Устройство для анализа случайных процессов Советский патент 1982 года по МПК G06F17/18 

1

Изобретение относ1ггся к специализированным средствам вычислительной техники и может быть использовано для получения функции распределения и плотности распределения последовательностей случайных величин.

Известно многоканальное устройство для анализа случайных процессов (последовательности случайных величин), ( назначенное для экспериментального определения функции распределения и функции плотности случайных процессов, содержащее входной селектор, накапливающие узлы (счетчики импульсов), подклки ченные к выходам селектора, генератор тактовых импульсов l

Наиболее близким к изофетению является устройство для анализа случайных процессов, содержащее входной селектор, выполненный в виде блока схем сравнения, блока логических схем и регистра уровней анализа, связанных между собой. Выходы селектора ПОДКЛКУ- . чены к накопительным бпокам (накопитвлям). Каждый из накопителей выполнен в виде счетчика импульсов, а все-счетчики объединены в бЛок счетчика результата. Устройство содержит также гейератор тактовых импульсов, блок элементов И (блок вентилей списывания), входы ко-торого подключены к выходам наксшителей и через счетчик нормирования результатов к выходу генератора тактовых им пульсов. 2J .

В устройстве осуществляется ввод значений исследуемого процесса по мере поступления импульсов от генератора таитовьгх импульсов таким образом, что при появлении каждого импульса в устройство вводится очередное значение процесса. Требуемое количества таких значений (объем выборки) определяется счетчиком нормирования резулм ата. При заполнении счетчика нормирования он подает сигнал на блок элементов И (вентили спвсыва1гая), через которые производится вывод результата, полученного в т }1акйпнтельных блоках. Таким офазом, в устройстве время анализа фиксиро&ано и определяется час тотой импульсной последоватетлюсти, посл-унающей от генератора тактовых икП1у;а:Юов, и объема счетчика но1)мирования результата. Поэтому, если отрезки реалу{зации исследуемого случайного процесса меЩзШе, чем рассчитанное время анализа, то указанное устройство не смо жет вообще выдать никакого результата. Наконец, в случае, если исследуемый случайнь Й процесс таков, что его закон распределет$я эволюционирует во времени, устройство получит результат анализа со значугтельными ошибками, так как оно в равной мере учитывает все значения процесса, полученные в процессе анализа, в том Числе и те, которые к TvioMeirry выдачи результата уже устарели. Таким образом, устройство имеет сле дукедие недостатки: строгая фиксироьанность времени анализа, не позволяет получить сведение-о ходе статистическог эксперимента в процессе его п роведешш; недостаточная точность при анализе процессов законы распределения которых эволюционируют во времени. Цель изобретения - повьпдение точности анализа нестационарных процессов и повышение быстродействия уст1§ойства. Эта цель достигается тем, что устройство, содержащее входной амплитудный селектор, вход которого является входом устройства, а акоды соединены соответственно с информационными входами блоков канальных накопителей груп пы, .генератор импульсов, ключ и группу элементов И, дополнительно содержит узел формирования весовых коэффициенто распределитель импульсов и элемент ИЛИ-НЕ, а каждый из группы блоков канальных накопителей содержит накапливающий сумматор, регистр сдвига и три группы элементов И, причем выход генератора импульсов подключен к такто вым входам распределителя импульсов, и регистров сдвига каждого блока канальных накопителей группы, нулевой выход распределителя импульсов соединен с входами сброса накапливающих сумматоров и с управляющими входами третьих групп элементов И каждого блока каналь ных накопителей и через ключ - с инфор мационным входом узла формирования весовых коэффицис-птов, входы К-го Элемента (.n) группы элементов И подкпючснм cooTi.fjrTf.eHHo к К-му выходу рпспроло ите.1ч 11 -п1ульсов и К-му выходу узла формирования весовых коэффициентов, выход К-го элемента И группы элементов И соединен с К-м управляющим входом первых групп элементов И каждого блока канальных накопителей и с К-м входом элемента ИЛИ-НЕ, выход которого подключен к управляюигам входам элеменroB И второй группы всех блоков канальных накопителей группы, выходы первой группы элементов И каждого блока канальных накопителей группы соединены с разрядными входами накапливающего сумматора того же блока канальных на- копитблей соответственно, разрядные выходы регистра сдвига в каждом блоке канальных накопителей подключены к соответствующим разрядным входам накапливающего сумматора через вторую группу элементов И, а разрядные выходы накапливающего сумматора соединены с соответствующими разрядными входами регистра сдвига через третью группу элементов И. Узел формирования весовых коэффициентов содержит последовательно соединенные счетчик импульсов, вход которого является входом узла, умножитель и элемент сравнения, первый и второй выходы которого подключены к первым входам первого и второго элементов И, вторые входы которых соединены с выJcoдoм генератора импульсов, а выходы подключены соответственно к суммирующему и вычитающему входам реверсивного счетчика импульсов, разрядные выходы которого являются соответствующими выходами узла формирования весовых коэффициентов, информадионйый выход реверсивного счетчика подключен к другому входу умножителя. На фиг. 1 приведена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - схема узла формирования весовых коэффициентов; на фиг. 3 - временные диаграммы работы устройства. Устройство содержит входной амплитудный селектор 1, имеклций N (по числу каналов) выходов 2, группу канальных накопительных блоков 3, узел 4 веса, блок элементов И 5, элемент ИЛИ-НЕ 6, распределитель 7 импульсов, генератор 8 импульсов, .ключ 9. Каждый канальный накопительный блок 3 содержит накапливающий сумматор 1О, регистр 11 сдвига и три блока элементов И 12-14 с управляющими входами 15-17 соответственно. Узел 4 формирования весомых коэффициентов Содержит счетчик 19 -импульсов, умножитель 20, элемент 21 сравнения, реверсивный счетчик 22, элемент И 23, генератор 24 импульсов. Каждый из выходов 2 селектора 1 подключен к входу 15 соответствующего этому выходу канального блока 3. Выкод генератора 8 импульсов подключен к тактовому входу 11 регистра 11 сдвига каждого из канальных бпоко и к входу распределителя 7. Количество разрядов узла 4 и распределителя 7 ош наково и на единицу больше числа элементов И в блоке 5. Выходы каждого из разрядов узла 4 и распределителя 7 соединены с входам соответствующего этому разряду элемен та И блока 5. Число элементов блока 5 равно числу входов в первой группе элементов И 12 каждого из блоков ,3. Через группу элементов И 12 выход каждого из элементов И блока 5 подключен к входу соответствующего разряда накапливающе го сумматора 10. Это подключение выпо нено таким образом, что элемент блока 5, соответствующий второму по старщин ству (второму слева по схеме) разряду узла 4, через соответствующий элемент И 12 соединен с вторым по старшинству (вторым слева) разрядом накапливающего сумматора 10 и т.д. Для удобства изображения на чертеже выходы i элементов блока 5 объединены в жгут и затем разветвлены по вхрдам элементов И 12. Выходы элементов И блока 5 подключены также к входам элемента ИЛИ-НЕ 6, выход которого подключен, к управляющему входу 16 второй группы элементов И 13 каждого мз блоков 3. Через элементы 13 разряды регистра 1 сдвига подключены к одноименным разрядам накапливающего сумматора 10. Выход начального (крайнего левого) раз ряда распределителя 7 подключен к упра ляющему входу 17 третьей группы элементов И 14 каждого из блоков 3. Через него выходы каждого из разрядов накапливающего суммщ-ора 10 подключены к входам соответствующих им разрядов ре гистра 11 сдвига. Кроме того, вькод начальной позиции распределителя 7 под ключен к входам 18 сброса накапливающего сумматора 10 и через iano4 9 к входу узла 4.ч Узел 4 вьшолнен в виде счетчика об ратного числа, который по мере поступления импульсов на его ЕКОД, формирует в двоичном коде число, обратное количеству поступивштсс импульсов. Так, если на вход поступило т импульсов, то в реверсивном счетчике 2 2 должно быть записано число t- ъ виде двоичной дроmби. . Старший левый разряд с етчика 22 имеет вес 2, следуюпшй (второй слева) разряд имеет вес 2 и т.д. Поэтому, если, например, m «4, то 2, ,О10, т.е. в старшем (нулевом.)-разряде узла 4 будет записан нуль, в следующем разряде (единично) также нуль и только в двоичном разряде (имеющем вес 2 ) записана единица. Счетчик 19 фиксирует двоичное представление чисда поступивших импугаьсов m, а реверсивный счетчик 22 фиксирует число 2, . Числа Шит, поступают на умножитель 20, а полученное в нем произведение поступает на элемент 21 сравнения, который сравнивает величину произведений с единицей. Еслигт1 1, то открьшается тот. элемеш- И 23, через который импульсы поступаюгг на вход вычитания реверсивного счетчика 22, уменьшая величину записанного в нем числа .. Если же .i, то от крывается другой элемент И 23 и импутьсы от генератора 2 поступбцот на суммирующий вход, увеличивая число Z. . Таким офазом, чиспо, фиксируемое в реверсивном счетчике, всегда оказывается равным z -д и при изменении m оно также меняется. Работа устройства иллюстрируется временными диаграммами (фиг. 3). В рассматриваемс устройстве область возможных значений анализируемого случайного процесса X(tj , подаваемого на общий; вход, разбивается на Vl I коридоров. Если, например, процес X(t) может принимать лишь неотркавтвльнше значения, то в первый коридор значение .процесса попадает, если Oi Х Х во второй, если X XiXj и т.д., где величины Хп вводятся в селектор заранее. Каждому коридору соответствует свой канальный блок 3. . Описание работы устройства удобно начать не с и.сходного состояния, когда все регистры блоков 3 и узла 4 пусты (в тсс записаны нули), ас некоторого промежуточного момента, когда с начала работы устройства уже прошел некоторый отрезок времени. Будем считать, что в рассматриваекоЛЙ момент времени значение процесса Х(1)теи ково, что оно попало в коридор, соответствукюшй верхнему канальному бтгоку 3, к atOMy моменту на .устройство было 7.9 подано уже № выборок, так что в узле 4 записано число 2;f, - , в сумматоре Ю - нулевое число, а в регистре 11 записано в двоичном коде некоторое чис ло ( Для примера будем считать, что m 4, так что z.; 0,010... К началу очерёднотх цикла измерений единина записана в исходной (крайней левой) позиции распределителя 7. Очередной цикл работы устройства начинается с того, гго с выхода генера тора 8 импульсов начинает поступать последовательность импульсов. Первь й импульс этой последовательности, поступая на входы блоков 3, осуществляет сдвиг записанного к этому моменту в регистрах 11 числа на одну позицию , вправо, т.е. ъ сторону младших разрядов что эквивалентно уменьшению содержимо го регистров 11 вДвое (деление на два) TaraiM образом, после поступления первого иьшульса последовательности с выхода генератора 8 в регистре 11 перво го блока 3 окажется записанным число 15гт1.н/2. Этот же первый импульс с выхода генератора 8 поступает на вход распределителя 7. Это приводит к тому, что единица перемещается из исходной (левой) позиции в следующую (вторую слев позицию распределителя 7. I Как условлено, в единичном (втором слева) разряде узла 4 записан нуль. По . этому на выходе первого элемента И блока 5 имеет место нулевой сигнал. Поскольку в остальных позициях распред лителя 7 записаны нули, йсе остальные элементы И блока 5 также имеют на своих выходах нулевые сигналы. Следовательно, на выходе элемента ИЛИ-НЕ возникает единичный сигнал, который поступает на управляющий вход 16 второго узла. 13 ввода всех блоков. В результате содержимое регистров 11 записьтается в накапливающий сумматор 10и запоминается в нем. В частности, в сумматоре 10 первого блока 3 окажется записаннымчисло , Следукший импульс с выхода генератора 8 вновь сдвинет число в регистре 11на одну позицию вправо (т.е. число, записанное в нем, теперь окажется равным S,,/4), передвинет единицу в распределителе 7 еще на одну позицию впр во. Поскольку в третьем слева разряде .узла 4 записана единица, соответствующий этой позиции элемент И блока 5 будет иметь на своих входах единичные ьсигналь и выходной сигнал этого элеDмента будет также единичным. Следовательно, на один из входов элемента ИЛИ-НЕ 6 от указанного элемента И поступает единичный сигнал, выходной сигнал элемента 6 будет нулевым. Этот сигнал поступает на входы 16 блоков 3, однако вследствие того, что он снимет нулевое значение, элементы И 13 не подают число из регистра 11 в сумматор 10. Одновременно единичный сигнал с выхода Второго слева элемента И блока 5 поступает на второй слева вход первых элементов И 12 всех блоков 3. По предположению, значение входного процесса X{i5 в рассматриваемый момент времени находится в пределах первого коридора, соответствующего первому канальному блоку 3. Поэтому единичный сигнал будет иметь место лишь на том выходе 2 селектора 1, который соответствуем- этому блоку 3. Этот сигнал поступает на управляющий вход 1 б группы элемен1ОБ И 12 только первого блока 3. Поэтому единичный сигнал, поступивший на второй слева вход элементов И 12 всех блоков 3, поступит на третий слева разряд накапливающего сумматора 10 только первого блока 3. Поскольку этот разряд, как и в узле веса и в регистре 11, имеет вес 2, это равносильно введению в накапливающем сумматоре числа 0,01. Следующий импульс с выхода генератора 8 вновь вызьюает сдвиг числа в регистре 11 на один разряд вправо, перенос единицы в распределителе 7 на одну позицию вправо и ввод числа S./8 из регистра 11 через узел 13 ввода в. накапливающий cyMiviaTop 10. Указанный процесс продолжается до тех пор, пока единица в распределителе 7 не достигает последней (крайней правой) позиции. При этом на позициях распредеиителя 7, которые-соответствуют тем разрядакг узла 4 веса, в которых записаны единицы, в накапливающий сумматор 10 через элементы И 12 будет введена единица с соо гветствующим весом. Так, если в узле 4 в К-м разряде (,1,..К) записана единица, то в сумматор 1О будет введено число 1/2. На остальных позициях, т.е. тех, где в узпе 4 веса записаны нутш, в сумматор -Ю через узел 13 вводится число из регистра 11 с весом, равным номеру этой позиции. Так, если в узле 4 в -м разряде записан нуль, то в с.мматор 10 из регистра 11 будет введено число 5./2 i Очередной импульс с выхода генерат 8 перемещает единицу в распределителе 7 вновь в исходное состояние (в нулеву позицию). Единичный сигнал, который П явился на выходе нулевой позиции, поступает на вход узла 4. Поскольку к дан ному моменту на вход узла 4 веса уже поступило т импульсов, вновь поступающий импульс будет (wi +1)-м и в узле 4 образуется чиспо Z,m- тТТ Этот же импульс с выхода нулевой позиции распределителя 7 поступает на управляющий вход 17 элементов И 14 каждого из блоков 3 и числа 5 , записанные теперь в накапливающих сумматорах 1О, переписывакггся в регистры 11 сдвига. Тот же сигнал с нулевой по зиции распределителя 7, поступая на входы 18, сбрасывает все накапливающие сумматоры в нулевое состояние. Н этом очередной m -и цикл работы устрой ства заканчивается и начинается следую щий (т+1)-й цикл. Поскольку в узле 4 к началу т-го цикла записано в виде двоичной дроби число Z ,Yi -f/rn , то в первом из блоков 3 вычисляется вьфажение IМ I n.z,n,-5.1-Sn-)m ()b,,( --Ffr m-i в остальных блоках 3 вместо единицы узел 12 вводит в суммеггор нуль, так Sm-i(mM)4-0 что для них: К началу работы устройства в регистрах 11 и сумматорах Ю всех блоков 3 записаны числа 5(3 0. Из приведенного соотношения следует, что к концу первого цикла () в регистре 9 одного из бло ков окажется эйписанным число (, а в остальных 5 О . После второго цикла (), если процесс останется в том же коридоре, то , в соответствии с приведе ным соотношением, в том же блоке 3 а в остальных 5 - Il2ii г О. Если же процесс перейдет в другой коридор, то в первом кориX ,.Q 1 5 -у- -, а в другом вновь зас- ,1-ОИ -1 осталь- нятом коридоре с 0+0 п ных 52 . Таким образом, к концу очередного цикла в регистрах J 1 каждого из бгюков 3 будут записаны текущие значения относительно времени пребывания анализируемого случайного процесса в коридоре, соответствующем данному канальному блоку 3 с точностью до длительности цикла. Указанный режим работы устройства рационально использовать при анализе I случайных процессов, статистические свойства которых со временем не изменяются. Устройство в этом случае позволяет использовать все доступное для анализа время и в каждый моме1йг времени иметь текущую оценку относительно времени пребывания процесса в соответствующем коридоре. При этом вся информация о процессе за все время анализа (как прощлое, так и в настоящее) используется с равной точностью. Вместе с тем для процессов, статистические свойства которых во времени меняются, такой равномерный учет всего допустимого прощлого исследуемого процесса может существенно исказить информацию о статистических свойствах процесса ,щёго место в настоящий момент. Для повьпиения точности анализа в JTOM случае в узел 4 записывается некоторое число z, - 1, а ключ 9 размыкается. Поскольку при этом размыкается связь между распределителем 7 и узлом 4, -ЧИСЛО Z.1 , записанное в узле 4, оказывается постоянным. Прослеживая работу устройства, получаем, что после ,гп -го цикла для канала, в чьем коридоре находится исследуемый 5n. z-H-(l-z.)5 процесс остальных каналов5т | (1-г,) а для . Обозначим вероятность попадания процесса X(i в -ый коридор на ш -м цикле через , , получим Рш () где At - длительность одного цикла. Тогда.- - (-)e«,., (l-x)K.,(l.z)« x5n,..lX.,Z...,... (z).0. t .При ЭТОМ для рассматриваемого -го анала величина вероятностью авна единице, и с вероятностью равна нулю. Поскольку , то 1-Z)1 и, следовательно, чем дальше т рассматриваемого момента , от- тоит отсчет X , тем с меньшим Ьесом н учнтьгоается. В отличие от предыдушего лучая полученная информация здесь используется неравномерно - чем свежее информешля, feM с большим весом она учитывается. Поэтому в данном, режиме происходит забывание информации; тем сильнее, чем она старше (раньше получена). Степень забывания может изменяться в зависимости от величины 2 (чем больше z , тем быстрее забывание)

Таким образом, в момент времени, соответхлгвукшше окончанию каждого пикла, предлагаемое устройство . содержит & регистре 11 сдвига каждого из накопителей 3 оценку вероятности пребывания процесса в соответствующем коридоре. В эти моменты резутштат из регистров может быть выведен на внешние устройства.

Положительный эффект заключается в том, что устройство осуществляет текущую оценкувероятности пребывания процесса в каждом нз заданных коридоров и, кроме тЬго, такое оценивание производит ся и для случая .эволюционирующих законов распределения.

Формула изобретения

1. Устройство для анализа случайных процессов., содержащее входной амплитудный селектор, вход которого явл5|ется входом устройстба, а выходы соединены соответственно с информационными входами .блотэв канальных накопителей группът, генератор импульсов, ключи, и группу элементов И, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности анализа нестационарных процессов и повыщения быстродействия, в него дополнительно введеры узел формировании весовых коэффициентов, распределитель импульсов и элемент ИЛИ-НЕ, а каждый из группы блоков канальных накопителей содержит накапливаюидай сумматор, регистр сдвига, и три группы элементов И, причем выход генератора импульсов подключен к тактовым входам распределителя импульсов и регистров сдвига каждого блока канальных накопителей группы, .нулевой выход распределителя импульсов соединен с входами сброса накапливающихсумматоров и с управляющими входаьли третьих групп элементов И каждо.го блока канальных накопителей и через ключ - с

информационным входом узла формирования Весовых коэффициентов,, входы К-го элемента (,п) группы элементов И подключены соответственно к К -му выходу распределителя импульсов иК-му выходу узла формирования весовых коэффициентов, выход К -го элемента И группы элементов И соединен с К -м управляющим входом первых групп элементов И каждо,го блока канальных накопителей и с К -м входом элемента ИЛИ-НЕ, выход которого подключен к управляющим входам элементов И второй группы всех блоков канальных накопителей группы, выходы первой группы элементов И каждого блока канальных накопителей группы соединены с разрядными входами накапливаюшего сумматора того же блока канальных накопителей соответственно, разрядные выходы регистра сдвига в каждом блоке канальных накопителей подключенык соответствующим разрядным входам накапливающего сумматора через вторую группу элементов И, разрядные выходы накапливающе.го сумматора соединены с соответствующими разрядными входами регистра сдвига через третью группу элементов И.

2. Устройство по. П.1, отличающееся тем, что узел формирования весовых коэффициентов содержит последовательно соединенные счетчик импульсов, вход которого является входом узла У1 1Ножитель и элемент сраВ1нения, первый и второй выходы которого подключены к первым входам первого и второго элементов И, вторые входы которых соединены с выходом генератора импульсов, а выходы подключены соответственно к суммирукицему и вычитающему входам реверсивного счетчика импульсов, разрядные выходы которого являются соответствукхщими выходами узла формирования весовых коэффициентов, информационный выход реверсивного счетчика подключен к другому входу умножителя.

Источники информации, принятые во при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР № 367423, кл. Q 06 F 15/36, 1969.

2.Aj TopcKoe свидетельство СССР № 387372, кл. G Об Р 15/36, 1970 (прототип).

фиг I

Фиг2

fl 7

Фиг.д