Адаптивный вероятностный спектрокоррелятор Советский патент 1982 года по МПК G06F17/18 G06F17/15 G06F17/17 

(St) АДАПТИВНЫЙ ВЕРОЯТНОСТНЫЙ СПЕКТРОКОРРЕЛЯТОР

1

Изобретение относится к вычислительной технике и предназначено для статистической обработки информации в реальном времени, используемой для решения большого класса научно-технических задач.

Известен вероятностный спектрокоррелятор, используемый для вычисления статистических характеристик } .

Основным недостатком этого устрой- ,р ства являются значительные затраты времени, возникающие вследствие последовательности процесса вычисления статистических характеристик:вначале корреляционной функции, а затем - )5 спектральной плотности мощности на основе Фурье - преобразования корреляционной функции,, при вычислении которой необходимо многократно вероятностно кодировать как значения 20 корреляционной функции, так и значения косинуса. При этом для достижения удовлетворительной точности вычисления спектральной плотности мощности требуется кратность кодирования, в сотни раз превышающая кратность кодирования при вычислении корреляционной функции. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является известный вероятностный спёктрокоррелометр, реализующий вычисление текущего спектра мощности в реальном масштабе времени.

Этот вероятностный спектрокоррелометр содержит блок .центрирования, первый вход которого является входом спектрокоррелометра, а выход подключен к первому входу первого блока элементов М, выход которого соединен с первым входом блока вероятностного округления, выход которого сое динен с входом динамического регистра, охваченного обратной связью, выход которого подключен к первому входу регистра числа, первый выход которого соединен с первым входом первого блока сравнения,

которого подключен к первому входу блока вероятностного умножения, второй вход которого подключен к выходу второго блока сравнения, а выход соединён с информационным входом блока памяти, первый выход которого подключен к второму входу блока центрирования, второй через блок оп ределения коэффициента масштаба соединен с вторым входом первого блока элементов И, второй вход блока вероятностного округления, второй вход , первого и первый вход второго блоков сравнения соединены соответственно с первым, вторым и третьим, выходами генератЬра случайных чисел, второй вход второго блока сравнения подключен к выходу блока вероятностного округления, управляющие входы первого блока элементов И динамического регистра, блока памяти и регистра числа соединены соответственно с первыми четырьмя выходами блока управления , первый и второй входы второго блока элементов И подключены к выходу генератора гармонических функций и к второму выходу регистра числа , а управляющий вход блока элементов И соединен с пятым выходом блока управления, выход второго блоке элементов И подключен к третьему лвходу второго блока сравнения, третий выход блока памяти соединен с вторым входом регистра числа ,Недостатком известного вероятност ного спектрокоррёлометра, как впрочем и всех вероятностных устройств аналогичного назначения, реализующих двухсимвольный вероятностный метод преобразования информации, является наличие квадратичёской зависимости между временем-и точностью вычислений. Погрешность вычислений в этом случае изменяется по закону 1/4N эе. где N - длина выборки , анализируемого СП,:Э€. - кратность Iвероятностного преобразования, -информации, непосредственно определяющая время вычислений..

является сколько-нибудь ограничивающим фактором при достаточно длинных выборках случайных процессов (например, при N 10000), так как в этом случае вычислительная погрешность значительно меньше CTaTijjстической погрешности вычисляемой оценки статистической характеристики в ряде случаев возникает необходимость s проведении оперативного -анализа быстротекущих процессов ., например в биологии клетки, где получить большие значенй|я N не удается вследствие малого времени существо- ,

вания самого процесса. В подобных ситуациях для получения удовлетворительных значений вычислительной погрешности определения статистических характеристик приходится увеличивать величину до требуемых значений, что нежелательно, так как увеличение 6 в К раз соответствует К кратному уменьшению быстродействия вероятностного спектрокорреЛятора.

5 Для повышения точности вычислениястатистических характеристик можно использовать метод многосимвольного (трех- и более символьного) вероят. ностного кодирования исходной информации. При этом точность вычислений по .сравнению с двухсим ольным вероятностным кодированием, реали-зованным в прототипе, увеличивается не менее, чем B-iJK -k+f /2. раз, где К - количество выбираемых символов при кодировании ( К ...). Вместе с тем ре ализация К-символьного кодирования входной информации сопряжена со значительными затратами оборудования по Сравнению с двухсимвольным кодированием, так как разрядность выходной памяти г в этом случае определяется величиной Q, lognN+K-1, в то время как при двухсимвольном кодировании разрядность определяется величиной Q, 1og2N, Поэтому перспективным направлением в развитии вероятностных измерительных устройств является реализация адаптивной процедуры вычисления статистических характеристик, при которой для выборки объе- мом N из диапазона . Nfpgy, где Nf,- максимальный объем выборки, на которую рассчитано проектируемое устройство, реализуется двухсимвольное кодирование, для выборки объемом N, реализуется трехсмивольное кодирование () итак далее до выполнения равенства , где п - разрядность входной информации устройства. (Для наиболее распространенного случая, когда , максимальное значение К). При этом величины , ,2,3..., со.ответствующие выбранному К - символьному кодированию, выбираются таким образом, чтобы разрядность выходной памяти устройства соответствовала разрядности, необходимой при реализации .двухсимвольного кодирования, при максимальном объеме выборки N,oi т.е. выполняется равенство logjNj,g 1оф. , Таким образом без дополнительных затрат оборудования достигается повьииение точности вычисления статистических характеристик при выборках N при сохранении быстродействия. Цель изобретения - повышение точности при работе с малыми выборками Поставленная цель достигается тем, что в вероятностный спектрокоррелятор, содержащий блок центрирования , вход которого является первым входом спектрокоррелятора, второй вход соединен с первым выходом блока памяти, а выход подключен к первому входу первого блока элементов И, выход которого соединен с первым вхо- дом блока вероятностного округления выход которого соединен первым входом первого блока сравнения и с входом кольцевого динамического регистра, охваченного обратной связью, выход которого подключен к первому вхо ду регистра числа, первый выход которого соединен с первым входом второго блока сравнения, выход которого подключен к первому входу блока вероятностного умножения, второй ;вход которого подключен к выходу пер JBoro блока сравнения, выход блока ве 15ОЯТНОСТНОГО умножения соединен с информационным входом блока памяти, второй выход блока памяти через блок масштабирования соединен с вторым входом первого блока элементов И, вт рой вход блока вероятностного округления соединен с первым выходом генератора случайных чисел, управляющие входы первого блока элементов И, динамического регистра, регистра числа соединены соответственно с первыми тремя выходами блока управления, управляющие входы блока памяти и первый вход второго блока эле ментов И соединены с четвёртым выходом блока управления, второй вход второго блока элементов И соединен с вторым выходом регистра числа, тре тий вход второго блока элементов И соединен с выходом генератора гармо нических функций, выхЬд второго блока элементов И соединен с первым вхо дом первого блока сравнения; введены два блока анализа вида кодирования, первый вход первого блока анализа соединен со вторым выходом ге7нератора случайных чисел, второй вход первого блока анализа соединен с первым выходом регистра числа, третий вход первого и первый вход второго блока анализа соединены с вторым входом спектрокоррелятора, первый выход первого блока анализа соединен с вторым входом второго блока сравнения, второй выход первого блока анализа вида кодирования соединен с третьим входом блока вероятностного умножения, второй вход второго блока анализа вида кодирования соединен с третьим выходом генератора случайных чисел, третий вход второго блока анализа соединен с выходом второго блока элементов И, первый выход второго блока анализа соединен с третьим входом первого блока сравнения, второй выход второго блока анализа соединен с четвертым входом блока ве|эоятностного умножения. Блок анализа вида коди|1)ования додержит преобразователь двоичного Кбда в унитарный код, три группы элементов И по четыре элемента И в каждой и две группы элементов ИЛИ, в первой из которых три, а во второй четыре элемента ИЛИ, первые входы элементов И второй группы являются первым входом блока анализа, первые входы элементов И первой группы объединены попарно с первыми входами соответствующих элементов И третьей группы и являются вторым входом блока анализа, третьим входом которого является вход преобразователя двоичного кода в унитарный код, первые и вторые входы элементов ИЛИ первой группы соответственно объединены и соединены соответственно с первым и вторым выходами преобразователя двоичного кода в унитарный код, третьи входы второго и третьего элементов ИЛИ первой группы объединены и подключены к третьему выходу-преобразователя двоичного кода в унитарный код, четвертый выход которого подключен к четвертому входу т(етьего элемента ИЛИ первой группы, инверсные вторые входы соответствующих элементов И первой и третьей групп объединены с вторыми входами соответствующих элементов И второй группы и подключены соответственно к первому . входу преобразователя двоичного кода в унитарный код, к выходам первого, второго и третьего элементов ИЛИ первой группы, выходы элементов И третьей и второй группы подключены соответственно к первому и второму: входам соответствующих элементов ИЛИ второй группы, выходы которых являют ся первым выходом блока анализа, вто рым выходом которого являются выходы соответствующих элементов И первой группы. На фиг. 1 представлена блок-схема адаптивного вероятностного спектрокоррелятора; на фиг. 2 - функционалы ная принципиальная схема анализатора кода. Адаптивный вероятностный спектрокоррелятор содержит блок 1 центрирования, блок 2 элементов И, блок 3 вероятностного округления, динамичес кий (сдвигающий) peгиctp 4, регистр 5 числа, блок б управления, блоки 7 и 8 сравнения, блок 9 вероятностного умножения, блок 10 памяти, блок 11 масштабирования, генератор 12 слу чайных чисел, генератор 13 гармонических функций, блок Ц элементов И, первый блок 15 анализа вида кодирования, второй блок 16 анализа вида кодирования. Работу адаптивного вероятностного спектрокоррелятора рассмотрим на примере вычисления ординат а токорреляционной фу 1кции. Перед началом работы ло команде Начальная установка происходит установка всех блоков устройства в исходное состояние и заносится код числа ординат. По этому коду N чис1 ла ординат определяется в устройстве вид кодирования для достижения заданной точности ё: . При rriax спектрокорреляторе при вычислении корреляционной функции и периодограмм текущего спектра реализуется двухсимвольный вероятностный метод кодирования информации. . Цикл вычисления промежуточных ито гов при приеме ординаты будет заключаться в следующем: ордината случай,ного процесса х со входа устройства 1 в виде дискретного т-разрядного кода поступает через блок 1 центрирования и первый блок 2 элементов И на вход блока k динамических сдвигающих регистров и через вто рой блок 4 элементов И на вход блока 8 сравнения с выхода блока k дина мических сдвигающих регистров центрированные ординаты случайного процесса в следующем порядке х; „ ; о о о от X.( , ..x: , х , где х - центрированная величина i-ой ординаты случайного процесса; q - число вычисляемых ординат корреляционной и спектральной функций , и одновременно число запоминаемых ординат в блоке k динамических регистров по управляющим сигналам из блока 6 управления поступают последовательно на регистр 5 числа. После записи каждой центрированной ординаты организуется сравнение содержимого регистра 5 на блоке 7 сравнения и содержимого блока 1 центрирования на блоке 8 сравнения с содержимым или частью содержимого генератора 12. Результаты сравнения с блоков 7 и 8 сравнения, а также старшие разряды с регистра 5 через блок 15 анализа и с блока 14 элементов И через блок 16 анализа поступают на блок 9 умножения. В зависимости от того, в каком коде работает адаптивный спектрокоррелятор и в зависимости от резуль-татов кодирования, содержимое соответствующей ячейки блока памяти, являющейся промежуточным значением величины орд1г1наты корреляционной функции , i:(x f;tx-X.....p.Адрес блока 10 памяти меняется синхронно со сдвигом блока 4 динамического регистра по управляющим сигналам из бло,ка 6 управления. Изменение адреса блока 10 памяти и сдвиг в блоке динамических сдвигающих регистров производится q раз. Процесс вычисления корреляционной функции закончится после исчерпания требуемого числа ординат. В случае, если заданное число ординат процесса М., Nniax/4. то производится трехсймволъное кодирование. Работа в этом .случае отличается лишь тем, что блок 9 вероятностного умножения настроен посредством блоков 15 и 16 анализа кодом числа ординат как блок трехсимвольного умножения (см. табл.2). При N/f6 производится четырехсимвольное кодирование (см.табл.з). Работа блоков 15 и 16 (они одинаковы анализа вида кодирования будет понята при рассмотрении принципиальной схемы (фиг.2), Основные функциональные узлы блока анализа вида кодирования имеют следующие обозначения: преобразователь 17 ДВОИЧНОГО кода в позиционный уни тарный код (элемент К155 ИД ) элементы ИЛИ 18-20 первой группы, элементы И 21-32, элементы ИЛИ ЗЗЗб второй группы 33-36. Работа блока будет ясна при рассмотрении одного из случаев кодирования.. Пусть в устройстве использу ется трехсимвольный код. Тогда расшифрованный вид кодирования на преобразователе 17 возбудит соответствующий выход. Будет подан высокий по тенциал через элементы 18-20 на вторые входы элементов 29-32, и высокий потенциал на инверсные вторые входы элементов 22,23,2,26,27,28, который закроет их. При поступлении четырех старших разрядов числа в блок 9 (для блока 15 анализа вида кодирования это информация из регистра 5, для блока 16 анализа вида кодирования это информация из блока 1) поступит один старший разряд с элемента 21, в блок 7(8 сравнения поступят разряды , идущие из блока 12 через элементы 2б ,3 ,27 ,35 ,28 36, и первый разряд числа через .элементы 23,33. При разных видах кодирования на блок 9 умножения подается разное количество старших разрядов перемножаемых чисел. При двухсимвольном не подается ни один разряд (N N ;. При трехсимвольном - подаются по одному старшему разряду чисел из регистра 5 и блока 14. При четырехсимвольном кодировании - по два стар ших разряда чисел. Соответственно с подачей старшего разряда перемножаемых :чисел на вторые входы блоков сравнений подается п-К разрядов содержимого генератора 12, где К - число некодируемых разрядов перемножаемых чисел, an- разрядность чисел в генераторе 12 и разрядность обрабатываемых чисел. Старшие разряды чисел из генератора заменяются старшими, некодиг руемыми разрядами перемножаемых чисел для того, чтобы обеспечить неизменность работы блоков 7 и 8 сравнения при разных видах кодирования. Следует отметить, что наиболее простая техническая реализация блока 9 вероятностного умножения - это матрица постоянного запоминающего устройства, где разные виды кодирования являются подмножествами многоТаблица мгновенных X и Y, представленных значений вероятности при перемножении двух чисел многосимвольным (четырехсимвольным) кодами Таблица 3

13

955087

ii Продолжение табл.3,

17

1

таблицы Строка таблицы С уменьшением выборки N соответственно увеличивается величина К определяющая количество символов в К-символьном кодировании входной ин формации. Этот процесс проистекает по закону; К - символьное кодирование информации используется при-П заканчивается при К 4/2 , где п - разрядность входных чисел, Т.е. при N Вычисление ординат текущего спект ра производится аналогично описанному в практике с учетом способов кодирования, описанных выше при рассмотрении размена корреляции. , Отсюда следует, что применение предлагаемого спектрокоррелятора ПОЗВОЛИТ увеличить точность при малых выборках вследствие многосимвол ного (до ti/2 символьного ) кодирования при Мб NfpQj. Использование адап тивности вида кодирования от величины выборки N позволит не увеличивать объем блока памяти на - бит информации или на величину оборудованияq К/2, где Е - количество слоев в пр меняемых элементах памяти, m - разрядность применяемых элементов памяти. Формула изобретения 1. Адаптивный вероятностный спект рокоррелятор, содержащий блок центрирования, первый вход которого является первым входом спектрокоррелятора, а второй вход с первым выходом блока памяти, а выход подключен к первому входу первого блока элементов И, выход которого соединенс первым входом блока вероятностного округления, выход кото955087

18

Продолжение табл. k

I Строка таблицы рого соединен с первым вхрдом первого блока сравнения и с входом кольцевого динамического регистра, выход которого подключен к первому входу регистра числа, первый выход которого соединен с первым входом второго блока сравнения, выход которого подключен к первому входу блока вероятностного умножения, второй вход которого подключен к выходу первого блока сравнения, выход блока вероятностного умножения соединен с информационным входом блока памяти, а второй выход блока памяти через блок масштабирования соединен с вторым входом первого блока элементов И, второй вход блока вероятностного округления, соединен с первым выходом генератора случайных чисел, управляющие входы первого блока элементов И, динамического регистра, регистра числа соединены совтветственно с первыми тремя выходами блока управлсзния, управляющие входы блока памяти и первйй вход второго блока элементов И соединены с четвертым выходом блока управления, второй вход второго блока элементов И соединен с вторым выходом регистра числа, третий вход второго блока элементов И соединен с выходом генератора гармонических функций, выход второго блока элементов И соедине н с первым входом рер вого блока сравнения, отличающийся тем, что, с целью повышения точности при работе с малыми выборками, в адаптивный вероятностный спектрокоррелятор введены два блока анализа вида кодирования, первый вход первого блока анализа соединен с вторым выходом генератора случайных чисел, второй вход первого блока анализа соединен с пер вым выходом регистра числа, третий вход первого и первый вход второго блока анализа соединены с вторым входом спектрокоррелятора, первый выход первого блока анализа соединен с вторым входом второго блока сравнения, второй выход первого блока анализа соединен с третьим входом блока вероятностного умножения, второй вход второго блока анализа соединен с третьим выходом генератора случайных чисел, третий вход второго блока анализа соединен с выходом второго блока элементов И, первый выход второго блояа анализа соединен с третьим входом первого блока сравнения, второй выход второго блока анализа соединен с четвертым входом бло ка вероятностного умножения, 2, Устройство по П.1, о т ли чающееся тем, что блок анализа ,вида кодирования содержит пре.-образователь двоичного кода в унитар ный код, три группы элементов И по четыре элемента в каждой группе и две группы элементов ИЛИ, в Первой из которых три, а во второй четыре элемента ИЛИ, первые входы элементов И второй группы являются первым входом блока анализа, первые входы эл ментов И первой группы объеди91ены попарно с перейми входами соответствующих элементов И третвей группы и являются вторым входом блока анализа третьим входом которого является вход преобразователя двоичного кода 95 20 в унитарный код, первые и вторые входы элементов ИЛИ первой группы соответственно объединены и соединены соответственно с первым и вторым выходами преобразователя двоичного кода в унитарный код, третьи входы второго и третьего элементов ИЛИ первой группы объединены и подключены к третьему выходу преобразователя двоичного кода в унитарный код, четвертый выход которого подключен к четвертому входу третьего элемента ИЛИ первой группы, инверсные вторые входы соответствующих элементов И первой и третьей групп объединены с вторыми входами соответствующих элементов И второй группы и подключены соответственно к первому входу преобразователя двоичного кода в унитарный код, к выходам первого, второго и третьего элементов ИЛИ первой груп-; пы, выходы элементов И, третьей и второй групп подключены соответственно к первому и второму входам соответствующих элементов ИЛИ вторюй группы, выходы которых ЯВЛЯЮТСЯ первым выходом блока анализа, вторым выходом которого являются выходы соответствующих элементов И первой груп Ис точники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.ABtopCKoe свидетельство СССР № 32509, wi. 6 Об F IS/S, 197. 2.Авторское свидет§льство СССР Г 636618, кл. G Об F 15/3, 1977.