Вероятностный спектрокоррелометр Советский патент 1982 года по МПК G06F17/10 G06F17/15 

Изобретение относится к вычислител ной технике и предназначено для стати ческой обработки информации в реальном времени, используемой для решения большого класса научно-технических задач. Известно устройство для вычисления статистических характеристик случайных процессов р. Основным недостатком этого процесса является последовательный процесс вычисления статистических характеристик: вначале значений корреляционной функции, а затем - значений спектраль ной плотности мощности. При вычислени спектральной плотности мощности на ос новании Фурье-преобразования корреляционной функции необходимо многократно вероятностно кодировать как значение корреляционной функции, так и значение косинуса. При достижения удовлетворительной точности вычисления спектральной плотности мощности (5-10%) требуется кратность кодирования, в сотни раз превышающая кратность кодирования при вычислении корреляционной функции. Оба обстояте льства приводгт к относительно большим временным затратам. Наиболее близким по технической сущности к Предлагаемому является вероятностный спектрокоррелометр, содержащий блок центрирования, первый вход которого является входом спект|зйкоррелометра, а выход подключен к первому входу первого блока вентилей, выход которого соединен с первым входом блока вероятностного округления , выход которого соединен со входом динамического регистра, охваченного обратной связью, выход которого подключен к первому бходу регистра числа, первый выход которого .соединен с первым входом первого блока сравнения, выход которого подключен к первому входу блока вероятностного умножения, второй вход которого подклю- чем к выходу второго блока сравнения а выход соединен с информационным входом блока памяти, первый выход которого подключен.ко второму входу блока центрирования, второй через блок определения коэффициента Масшта ба соединен со вторым входом первого блока вентилей, второй вход блока вероятностного округления, второй вход первого и первый вход второго блоков сравнения соединены соответственно с первым, вторым и третьим выходами генератора случайных чисел, второй вход второго блока сравнений подключен к выходу блока вероятностного округления, управляющие входы первого блока вентилей, динамическог регистра, блока памяти и регистра числа соединены соответственно с пер выми четырьмя выходами блока управле ния, генератор гармонических функций и второй блок вентилей, первый и второй входы которого подключены соответственно к выходу генератора гар монических функций и ко второму выхо ду регистра 2. Основным недостатком известного вероятностного спектрокоррелометра является недостаточная точность вычисления корреляционной функ1 и и плотности мощности при небольших выборках. Цель изобретения - повышение томности и быстродействия при небольших выборках для высококачественных процессов. Поставленная цель достигается тем что в вероятностный спектрокоррелометр, содержащий генератор гармонических функций, блок центрирования, первый вход которого является первым входом спектрокоррелометра, а первый выход соединен с первым входом блока вероятностного умножения, блок динамических регистров, охваченный по первому входу обратной связью, выход которого подключен к первому входу регистра числа, выход которого соеди нен с первым входом блока сравнения, второй вход которого подключен к пер вому выходу генератора псевдослучайных чисел, второй выход которого соединен со вторым входом блока центри рования, выход блока сравнения подключен ко второму входу блока вероят ностного умножения, блок памяти, пер вый выход которого соединен с третьим ВХОДОМ блока центрирования, со вторым входом регистра числа и со входом блока масштабирования, выход которого подключен ко второму входу блока динамических регистров, первые пять выходов блока синхронизации подключены соответственно к третьему входу блока динамических регистров, к четвертому входу блока центрирования, к третьему входу блока вероятностного умножения, к первому входу блока памяти, к третьему входу регистра числа, введены три триггера и блок формирования приращений суммарного результата, первые входы первого и второго триггеров объединены и являются вторым входом спектрокоррелометра, второй вход первого триггера подключен к первому выходу генератора гармонических функций, второй выход которого соединен с пятым Входом блока центрирования, шестой вход которого объединен с четвертым входом блока вероятностного умножения и подключен к выходу регистра числа, четвертый вход которого объединен с четвертым входом блока динамических регистров и с четвертым входом блока вероятностного умножения и соединен со вторым выходом блока центрирования, первый выход которого подключен к третьему входу первого триггера и ко второму входу второго триггера, третий вход второго триггера подключен ко второму выходу блока динамических регистров, выход второго триггера соединен с первым входом блока формирования приращений суммарного результата, второй, третий, четвертый , пятый и шестой входы которого подключены соответственно к выходам первого триггера блока вероятностного умножения, к шестому выходу блока синхронизации, к первому выходу блока памяти и к выходу третьего триггера, первый и второй выходы которого подключены соответственно к первому выходу блока формирования приращений суммарного результата и ко второму выходу блока памяти, выход третьего триггера подключен ко второму входу блока памяти, третий вход которого подключен ко второму выходу блока формирования приращений суммарного результата, выход первого триггера соединен с пятым входом блока динамических регистров, вход генератора псевдослучайных чисел подключен к седьмому выходу блока синхронизации. 5 На чертеже представлена блок-схе ма предлагаемого вероятностного спе трокоррелометра, Вероятностный спектрокорреломет содержит блок 1 центрирования, гене тор 2 псевдослучайных чисел, триг гер 3 знака первого сомножителя, триггер знака второго сомножителя генератор 5 гармонических функций, блок 6 масштабирования, блок 7 дина мических регистров, блок 8 вероятностного умножения, блок 9 синхронизации, регистр 10 числа, блок 11 формирования приращений суммарного результата,блок 12 памяти, блок 13 сравнения,триггер 1 знака результьт Спектрокоррелометр в режиме вычисления спектральной плотности мощ ности ) реализует следующий метой вычислений, Исследуемая временная последова тельность x(l,At),состоящая из N членов (i 1,N), разделяется на К Iучастков,.состоящих из q членов каж дый (N Kq).Затем для каждого учас ;ка вычисляется точечная оценка пери дограммы и производится усреднение найденных периодограмм по всем имею щимся участкам, т.е. вычисление р ( производится согласно формуле 5хСр-тК Че Г-° Х А«. eU) .) точечная -оценка периодограммы (для 1 - того участка); X g - центрированная ордината временной последовательности. При вычислении корреляционной функции используется следующая формулаМР N i N-f . р - номер текущей ординаты корреляционной функции. Рассмотрим работу спектрокоррелометра при вычислении спектральной плотности мощности. 3 Перед началом работы вероятностного спектрокоррелометра по команде Начальная установка все блоки устройства устанавливаются в исходное состояние, блок 12 памяти и блок 7 динамических регистров обнуляются, после чего устройство готово к работе . Ординаты исследуемого случайного процесса, представленные дискретным кодом по входу 1 и знаком ординаты по входу 2, записываются в блок 1 центрирования и в триггеры знаков сомножителей 3 и . В блоке 1 центрирования производится центрирование ординаты х, . т.е. выполнение действия п - оценка математического ожидания, находится в регистре блока 1 центрирования. В случае, если вычитаемая величина т больше по абсолютной величине, чем х, то знак ординаты, хранящийся на триггерах 3 и , меняется по сигналу из блока 1. После центрирования ордината X. и ее знак записываются из блока 1 центрирования и триггера знака 3 в блок 7 динамических регистров по сигналу с блока 9 управления. Содер жимое блока 7 динамических регистров сдвигается на один разряд вправо, освобождая входные разряды для за1писи следующей ординаты. После заполнения блока 7 динамических регистров начнется процесс вычисления точечной оценки периодограммы 1-го участка. При этом производятся следующие действия, первое число из блока 7 динамических регистров заносится на вход регистра 10 числа по сигналу из блока 9 управления, из регистра 10 числа информация подается на вход блока 13 сравнения, где сравнивается с числом, поступающим с генератора псевдослучайных чисел. Одновременно число с генератора 5 гармонических функций подается на вход блока 1 центрирования, где сравнивается с числом, по ступающим из генератора 2 псевдослучайных чисел. Используемый в спектрокоррелометре метод представления числа многосимвольным, вероятностным кодом предполагает мгновенные значения вероятноЪти произведения чисел, зависящие от -(исла некодируемых разрядов и от результата кодирования прочих разря7дов. Для простоты рассмотрим перемн жение двух чисел, представленных трехсимвояьным кодом (табл. 1). Представленные компоненты (старший разряд 1 множителя, результат вероятностного кодирования всех разрядо кроме старшего первого множителя Р(1), старший разряд второго множителя, результат вероятностного коди рования всех разрядов, кроме старше го, второго множителя Р(11) снимаются с блока 1 центрирования, регис ра 10 числа и блока 13 сравнения таким образом, что старший разряд первого множителя снимается со втор го выхода блока центрирования, результат вероятностного кодирования Р(I) - с первого выхода блока 1 цен рирования, старший разряд второго множителя снимается с выхода регист ра 10 числа, результат вероятностно го кодирования Р(11) - с выхода бло 13 сравнения. В зависимости от сочетания значе ний с выходов выше перечисленных блоков в блоке 8 вероятностного умножения вырабатываются сигналы. Результат вероятностного умножения из блока 8 вероятностного умножения поступает в блок 11 формирова ния приращений суммы, где выр1батывается сигнал приращения для суммирования с промежуточным итогом из блока 12 памяти. Знак суммирования определяется комбинацией триггеров 3 и t знаков первого и второго сомножителей и (sign и sign cos (Sign - и знаком триггера 1 промежуточного значения итоговых сумм . swvi .И X; сусо% -тг- ч iti ч Аналитически знаки суммирования, т.е..выполнение операций либо сложе ния, либо вычитания определяются из следующих соотношений: Сложить при условии , С05 )--, ii л . 1И о ,1 -) --Sig-v.T. У р. vA vftv - д 1 f q. 3 Вычесть при условии / - 5 .e( qrr iM :( q - где + - обозначение операции суммирования по модулю 2 (исключающее ИЛИ); S.igny - инверсия переменной.Арифметические операции сложения и вычитания величин приращений, соответствующих мгновенным значениям вероятностей результата умножения (0,25-1, 0,5-2, 1,0-), проводятся в так называемой счетной арифметике. Это означает, что если величина вычитаемого приращения меньше по абсолютному значению содержимого промежуточного значения итоговых сумм, то в блоке 11 формирования приращений суммарного результата организуется инверсия триггера 1 знака результата и действие вычитания приращения заменяется сложением или вычитанием числа, обеспечивающим получение результата в счетной арифметике. Вышеупомянутые действия поясняются (с примером для трехсимвольного кода) в табл. 2. Процесс вероятностного умножения и связанного с ним накопления итоговых результатов может повторяться в зависимости от числа испытаний, установленных в блоке 9 .управления. Число испытаний 36 определяется величиной выборки номера ординат случайного процесса и требуемой точностью вычислений по соотношению -у где К - коэффициент- 2, определяющий страховку результата от возможных случайных отклонений. По окончании умножения этих величин на блок 1 центрирования и на триггер 3 знака с генератора 5 гармонических функций подается соответствующее значение синуса Sin (Ttij/)) и повторяет процесс вероятностного умножения .Л .. i Результат U(y Ф умножения с выхода блока о вероятностного умножения поступает в блок 11формирования приращений для накопления и затем поступает в блок 12памяти для запоминания. Затем производится сдвиг блока 7 динамических регистров, на регистр 10 числа посту99пает следующее число и вьпиеописанные процессы вероятностного умножения на соответствующие синусы и косинусы повторяются. После q сдвигов блока 7 динамических регистров на блок 1 центрирования из блока 12 памяти поступает на копленная сумма s -cxjs- °0 i-iO C рая транзитом подается на блок 13 сравнения, где производится ее вероятностное f квадрирование . Затем такая же onepauTifl повторяется для другой суммы j.ii-o 1 .Результаты квадрирования, соответствующие j-ному меру вычисляемойточки периодограммы, с выхода блока 8 вероятностного умножения поступают в блок 11 приращений и далее записываются в блок 12 памяти. На этом процесс вычисления j-й точки периодо граммы заканчивается и описанный процесс полностью повторяется для (j + 1)-й точки периодограммы. Так происходит q раз. 3 Затем блок 7 динамических регистров заполняется новыми q значениями случайного процесса. Описанная последовательность повторяется. Так происходит К раз. После окончания вычислений с блока 10 памяти выдаются результаты во внешнее устройство. Можно показать, что точность вычислений при многосимвольном кодировании при одинаковых заданных величинах и N повышается во столько раз по сравнению с односимвольным кодированием, сколько некодируемых символов числа используется в данном способе вычислений. Логика работы блока приращений описывается в табл. 3. Наличие связи с седьмого выхода блока 9 управления на вход генератора 2 псевдослучайных чисел обеспечивает повторяемость результатов при отладке прибора на эталонных процессах. В противном случае наладка прибора затрудняется. IТ а б л и ц а 1

Таблица 2

Таблица 3

. 17 Формула изобретения

Вероятностный спектрокоррелометр, содержащий генератор гармонических функций, блок центрирования, первый вход которого является первым входом спектрокоррелометра, а первый выход соединен с первым входом блока вероятностного умножения, блок динамических регистров, охваченный по первому входу обратной связью, выход которого подключен к первому входу регистра числа, выход которого соединен с первым входом блока сравнения, второй вход которого подключен к первому выходу генератора псевдослучайных чисел, второй выход которого соединен с вторым входом блока центрирования, выход блока сравнения подключен к второму входу блока вероятностного умножения, блок памяти, первый выход которого соединен с третьим входом блока центрирования, с вторым входом регистра числа и с входом блока масштабирования, выход которого подключен к второму входу блока динамических регистров, первые пять выходов блока синхронизации подключены соответственно к третьему входу блока динамических регистров, к четвертому входу блока центрирования, к третьему входу блока вероятностного умножения, к первому входу блока памяти, к третьему входу регистра числа, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и быстродействия, в спектрокоррелометр введены три триггера и блок формирования приращений суммарного результата, первые входы первого и второго триггеров объединены и являются вторым входом спектрокоррелометра, второй вход первого триггера подключен к первому выходу генератора гармонических функций, второй выход которого соединен с пятым входом блока

18

942033

центрирования, шестой вход которого объединен с четвертым входом блока вероятностного умножения и подключен к выходу регистра числа, четвертый вход которого объединен с четвертым входом блока динамических регистров и с четвертым входом блока вероятностного умножения и соединен с вторым выходом блока центрирования, первый выход которого подключен к третьему входу первого триггера ик второму входу второго триггера, третий вход второго триггера подключен к второму выходу блока динамических регистров, выход второго триггера соединен с первым входом блока формирования приращений суммарного результата, второй, третий, четвертый, пятый и шестой входы которого подключены соответственно к вы- , ходам первого триггера, блока вероятностного умножения, к шестому выходу блока синхронизации, к первому выходу блока памяти и к выходу третьего триггера, первый и второй входы которого подключены соответственно к первому выходу блока формирования приращений суммарного результата и к второму выходу блока памяти, выход

третьего триггера подключен к второму входу блока памяти, третий вход которого подключен к второму выходу блока формирования приращений суммарного результата, быход первого триггера соединен с пятым входом блока динамических регистров, вход генератора псевдослучайных чисел подключён к седьмому шяходу блока синхронизации.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

Vc