и так далее, до т-ого шага, на котором производится вычисление произведения и накопление его j раз на интеграторе блока 5 памяти. По каждому из m шагов цикла происходит также накопление в регистре блока 1 (не показан) значений ординат процесса, что позволяет вычислять функцию математического ожидания процесса x(t) и использовать его в дальнейших вычислениях К. Тот же процесс накопления значений ординат процесса z(t) осуществляется в блоке 2 вероятностного .кодирования. По окончании L циклов, кратных степени 2, блоки 1 и 2 формируют на своих выходах оценки функций математических ожиданий про цессов x(t) и z(t). Второй (в общем случае, каждый следующий) цикл начинается с.приема m+l (в общем случае, i+1) ординаты процесса x(t) блоком 1 и приема вто рой (в общем случае, i+2-m) орди;наты Процесса z(t) блоком 2.По ко-; /мандам с блока 9 управления блок 7 сдвигающих регистров осуществляет циклический сдвиг информации так, что первая ордината процесса x(t) исключается, ее место замещает вторая ордината, место второй ординаты замещает третья и так далее. Место т-ой ординаты замещается принятой во втором цикле (т+1)-ой ординатой. Далее происходит вычислени корреляционных произведений и их накопление в ячейках блока 5 памяти по рассмотренной выше схеме. По окончании приема N-ой ординат процесса z(t) (т.е. по завершении N-oro цикла ординат) в блоке 5 памя ти оказываются значения накопленных сумм, которые после нормализации (сдвига) с учетом заданной кратност кодирования выступают как оценки ор динат взаимокорреляционной функции Кх/2При вычислении амплитудно-фазовы характеристик процесса x(t) на вход z(t) устройства поступает нормализованный процесс z(t), так что А «i где Р - целое положительное, число. Указанное условие облегчает получение А, которое, как вид но из вышеприведенной формулы, сводится к сдвигу значения Кх/1уц„. (П в сторону младших разрядов на Р, либ к съему информации с (Р+1) и более старших разрядов ячеек блока 5 памя ти, что и реализовано в предлагаемом устройстве. Отличие в функционировании устройства при совместном вычислении взаимокорреляционной функции и амплитудно-фазовых характеристик гармонической составляющей (например, процесса x(t) состоит в следующем. Как и при вычислении корреляционных функций, первые m значений процесса ) заносятся в блок 7 сдвига ющих регистров, но в каждом из N |Циклов последовательного вычисления рдинат Ку|у дополнительно произ водятся следующие действия. Каждой из значений z случайного процесса z(t) сравнивается со значением, содержащимся в регистре 11. Сравнение осуществляется в блоке вероятностного кодирования по одному из .известных алгоритмов, например, по методу вычитания. Блок 10 анализа результатов сравнения принимает с блоком 2 код результата сравнения и, если блок 12 элементов И открывается, и занесенное в i-OM цикле в блок 2 вероятностного кодирования переписывается в регистр 11, а в счетчик 8 по инверсному входу записывается 1. В противном случае, т.е. если 2 элементов И закрыт. и содержимое регистра 11 не меняется. Однако запись 1 по инверсному входу счетчика 8 осуществляется ив. этом случае. Блок Ю анализа результата сравнения прекращает перебор , при выявлении (предполагается, что z(t) - монотонно меняющийся случайный процесс), в результате чего в регистре 11 оказывается число 2,, а в счетчике 8 - значение номера максимальной ординаты tz rtc«{t.)l. Дальнейшие t,a,i(t) циклы вычисления осуществляются по описанной выше типовой схеме. По окончании процесса вычисления взаимокорреляционной функции производится вычисление амплитудного значения периодической составляющей, что реализуется путем перебора значений ординат взаимокорреляционной функции . и выявления (К). Для этого значения ординат KX/J поступают последовательно из блока 5 памяти в блок 2, где сравниваются с содержимым регистра 11 (предварительно, по команде с блока 9 управления регистр 11 устанавливается в нулевое состояние). В результате S циклов сравнения () в регистре 11 оказывается значение ) сдвинутое на Р разрядов, отображение которого и есть значение А. Параллельно с нахождением (Kyj, ),j, блок 10 анализа результата сравнения записывает в каждом цикле сравнения 1, по прямому входу счетчика 8, так, что к концу циклов сравнения в счетчике формируется разность -m(K./2:))il характеризующая фазовый сдвиг процесса x(t) по сравнению с процессом z(t). Истинное значение фазового сдвига fy определяется умножением полученно го в счетчике 8 значения на априорно известные знамения cw и &t. Работа блока 9 управления заключается в следующем. Для организации суммирования х- и промежуточного итога х вырабатывается управляющий сигнал с элемента И 26 после прихода сигнала Начало цикла. Сигнал Начало цикл это синхронный сигнал конца преобразования аналого-цифрового преобразователя (не показан). На второй вход элемента И 26 подан сигнал с выхода триггера 29. Триггер 29 подготавливается после прихода в схему сигнала Пуск из внешнего устройства (не указано) и сбрасывается либо сигналом начальной установки с того же внешнего устройства или сигналом, Конец режима с выхода элемента И 27. Сигнал с выхода элемента И 26 подготавливает .(взводит в единичное состояние) триггер 22, взводит формирователь 16 и приходит в коррелометр. Для организации центрирования ординаты управляющий сигнал, являющийся первым по времени тактовым си налом с генератора 17, проходит через подготовленный элемент И 18 и формирователь 16 одиночного импульса в схему коррелометра на вход бло ка 1 вероятностного кодирования. После прохождения элемента 19 задержки этот сигнал поступает на счетный вход счетчика I, с выходов которого вырабатываются сигналы сдвига генератора 3 псевдослучай.ных чисел (фиг. 1) и организации вероят ностного кодирования входных значений на блоках 1 и 2. После исчерпания кратности стоха тиЦеского сравнения сигнал с выхода последнего разряда счетчика 1 пост пает на счет в счетчик 13 шагов. Пр изменении состояния счетчика 13 организуется синхронный сдвиг блока 7 сдвигающих регистров и блока 5 па мяти. Далее продолжается управление, организуемое со счетчика 1 KpatHOCTH. После переполнения счетч |ка 13 и переполнения счетчика 1 с выхода элемента И 20 организуется счет счетчика 15, сброс триггера 22 и стробирование схемы анализа для счетчика временных интервалов. После того, как сброшен триггер 22, запрещен проход тактовых сигналов из генератора 17 через элементы 16, 18 на счетчик 1. Работа этих элементов начинается после прихода следующего сигнала Начало цикла. Выдача сигналов Начало цикла организуется после выработки сигнала конца временного интервала со схемы анализа. Этот сигнал организует объем информации с аналого-цифрового преобразователя (не показан). При изменении содержимого счетчика 13 циклов происходит анализ его содержимого на кратность числа циклов некоторому числу г, определяющему границу участка стационарности на выборке ординат случайного процесса. Если вновь образуемое число на счетчике 15 не кратно г, то ничего более не происходит в данном цикле.: Если же число кратно г, то на выходе схемы анализа образуется сигнал, который организует замену величины на новое - т; Режим заканчивается после достижения содержимого счетчика 15 заданному числу N, что выявляется на схеме 2 анализа. Сигнал с выхода схемы 2 сбрасывает счетчик 15 и стробирует один вход конъюнктора (элемента) 27. После переполнения счетчика 13 в этом цикле режим заканчивается и сбрасывается триггер 29. Если , то на установочный вход триггера 3 поступает код 1, триггер 3 меняет свое состояние на противоположное, и с его единичного выхода на входах счетчика 30 и элемента И 311 озбуждается сигнал, который передается через формирователь 36 на управляющий вход блока 12 элементов И . Последний открывается, и занесенное в i -ом цикле в блок 2 z.j переписывается в регистр 11. Одновременно через элемент И 32 на инверсный вход счетчика 8 поступает 1. По окончании прохож Е ения указанных сигналов на нулевой вход триггера 3 приходит с элемента 37 сигнал, который устанавливает триггер 3 в нулевое (начальное) положение, подготавливая, таким образом, блок 10 анализа результатов к новому такту сравнивания. Если же ,,,jn(, то триггер 3 в единичное положение не устанав ливается, и блок 12 элементов И ока зывается закрытым. В то же время запись 1 по инверсному входу счет чика 8 осуществляется и в этом случае. По окончании процесса вычисления сигналу переполнения счетчика 30 триггер 35 устанавливается 8 един ичное положение, при этом эле мент И 3,1 открывается и блок 10 анализа результата сравнения подготавливается к вычислению фазового сдвига. Последнее осуществляется параллельно с нахождением реализуется путем записывания Ч через коныонктор 33 по прямому входу счетчика 8, так что к концу S циклов сравнения в счетчике 8 форми руется разность F mtz nci«l-mtKx/zn J Расширение функциональных возмож ностей за счет выявления периодичес кой составляющей случайного процесса и определения ее амплитудно-фазовых характеристик не снижает его технико экономических показателей, в частно ти быстродействия и степени сложнос ти устрсййства (по сравнению с извес ным устройством). Предлагаемое устройство вычисляе фазу и амплитуду периодической соетавляющей в реальном масштабе време ни, причем введение новых функциональных блоков не сужает частотных границ исследуемого случайного процесса. Это объясняется теи, что вычисление вспомогательных .величин, а именно mfz,,, и ,осущвствляется соответственно в начале и в конце основного процесса - вычисления взаимокорреляционной функции. Общие затраты машинного времени на вычисление указанных параметров составляют доли процентов от машинн го времени, потребного для вычисления вза|1мокорреляционной функции. Формула изобретения 1. Вероятностный коррелометр, содержащий два блока элементов И, регистр, счетчик, первый и второй блоки вероятностного кодирования. 001 первые входы которых являются соответственно первым и вторым входами коррелометра, а вторые и третьи входы блока вероятностного кодирования соединены соответственно с соответствующими выходами генератора псевдослучайных чисел и с первым и вторым выходом блока управления, выход первого блока вероятностного кодирования подключен к первым входам первого блока элементов И и блока умножения , выход которого соединён с первым входом блока памяти, второй вход которого объединен с вторым входом блока умножения и подключен к первому выходу второго блока вероятностного кодирования, четвертый вход которого соединен с выходом блока памяти, выход первого блока элементов И через блок сдвигающих регистров подключен к четвертому входу первого блока вероятностного кодирования, управляющие входы первого блока элементов И, блока умножения, блока сдвигающих регистров, генератора псевдослучайных чисел и блока памяти соединены .соответственно с третьим, четвертым, пятым, шестым и седьмым выходами , блока управления, отличающ и и с я тем, что, с цел.ью расширения функциональных возможностей за счет определения периодической составляющей входного процесса и определения ее амплитудно-фазовых характеристик, в коррелометр введен блок анализа результатов сравнения, вход которого соединен с вторым выходом второго блока вероятностного кодирования, а выходы подключены соответственно к суммирующему и вычитающему входам счетчика и к первому входу второго блока элементов И, второй вход которого подключен к третьему выходу второго б.лока вероятностного кодирования, выход второго блока элементов И подключен к входу регистра, выход которого подключен к пятому входу второго блока вероятностного кодирования. 2. Коррелометр по п. 1, о т л и- чающийся тем, что блок анализа результатов сравнения содержит три элемента И,, счетчик, формирователь импульсов, два триггера и элемент задержки, первый вход первого триггера, первые входы первого и второго элементов И и вход счетчика объединены и являются входом блока анализа результатов сравнения, выходами которого являются соответственно выходы первого и второго элементов И и формирователя импульсов, вход которого подключен к выходу третьего элемента И, входы которого подключены соответственно к первым выходам первого и второго триггеров, вход второго триггера подключен к выходу счетчика, а второй выход второго триггера подключен к второму входу второго элемента И, первый выход второго триггера соединен с вто9016 рымвходом первого элемента И, второйвыход формирователя импульсов черезэлемент задержки соединен с вторымвходом первого триггера. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Техническое описание коррелометра X 6-. г. Каунас. 1975. л. 20. 2.Авторское свидетельство СССР по заявке ff 2723023/18-2 |, «л. G 06 F 15/336, 1978 (прототип).

UQ.I

«