CS231206B1

CS231206B1 - Zapojení k statistické analýze časového průběhu signálu

Info

Publication number: CS231206B1
Application number: CS813414A
Authority: CS
Inventors: Jaromir Smejkal
Original assignee: Jaromir Smejkal
Priority date: 1981-05-08
Filing date: 1981-05-08
Publication date: 1984-10-15
Also published as: CS341481A1

Abstract

Zapojení k statistická analýze časového průběhu signálu slouží k určování první a druhé diference číslicových vzorků signálu v reálném čase. Sestává z posuvných registrů, sériových odečítaček a řídicího impulsního generátoru vybaveného možností vynechávání nejvyšších bitů výstupu v počtu M. Výstupy pro první a druhé diference a kontrolní výstup vyšetřovaného signálu jsou sériové i paralelní. V zapojení je úprava, která umožňuje znásobení malých M hodnot diferencí koeficientem 2 . K výstupům tohoto zapojení se připojuje např. *éřič histogramu, jímž se vyhodnocují statistické vlastnosti časového průbšhu signálu.

Description

Vynález řeší zapojení k statistické analýze časového průběhu signálu pro zjišťování první a druhé diference šíslicových hodnot po sobě následujících vzorků signálu za účelem stanovení statistických parametrů signálu.

Dosud se analýza časového průběhu signálu provádí postupy zakládajícími se na Fourierově Integrální transformaci nebo na určování korelačních funkcí časových průběhů. Tyto metody jsou výpočtově náročné a poměrně zdlouhavé a kromě toho jsou už ve své podstatě nevhodné pro neperiodické časové průběhy a zejména pro jednorázové nebo náhodně se vyskytující jevy. V mnoha praktických případech nemají kmitočtové vlastnosti signálů nebo jejich výkonové spektrální hustoty ani korelační funkce rozhodující význam pro posouzení vlastností časových průběhů.

Tyto nevýhody odstraňuje zapojení k statistické analýze časového průběhu signálu podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že základní sériový vstup je připojen k prvnímu funkčnímu vstupu přepínače, k prvnímu inverznímu vstupu první odečítačky a k paměťovému sériovému vstupu paměťového registru, jehož paměťový sériový výstup je připojen k prvnímu přímému vstupu první odečítačky, jejíž první sériový výstup je připojen ke druhému funkčnímu vstupu přepínače, ke druhému inverznímu vstupu druhé odečítačky a k rozdílovému sériovému vstupu rozdílového registru, jehož rozdílový sériový výstup je připojen k druhému přímému vstupu druhé odečítačky, jejíž druhý sériový výstup je připojen k třetímu funkčnímu vstupu přepínače, jehož funkční výstup je připojen ke koncovému sériovému vstupu výstupního registru.

Při tom je první taktovaoí výstup impulsního generátoru připojen k paměťovému taktovacímu vstupu paměťového registru, zatímco druhý taktovací výstup impulsního generátoru je připojen k rozdílovému taktovacímu vstupu rozdílového registru a k prvnímu krokovacímu vstupu první odečítačky a třetí taktovaoí výstup impulsního generátoru je připojen k druhému krokovacímu výstupu druhé odečítačky. čtvrtý taktovací výstup impulsního generátoru je připojen k prvnímu pomocnému vstupu, pátý taktovací výstup je připojen k druhému pomocnému vstupu a šestý taktovací výstup je připojen k třetímu pomocnému vstupu přepínače, jehož pomocný výstup je připojen ke koncovému taktovacímu vstupu výstupního registru.

K základnímu sériovému vstupu je připojen výstup vstupního registru, jenž je opatřen paralelním vstupem a jehož základní taktovací vstup je připojen k prvnímu taktovacímu výstupu impulsního generátoru.

V tomto zapojení se vstupní číslicové hodnoty vzorků signálu zavádějí do paměťového registru a současně do první odečítačky, na jejímž výstupu se objevuje první diference hodnot jako rozdíl právě zavedeného údaje a údaje předešlého. Tato první diference se déle zavádí do rozdílového registru a současně do druhé odečítačky, na jejímž výstupu se objevuje druhá diference jako rozdíl právě zavedeného rozdílu a rozdílu předešlého.

Pomocí přepínače se do výstupního registru zavádí bu3 vstupní údaj, první diference nebo druhá diference, a to po vynásobení koeficientem 2 , kde M je celé kladné číslo volitelné v impulsním generátoru. Výstupy paměťového registru, rozdílového registru nebo výstupního registru se zavádějí např. do měřiče Histogramů, kterým se zjišťuje rozdělení pravdě podobnosti jednotlivých hodnot. Zapojení podle vynálezu tak umožňuje zachycení velikosti všech změn časového průběhu měřeného signálu x(t) jako prvních diferencí hodnot po sobě následujících vzorků X_M při daném vzorkovacím kmitočtu f . Rozdělení pravděpodobností velikostí prvních diferencí v porovnání s rozdělením pravděpodobností velikosti samotných vzorků X. poskytuje informaci o časovém průběhu signálu x(t) při vzorkovacím kmitočtu f .

⁸

V grafické reprezentaci se x(t) aproximuje lomenou čarou složenou z úseček spojujících hodnoty vzorků X^ vzdálené navzájem o vzorkovací interval T = 1/ίθ·. Dokonalost této aproximace, tedy ve skutečnosti vhodnost volby vzorkovacího kmitočtu f_fl, se pak vyšetřuje měře3 ním ne dvojnásobném vzorkovacím kmitočtu 2f_gř kdy jsou vzorky od sebe vzdáleny o T/2. V tom případě jsou první diference ^dj ^xj ^Xj 2 /’/>

a odchylky od aproximace lomenou čarou ^Dj = '^Xj⁺2 ^{+ x}j 2 >^/2 - ^Xj = ^2 - <ψ^/2 /2/, které se rovnají polovinám hodnot druhých diferenci. Z toho je patrné, že výpočtový algoritmus /1/ pro první diference d odpovídá číslicovému filtru s konečnou impulsní odezvou o koeficientech (váhách) k, « 1, kg ~ -i, kdežto algoritmus /2/ odpovídá filtru s váhami kj = 0,5, kg = -¹ a k = 0,5. Při označení statistických parametrů té Složky vstupního signálu x(t), která je při vzorkovacím kmitočtu 2f náhodná, jednou čárkou, statistických parametrů prvních diferencí dvěma čárkami a statistických parametrů polovičních hodnot druhých diferencí třemi čárkami platí známé vztahy:

pro směrodatné odchylky ít = VSg(2). σ' = V~2 . σ' σ' = Vs₂C3). σ' = <1,“5 . :-,¹ i Ι,2247σ' /3/', pro koeficienty asymetrie

Kj; = K'.S (2)/Vs^(2) = 0

K_A = k;.S₃(3)/ VsJ(3) = -K_A.0,75/ V3^75 * -4082^ ^/4/’ a pro koeficienty excesu

K = K>,.S₄(2)/S²(2) K£.2/4 = K’,/2

K“ « K|,.S₄(3)/S²(3) » K£.1 ,125/2,25 » Kj/2 kde /5/, /6/,

Tyto vztahy umožňují určování statistických parametrů, tj. směrodatných odchylek a koeficientů asymetrie a excesu, náhodných odchylek průběhu signálů od aproximace lomenou čarou při vzorkovacím kmitočtu f aa základě statistických vlastností prvních a druhých diferenci zjiálovaných pomocí vynalezeného zapojení k statistické analýze časového průběhu signálu. Ha základě poznatků z teorie, že první diference vzorků jsou úměrné T/2, kdežto druhé diference jsou úměrné (T/2)², lze pro relativně malé hodnoty směrodatných odchylek σa σ' stanovit alespoň přibližně poměr mezi dvěma vzorkovacími kmitočty f a f _b takto

f.„ /f v. * Τ,/ ^σα /7/,

Ma základě směrodatných odchylek σ^ prvních diferencí nebo směrodatných odchylek polovičních hodnot druhých diferencí z jí ětovaných při kmitočtu 2f_sb lze stanovit správný vzorkovací kmitočet f tak, aby směrodatné odchylky σ™ a odpovídaly žádané přesnosti aproximace.

Zapojení k statistické analýze časového průběhu signálu podle přiloženého výkresu sestává za základního sériového vstupu který je připojen k prvnímu funkčnímu vstupu přepínače .6, k prvnímu inverznímu vstupu J2 první odečítačky a k paměťovému sériovému vstupu 25 paměťového registru £, jehož paměťový sériový výstup 26 je připojen k prvnímu přímému vstupu 31 první odečítačky J, jejíž první sériový výstup 36 je připojen k druViému funkčnímu vstupu 62 přepínače .6, současně k druhému inverznímu vstupu 52 druhé odečitaěky Jž a k rozdílovému sériovému vstupu 45 rozdílového registru .4, jehož rozdílový sériový výstup 46 je připojen k druhému přímému vstupu 51 druhé odečítačky .5, jejíž druhý sériový výstup 56 je připojen k třetímu funkčnímu vstupu 63 přepínače .6, jehož funkční výstup 67 je připojen ke koncovému sériovému vstupu 7£ výstupního registru 7..

První taktovaeí výstup 81 impulsního generátoru 8 je připojen k paměťovému taktovacímu vstupu 24 paměťového registru 2., zatímco druhý taktovaeí výstup 82 impulsního generátoru 8 je připojen k rozdílovému taktovacímu vstupu 44 rozdílového registru 4 a k prvnímu krokovacimu vstupu 34 první odečítačky a třetí taktovaeí výstup 8j impulsního generátoru 8. je připojen k druhému krokovacimu vstupu /4. druhé odečítačky čtvrtý taktovaeí výstup impulsního generátoru 8. je připojen k prvnímu pomocnému vstupu 64, pátý taktovaeí výstup je připojen k druhému pomocnému vstupu jď& a šestý taktovaeí výstup 86 je připojen ke třetímu pomocnému vstupu¹ 66 přepínače (i, jehož pomocný výstup 68 je připojen ke koncovému taktovacímu vstupu 7.4 výstupního registru 7,.

V první poloze přepínače j6 je ke koncovému sériovému vstupu 75 připojen první funkční vstup 61. a současně je ke koncovému taktovacímu vstupu 74 připojen první pomocný vstup .64, kdežto ve druhé poloze přepínače Ji je ke koncovému vstupu 75 připojen druhý funkční vstup a současně je ke koncovému taktovacímu vstupu 74 připojen druhý pomocný vstup 65. zatímco ve třetí poloze přepínače 6 je ke koncovému vstupu 75 připojen třetí funkční vstup a současně je ke koncovému taktovacímu vstupu 74 připojen třetí pomocný vstup 66.

K základnímu sériovému vstupu JJi je připojen výstup vstupního registru £, jenž je opatřen paralelním vstupem 13 a jehož základní taktovaeí vstup 14 je připojen k prvnímu taktovacimu výstupu 8J_ impulsního generátoru 8. Základní sériový vstup Jj, J^e přitom odpojen od zdroje číslicových údajů. Paměťový registr 2. a vstupní registr J_ mají po N stupních, kdežto rozdílový registr má Ν + 1 stupňů. Ve všech registrech se stavy jednotlivých stupňů posouvají zleva doprava pomocí impulsů přiváděných na paměťový taktovaeí vstup 24, základní taktovaeí vstup J_4, rozdílový taktovaeí vstup JJ. a koncový taktovaeí vstup 74.

ihned po příchodu spouštěcího impulsu na spouštěcí vstup 88 impulsního generátoru 8 se aa prvním taktovacím výstupu 81 objeví skupina H impulsů, na druhém taktovacím výstupu skupina Ν + 1 impulsů, na čtvrtém taktovacím výstupu 8£ skupina H - M impulsů, na pátém taktovacím výstupu 85 skupina Ν + 1 - M impulsů a na šestém taktovacím výstupu 86 skupina M + 2 - M impulsů, číslo li, které může mít i nulovou hodnotu, se přitom nastavuje údajem přívedeaým na voličový vstup 8J impulsního generátoru 8. První impulsy ve všech těchto skupinách začínají ve stejném okamžiku a všechny další impulsy ve všech skupinách za sebou následují po stejných časových intervalech.

Příklad zapojení podle vynálezu znázorňuje přiložený výkres. Toto zapojení je složeno z posuvných registrů, odečítaček, přepínače a impulsního generátoru předepsaných vlastností Ha tomto výkresu není pro jednoduchost znázorněn analogo-číslicový převodník jako zdroj číslicových hodnot vzorků, z něhož se zavádějí údaje do vynalezeného zapojení, ani vyhodnocovací přístroj, např»· měřič histogramů, který se připojuje k jeho výstupům, poněvadž tyto přístroje nejsou předmětem přihlášky.

Toto zapojení k statistické analýze časového průběhu signálu funguje takto: číslicová hodnota o N bitech vzorku signálu se pomocí N taktovacích impulsů, které se přivádějí z prvního taktovacího výstupu 81 do paměťového taktovacího vstupu 24 paměťového registru 2,

23,206 nasune do paměťového registru 2. a současně zavede do prvního inverzního vstupu J2 první odečítačky J, do jejíhož prvního přímého vstupu J1 se postupně zavádí z paměťového sériového výstupu 26 číslicová hodnota předešlého vzorku signálu uloženého předtím do paměťového registru 2. Na prvním sériovém výstupu J6 první odečítačky J vystupuje první diference, která má M + 1 bitů, obou hodnot vzorků a ta se zavádí do rozdílového sériového vstupu JJ rozdílového registru J, a současně do druhého inverzního vstupu 52 druhé odečítačky J, do jejího druhého přímého vstupu J1_ se postupně zavádí z rozdílového sériového výstupu 46 číslicové hodnota o íi + 1 hitech předešlé diference vzorků uložené v rozdílovém registru J.

Na druhém sériovém výstupu 56 druhá odečítačky J vystupuje hodnota rozdílu o N + 2 bitech, tj. druhá diference vzorků a ta se zavádí do třetího funkčního vstupu 65, přepínače 6,. Na druhý funkční vstup 62. přepínače J se přivádí hodnota diference z prvního sériového výstupu J6 první odečítačky J.

Na první funkční vstup 61 přepínače _6 ss přivádí vstupní číslicová hodnota přímo ze základního sériového vstupu JJ. Číslicové údaje jsou v registrech uloženy tak, že významnější bity jsou v levých vstupních, kdežto méně významné bity jsou vpravo. Vstup do zapojení je buž sériový, zaváděním přímo do základního sériového vstupu JJ, nebo pai>alelní prostřednictvím vstupního registru J_ a jeho paralelního vstupu JJ.

Vždy po skončení skupiny N + 2 impulsů, jsou hodnoty prvních diferencí vzorků k dispozici na rozdílovém paralelním výstupu J3, vstupní, hodnoty vzorků jsou pro kontrolu k dispozici na kontrolním paralelním výstupu 2J. V závislosti na poloze přepnutí přepínače J se do výstupního registru 2 nasouvaji číslicové hodnoty prvních nebo druhých diferencí, nebo vstupních hodnot pro kontrolu.

Skupiny impulsů pro posun hodnot v registrech a pro funkci obou odečíteček mají pevnou délku. Impulsy pro posun ve výstupním registru 2 se odebírají ze čtvrtého, pátého nebo Šestého taktovacího výstupu impulsního generátoru 8, rovněž v závislosti na přepnutí přepínače _6, jímž ae, jak již bylo uvedeno, určuji», která hodnota se bude nasouvat do výstupního registru 7, Voličovým vstupem 87 ae do impulsního generátoru zavádí číslo M, které se rovná počtu kroků, o který se dříve zastavuje posun údaje ve výstupním registru 2, takže se bity tohoto údaje umístí ve výstupním registi*u J o M stupňů více vlevo, než odpovídá plnému posuvu.

Při tom se M nejvýznsmnějžích bitů údaje ztrácí. .Toto se ušije v případě·, že hodnoty nasouvané do výstupního i'@gistru jsou malé. Vzhledem k pevnému koncovému paralelnímu výstupu JJ se tím údcj ve výstupním registru J vlastně násobí koeficientem 2^H. Údaje z paralelních výstupů registrů, případně jejich sériových výstupů, se zavádějí do dalších číslicových vyhodnocovacích přístrojů, např. měřiče histogramů.

Z tohoto popisu je patrno, že vynalezené zapojeni je velmi jednoduché a má široké použití v číslicové měřicí, komunikační i automatízační technice pro vyšetřování časového průběhu signálů, a to i v oblasti velmi vysokých kmitočtů.

Claims

PŘEDMĚT VYNÁLEZU

1. Zapojení k statistické analýze časového průběhu signálu, vyznačené tím, že základní 1. sériový vstup (15) je připojen k prvnímu funkčnímu vstupu (61) přepínače ¢6), k prvnímý inverznímu vstupu (32) první odečítačky (3) a k paměťovému sériovému vstupu (255 paměťového registru (2), jehož paměťový sériový výstup (26) je připojen k prvnímu příméhu vstupu (31) první odečítačky (3), jejíž první sériový výstup (36) je připojen ke druhému funkčnímu vstupu (62) přepínače (6), ke druhému inverznímu vstupu (52) druhé odečítačky (5) a k rozdílovému sériovému vstupu (45) rozdílového registru (4), jehož rozdílový sériový výstup (46) je připojen k druhému přímému vstupu (51) druhé odečítačky (5), jejíž druhý sériový výstup (56) je připojen k třetímu funkčnímu vstupu (63) přepínače (6), jehož funkční výstup (67) je připojen ke koncovému sériovému vstupu (75) výstupního registru (7), přičemž první taktovací výstup (81) impulsního generátoru (8) je připojen k pamělovému taktovacímu vstupu (24) pamělového registru (2), zatímco druhý taktovací výstup (82) impulsního generátoru (8) je připojen k rozdílovému taktovacímu vstupu (44) rozdílového registru (4) a k prvnímu krokovacímu vstupu (34) první odečítačky (3) a třetí taktovací. výstup (83) impulsního generátoru (8) je připojen k druhému krokovacímu vstupu (54) druhé odečítačky (5), kdežto čtvrtý taktovací výstup (84) impulsního generátoru (8) je připojen k prvnímu pomocnému vstupu (64), pátý taktovací výstup (85) je připojen k druhému pomocnému vstupu (65) a Šestý taktovací výstup (86) je připojen k třetímu pomocnému vstupu (66) přepínače (6), jehož pomocný výstup (68) je připojen ke koncovému taktovacímu vstupu (745 výstupního registru (7).
2. Zapojení podle bodu 1, vyznačené tím, že k základnímu sériovému vstupu (15) je připojen výstup vstupního registru (1), jenž je opatřen paralelním vstupem (13) a jehož základní taktovací vstup (14) je připojen k prvnímu taktovacímu vstupu (81) impulsního generátoru (8).