Устройство для определения характеристик случайных процессов Советский патент 1982 года по МПК G06G7/52 

(S) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК

1

Изобретение относится к измерительной технике, автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в аппаратуре для определения характеристик случайных процессов, устройствах выделения полезного сигнала на фоне помех, приборах для обработки медикб-биологимеской информации, системах;первичной обработки данных.

По основному авт. св. № 926686 известно устройство для определения характеристик случайных процессов, используемое в аппаратуре для оперативного (в реальном масштабе времени) 15 анализа случайных процессов, устройствах выделения полезного сигнала на фоне помех, приборах для обработки медико-биологической информации, системах первичной обработки данных 20 и т.д., содержащее центрирующий фильтр, вход которого является входом уст-, ройства, а выход соединен с первыми входами измерителя среднеквадратичноСЛУЧАЙНЫХ ПРОЦЕССОВ

го отклонения и управляемого двухпорогового элемента, переключатель и источник Г1ОСТОЯННОГО напряжения, выход которого соединен с первым входом переключателя, второй вход которого подключен к выходу измерителя среднеквадратического отклонения. Второй вход измерителя среднеквадратического отклонения объединен со вторым входом центрирующего фильтра и подключен к выходу двухпорогового управляемого элемента, второй вход которого соединен с выходом переключателя. Это устройство способно.в реальном масштабе времени подавлять импульсные помехи, налагающиеся на стационарные, либо слабо нестационарные по математическому ожиданию (среднему значению) и дисперсии случайные процессы. В случае наличия существенной нестационарности, например возможности резкого (скачкообразного) измерения математического ожидания, устройство переходит в режим памяти. .причем на его выходах фиксируются те значения математического ожидания (МО) и среднеквадратическогр отклонения (СКО), которые имели место до момента возникновения скачка МО. Это происходит-из-за того, что устройство воспринимает скачок МО как импульсную помеху, имеющую неопределенно большую длительность lj. Целью предлагаемого изобретения является повышение точности получения оценок при быстроизменяющихся среднем и среднеквадратическом отклонениях, что дает возможность получать практически несм.ещенные оценки математического ожидания и среднеквадратического отклонения основного (незагрязненного) случайного процес са с существенно нестационарным МО на фоне практически любых импульсных помех. Поставленная цель достигается тем что в устройство дополнительно введены преобразователь время-напряжение и пороговый элемент, выход которого соединен с вторым управляющим входом центрирующего фильтра, а вход подключен к выходу преобразователя время-напряжение, вход которого соединен с выходом управляемого двухпорогового элемента. На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - пример технической реализации центрирующего фильтра с дополнительным управляющим входом; на фиг.З временные диаграммы работы устрой- ва. Устройство (фиг. 1) содержит центрирующий фильтр 1, измеритель 2 среднеквадратического отклонения, управляемый двухпороговый элемент 3 переключатель k, источник 5 постоянного напряжения, преобразователь время- . напряжение 6 и пороговый элемент J. Выход 8 фильтра 1 центрированного значения х входного процесса х соединен с информационным входом 9 измерителя 2 СКО и информационным входом 10 управляемого двухпорогового элемента 3 выход которого соединен с управляющими входами 11 фильтра 1 и 12 измерителя 2. Управляющий вход 13 элемента 3 соединен с выходом Ik переключателя k, первый вход 15 которого подключен к источнику 5, а второй вход 16 - к выходу измерителя 2. Вход 17 преобразователя 6 соединен с выхо дом элемента 3, выход - со входом порогового элемента 7, выход которого подключен к управляющему входу 18 фильтра 1. Центрирующий фильтр 1 и измеритель СКО 2 построены на основе усреднителей с памятью. Усреднитель с памятью имеет второй (управляющий) двоичный вход, в зависимости от состояния ко-, . торого усреднитель может работать либо в режиме усреднения, либо в режиме памяти. Единичное значение сигнала на управляющем входе соответствует режиму усреднения, а нулевое - режиму памяти. Вход 11 центрирующего фильтра 1 вход 12 измерителя 2 . (фиг. 1) являются управляющими входами соответствующих усреднителей, входящих в их состав. На фиг. 2 приведен пример реализации центрирующего фильтра 1 с первым (информационным) входом х, вторым 11 и третьим (дополнительным) 18 управляющими двоичными входами. Интегрирующая цепочка (резистор 19 и конденсатор 20) с управляемым ключом 21 на входе и повторителем на операционном усилителе 22 на выходе образует усреднитель с памятью. Ключ 21 и резистор 19 зашунтированы последовательно соединенными резистором 23 и ключом-24 с управляющим двоичным входом 18. Нормальное состояние ключа 24 - разомкнутое. Постоянная времени Tf цепи резистор 23 конденсаОР 20 равна Т . При замкнутом ключе 21 на выходе 25 усилителя 22 образуется экспоненциально сглаженный входной сигнал, дающий оценку входного процесса х. При этом постоянная сглаживания Т 9 - RIO С/ . На выходе усилителя 26 образуется центрированный процесс х. Постоянная времени и Т/ выбираются из условия 1 1 мак€ где f. и f - верхняя и нижняя /AORC ялми граничные частоты спектра входного сигнала х„ В этом случае очевидно при замыкании ключа 2k независимо от состояния ключа 21 напряжение на конденсаторе 20 и на выходе 25 усилителя 22 быстро отслеживает изменения входного сигнала, в том числе и скамки МО х. Работу усреднителя при замкнутом ключе 2k можно назвать режимом слежения. При переходе усреднителя из режима усреднения или слежения в режим памяти ключи 21 и 2k размыкаются и на выходе усреднителя запоминается т значение выходного параметра, которое имело место в момент прихода команды Запоминание. После поступления команды Усреднение ключ 21 замы кается и начинается обычная работа усреднителя при начальном условии, соответствующем величине, запомненной на усреднителе. Управляемый двухпороговый элемент (фиг. 1) имеет информационный вход 1 управляющий вход 13 и двоичный выход который принимает единичное значение если f Що| КЩ , и нулевое, если ( 7 Ки,, , где и и - соответственно напряжения на информацион ном 10 и управляющем 13 входах элемента 3J К - константа. Преобразователь 6 имеет двоичный управляющий вход 17. При единичном значении входного управляющего сигнала выходное напряжение преобразова теля 6 равно нулю. 8 момент перехода управляющего -сиГнала oj единичного к нулевому значению выходное напряжение преобразователя 6 начинает нарастать по линейному закону. Следовательно, величина напряжения пропорциональна времени, прошедшему с момента приход нулевого значения управляющего сигнала. В момент появления единичного управляющего сигнала выходной сигнал преобразователя 6 возвращается в исходное (нулевое) состояние. Пороговый элемент 7 имеет релейную характеристику, поэтому, если напряжение на его входе, подаваемое с преобразователя 6 меньше порогового значения , то выходной двоичный сигнал равен нулю, если напряжение на входе порогового элемента 7 больше УППО выходной сигнал равен единиц™ Таким образом, определяет отрезок времени ЛТ, между моментом прихода нулевого сигнала на вход преобразователя 6 и моментом перехода порогового элемента 7 в единичное состояние. Предлагаемое устройство (фиг. 1) работает следующим образом. Переключатель , служащий для разг деления времени Т грубого (начального) определения оценок среднего значения п и СКО Of входного процесса X и времени Тд основного анализа. в начале работы устройства замыкает контакты 1 и 15 и остается в этом состоянии в течение времени Tj-p. При этом на управляющий вход 13 элемента 3 поступает максимальное значение ОАИСНСС от источника 5 а на информационный вход 10 - центрированный случайный процесс с выхода 8 центрирующего фильтра 1. Если значение модуля центрированного входного процесса удовлетворяет условию , (2) то на выходе элемента 3 удерживается логическая единица и центрирующий фильтр 1 и измеритель 2 работают в режиме анализа. При появлении выброса во входном процессе условие (2) нарушается, на выходе элемента 3 появляется нулевой сигнал и усреднители, входящие в состав фильтра 1 и измерителя 2, переводятся в режим памяти на время действия помехи. По окончании действия помехи усреднитепи переходят в режим усреднения. При появлении скачка МО входного процесса х неравенство (2) также нарушается. Принять решение о том, что произошел скачок можно-на основе априорной информации о максимальной длительности Т (,- отдельного выброса. Если интервал времени 1, лТ, в течение которого нарушается неравенство, больше , т.е.л., то с вероятностью, близкой к единице, произошел скачок МО. В этом случае для быстрого отслеживания скачка МО следует произвести в момент времени t -1- установку в усреднителе, входящем в состав центрирующего фильтра 1, нового начального условия, соответствующего новому значению МО. Это можно осуществить путем подами единичного сигнала на управляющий вход 18 фильтра 1 (фиг. 1 и 2) в времени t, + ., Указанная процедура реализуется автоматически с помощью преобразователя 6 и порогового элемента 7- Пороговое напряжение 7 выбирается пропорциоUpop элемента нальным . В момент нарушения неравенства 2) срабатывает элемент 3, запускающий преобразователь 6 и переводящий усреднители центрирующего фильтра 1 и измерителя СКО в режим памяти. Если время лТ нарушения неравенства (2) меньше Т , то эле iWjItCмент 3 возвращается в исходное состояние раньше, чем срабатывает пороговый элемент 7, и устройство, как это и требуется, воспримет кратковре менное резкое изменение входного сиг нала как- импульсную помеху, исключив ее из анализа. Если же ..-,.,.., то .ЛЛСдМ: сраоотйет элемент / и подаст сигнал слежения на управляющий вход 18 филь ра 1 . В результате на выходе усреднителя, входящего в состав ЦФ1, установится величина, соответствующая новому значению МО процесса х, элемент 3 перейдет в исходное состояние (единичное) и устройство начнет процесс вычисления оценок т и Оу до тех пор, пока не.появится следующая импульсная помеха или новый скачок М процесса х. При втом повторятся описанные процедуры. Важно подчеркнуть Т,«г, скачка что времп запаздывания i оценки отношению к реальному скачку НО входного процесса х равно примерно , т.е. величина запаздывания практически не зависит от параметров устройства, а определяется априорной информацией о максимальной длительности помехи ... В известных устройствах реакция на скачок МО обычно носит экспоненциальный (плавный) характер и время за паздывания TU. JQP. может быть оценено зап-. где Тф - экви выражением валентная величина постоянной сглаживания усреднителя. Совершенно очевидно, что ,7 Tjgp. При этом в течение времени Т, переход ного процесса оценки (в особенности оценки (J) получаются на-. столько смещенными, что использование их теряет смысл. Предлагаемое устройство полностью лишено этого недостатка. грубого определеКогда время Т | завершается, пения оценок ШуИ k замыкает контакты Н реключатель и 16, на управляющий вход 13 элемента 3 начинает поступать текущая оцен ка СКО (Г, и в течение времени Тд основного анализа устройство-работает согласно решающему правилу IxUKC-J,(3) т.е. устройство адаптируется к конкретной реализации процесса. Можно показать, что для оптимальной работы устройства следует выбирать . Заметим, что реализованный cnocotJ отслеживания скачков МО может быть обобщен на случайные процессы с существенно нестационарными дисперсиями и центральными моментами более высоких порядков. Динамика работы устройства иллюстрируется на фиг. 3, где на графике ct показан входной случайный процесс с импульсными помехами (А.-/)|) и скачками (В и QQ) , на графиках бив соответственно - текущие оценки mx(t) и6(1). Во время действия помех (интервалы At - Д) устройство находится в запоминания, а при возникновении скачков МО устройство отслеххивает их с запаздыванием лТ ДТ (,, гдей. - максимально возможная длительность импульсных помех. Технико-экономический эффект достигается за счет предельного уменьшения времени запаздывания и/или величины смещения оценок среднего значения и СКО существенно нестационарных случайных процессов на фоне импульсных помех. Формула изобретения Устройство для определения характеристик случайных процессов по авт.св.№926686, отличающеес я тем, что, с целью повышения точности получения оценок при быстроизменяющихся среднем и среднеквадратическом отклонениях процесса, в устройство введены преобразователь время-напряжение и пороговый элемент, выход которого соединен с вторым управляющим входом центрирующего фильтра, а вход подключен к выходу преобразователя время-напряжение, вход которого соединен с выходом управляемого двухпорогового элемента. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР № 926686, кл. G Об G 7/52, 1982 (прототип).

SxoSx

в . X

SHX

-If

/

,14

16

J .

f3f

IS

6(i)