-
Analog-Korrelator Die Erfindung betrifft einen Analog-Korrelator mit
eine orthogonale Matrix von Kreuzungspunkten bildenden Treib- und Abtastleitungen
und mit an ausgewählten Krezungspunkten angeordneten Reaktanzen zum Einkoppeln elektrischer
Größen in die Abtastleitungen entsprechend den an den Treibleitungen liegenden elektrischen
Größen.
-
Derartige Analog-Korrelatoren dienen zur Korrelation eines in Form
einer quantisierten Analoggröße angebotenen unbekannten Eingangssignales (Wort)
mit einer Vielzahl von in einem Festwertspeicher gespeicherten Bezugsgrößen (Wörtern
oder Wortgruppen). Im einzelnen betrifft die Erfindung einen Korrelator, der einen
Reaktanz-Festwertspeicher zur Berechnung der Gleichung
benutzt. Die Gleichung stellt die Beziehung eines Eingangsvektors
(Wort) zu einer gespeicherten Matrix (mehrere Wörter) dar, worin u. das i-te Bit
des Eingangsvektors, wij das i.te Gewicht der j-ten gespeicherten Bezugagrösse ist.
-
Diese Art der Beziehung geht besser aus der folgenden starken Vereinfachung
hervor : Ein ebne Unbekannte darstellendes Eingangswort wird mit vielen Bezugswörtern
verglichen, um festzustellen, ob es in eine der Bezugskategorien gehört.
-
Die Verwendung von Korrelatoren, die die oben angegebene Gleichung
ausfiihren, liegt im Bereich der Zeichenerkennung, der Spracherkennung und anderer
Anwendungen der Informationagewinnung, die sich durch die obige oder eine ähnliche
Gleichung ausdrucken lassen.
-
Zum besseren Verständnis der Korrelatoren überhaupt, sei kurz ein
Anwendungsbeispiel eines Korrelators in einem bekannten Zeichenerkennungssystem
beschrieben. Es sei angenommen, dass mehrere Prüfungen, z.B. 120, für die Erkennung
von geschriebenen Zeichen vorgesehen sind. Wenn ein Buchstabe A diesen Prüfungen
unterworfen wird, besteht er einige Prüfungen und bei anderen fällt er durch (entsprechend
der Erfüllung oder Nichterfüllung der Prüfbedingungen
). Wenn viele
Formen des Buchstabens A auf diese Weise geprüft wurden, wird die Häufigkeit notiert,
mit der die Prüfung bestanden wurde. Somit kann man jeder der Prüfungen 1 bis 120
ein "Gewicht", wl bis wo20' zuteilen, das die Bedeutung dieser Prüfung für den Buchstaben
A darstellt, oder anders ausgedrückt, die Wahrscheinlichkeit, mit der der Buchstabe
A diese Prüfung besteht. Wenn jetzt Prüfungen an einem unbekannten Buchstaben-vorgenommen
werden, lässt sich ermitteln, ob es sich um den Buchstaben A handelt, indem alle
Gewichte für die Prüfungen addiert werden, die positiv verlaufen. Eine Schwellwertsummierung
zeigt an, ob es sich um den Buchstaben A handelt.
-
Alle anderen Buchstaben können genauso gespeichert werden und die
unbekannten Buchstaben können mit diesen Bezugswerten verglichen werden.
-
Jeder gespeicherte Bezugswert wird als Bezugsebene bezeichnet.
-
Die Kombination der Prüfergebnisse ist das Eingangswort oder der Eingangsvektor.
Die vorliegende Erfindung betrifft weder die Wahl der Gewichte der Bezugsebenen
noch die Einstellung des Schwellwertes für die einzelnen Bezugseenen. Diese werden
durch den Benutzer des Korrelators abhängig von dem vorgesehenen Verwendungszweck
bestimmt. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird jedoch nach einem bekannten
Verfahren der Schwellwert T
(allgemeiner als Taragewicht bezeichnet)
von der Summe der Gewichte subtrahiert, so dass alle Bezugswerte durch Verwendung
eines Null-Schwellwertdetektors gekennzeichnet werden können, d.h. der Eingangsvektor
wird als Senkrechte zur j.ten Ebene bezeichnet, wenn die folgende Gleichung erfüllt
ist:
Die Anwendung eines Gerätes, damit obiger Gleichung in einem Zeichenerkennungssystem
arbeitet, iet beschrieben in einem Artikel von Tunis et al. in "Spectrum", Juli1967,
Seite 72.
-
Eine Möglichkeit zur Lösung der obigen Korrelationsgleichung ist die
Programmierung eines Digitalrechners zur Berechnung der Gleichung. Dieses Verfahren
ist jedoch bezüglich der erforderlichen Zeit und der Schaltung sehr aufwendig.
-
Es wurden auch Vorschläge zur Verwendung von Reaktanzen für die Speicherung
der Analogwerte der Gewichte jeder Ebene unterbreitet. Ein derartiger Vorschlag
wurde von Nagy beschrieben in 1966 IEEE International Convention Record, Part 3,
Computer, pp. 61-68, "Parallel Matrix Multiplier Using Read-Only Array", März 21-25,
1966. Nagy schlägt die Verwendung einet kapazitiven
Speichers mit
Kapazitätskarten vor. Der Eingangsvektor treibt die Bittreibleitungen und der Ausgang
jeder Wortleitung stellt eine Summierung dar. Nach der von Nagy vorgeschlagenen
Anordnung ist jedoch durch das Speisen der Bitleitungen in binärer Weise die Erweiterungsmögllchkeit
der Khrrelatorfunktion zur Erzeugung anderer als binärer Gewichte sehr stark eingeschränkt.
Da ausserdem in jeder aus Reaktanzen aufgebauten Matrix Streureaktanzen vorkommen;
sind beim Fehlen eines Ausgleichs, der durch den Vorschlag von Nagy nicht erreicht'
wird, Fehler sehr wahrscheinlich.
-
Ein anderer bekannter Korrelator arbeitet mit Induktivitäten in einer
Matrix; er iat beschrieben in einem Artikel von Pick et al. mit dem Titel "The Solenoid
Array - A New Computer Element", IEEE Transactions on Electronic Computers, pp.
27-35, Februar 1964.
-
Nach dem dort gezeigten Schema treiben die Bits des Eingangsvektor
Gruppen abgeglichener Spulen. Jede Bezugsebene wird durch eine besondere Ebene gedruckter
Schleifen dargestellt, die wahlweise die Spulen gemäß den vorgegebenen Gewichten
der Bezugsebene in den Kreis einbeziehen. Wenn hier auch die Spulen in allen Gruppen
abgeglichen sind, so sind jedoch die Streureaktanzen nicht abgeglichen, da eine
Spule einer nicht erregten Gruppe von einen Teil des Rückflusses von einer Spule
einer benachbarten, erregten Gruppe durchflossen wird.
-
Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Analog-Korrelator mit
eine orthogonale Matrix von Kreuzungspunkten bildenden Treib- und Abtastleitungen
und mit an ausgewählten Kreuzungspunkten angeordneten Reaktanzen zum Einkoppeln
elektrischer Größen in die Abtastleitungen entsprechend den an den Treibleitungen
anliegenden elektrischen Größen. Der Korrelator zeichnet sich dadurch aus, daß die
Treibleitungen an die n Ausgänge mindestens eines Signalgenerators angeschlossen
sind, dessen Ausgangssignale an n-1 Ausgängen feste Werte nach aufsteigenden Potenzen
von zwei haben und dessen Ausgangssignal am n-ten Ausgang die Summe der Werte der
n- 1 Ausgangssignale auf null ergänzt, und daß die Abtastleitungen über gesteuerte
Schalter mit einem Summierverstärker verbunden sind.
-
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und
den zugehörigen Zeichnungen näher erklärt. Es zeigen: Fig. 1 eine teilweise schematisch.
Darstellung eines Analog-Korrelators, Fig. 2 eine schematische Darstellung eines
irn Ausftihrungsbeispiel der Fig. 1 verwendeten Spannungsteilers.
-
Der in Fig. 1 gezeigte Korrelator enthält eine kapazitive Matrix 10,
eine Schalterreihe 12, einen Summicrverstärker 14 und Spannungsteiler 16., wobei
j für die Zahlen 1 bis m steht. Die übrigen Elemente in den Zeichnungen dienen nur
der Illustration der sequentiellen Funktion des Korrelators. Es sind dies ein Null-Schwellwertdetektor
18, zwei UND-Glieder 20 und 22,^ ein Inverter 24, ein Ringzähler 26 und ein Taktgeber
28.
-
Die kapazitive Matrix ist insofern strukturell einem kapazitiven Festwertspeicher
gleich, als sie Horizontalleitungen und Vertikalleitungen enthält, sowie Kondensatoren,
die an ausgewählten Stellen die Horizontalleitungen mit den Vertikalleitungen verbinden.
In der vorliegenden Matrix stellen die Kondensatoren durch ihre Verbindung mit den
ausgewählten horizontalen Wortleitungen "Gewichte" dar, wobei die Nettoladung pro
vertikale Bitleitung dem gewünschten gespeicherten Gewicht wij für den Korrelator
entspricht. Um einen grossen Gewichtsbereich zu schaffen, sind zahlreiche horizontale
Treibleitungen vorgesehen. Diese Anordnung ist am besten aus einem speziellen Beispiel
zu ersehen. Jeder der Spannungsteiler 16 steuert sechs zu einer Gruppe zusammenge
fasste Treibleitungen. Jede derartige Gruppe bedient eine Bezug~.
-
ebene j. Die Anzahl der Bezugs ebenen spielt für die vorliegende Erfindung
keine Rolle. Wenn die Erfindung in einem ZeichenerZ
kennungssystem
zur Anwendung kommt, können beispielsweise 26 Ebenen entsprechend den 26 Buchstaben
des Alphabets benutzt werden.
-
Alle kapazitiven Koppelelemente in der Matrix haben eine Kapazität
von ungefähr 1 pf und koppeln eine von der Spannung auf d'er Treibleitung abhängige
Ladung auf die Abfrageleitung. Wenn nur der Spannungsteiler 16j erregt ist, haben
die Treibleitungen DL1 bis DL6 der Ebene j Werte von +1, +2; +4, +8, +16 bzw. -31
V, wodurch jedes gespeicherte Gewicht wij einen ganzzahligen Wert.von +31 bis -31
haben kann, so dass ein weiter Gewichtsbereich gegeben ist und die Anforderungen
an das Auflösungsvermögen eines Analogkorrelators erfüllt sind. Im einzelnen koppeln
die Kondensatoren 30, 32 und 34 auf die Abfrageleitung SL1 ein Gesamtgewicht von
wl; = 11. Die Kondensatoren 36 und 38 koppeln eine Ladung auf die Abfrageleitung
SL2, die einem Gesamtgewicht von w2j e -27 entspricht. Die übrigen Kondensatoren
in der Matrix sind nicht dargestellt, da die Kopplung auf zwei Abfrageleitungen
ausreicht, um zu erklären, wie die Gewichte in der Matrix gespeichert werden.
-
Mit den Abfrageleitungen SL1 bis SL120 sind Schalter S1 bis S120 verbunden,
die der Einfachheit halber als mechanioche.Schalter dargestellt sind. Vorzugsweise
sind diese Schalter, als durch den
Eingangsvektor u1 - 120 gesteuerte
Transistorschalter ausgebildet.
-
Im dargestellten Beispiel ist der Eingangsvektor ein binäres Wort
mit einer Länge von 120 Bits. Jedes Bit u. steuert den entsprechenden Schalter Si.
Die Transistorschaltung zur Steuerung der 120 Schalter durch das 120 parallele Bits
enthaltende Eingangswort ist Fachleuten allgemein bekannt und daher nicht genauer
beschrieben, Wenn die Treibleitungen der j-Ebene erregt und die Schalter S1 bis
S120 durch den Eingangsvektor u1-120 gesteuert sind, liefert der Summierverstärker
14 ein Ausgangsssignal proportional
Somit erfolgt eine Korrelation oder ein Vergleich des Eingangs vektors mit der Bezugsgrösse
in der jEbene. Wenn die j-Ebene erregt ist, werden nur die darin gespeicherten Gewichte
auf die Abfrageleitungen S1 bis S120 gekoppelt, weil die Spannungsteiler nur einzeln
in Betrieb sind. Der Eingangsvektor wird mit allen Bezugs ebenen verglichen, indem
die Spannungsteiler 161 bis 16m nacheinander erregt werden, Wenn nur die Bezugsebene
ermittelt werden soll, die mit dem Ein~ gangsvektor die engste Beziehung hat, können
die Ausgangsgrössen gespeichert werden, die sich aus der Erregung der verschiedenen
Ebenen ergeben, wobei diejenige Ebene die grösste Ausgangsamplltüde aufweist, die
die engste Beziehung zum unbekannten Eingangs vektor hat.
-
Die Anwendung des Korrelators z.B. in einem Zeichenerkennungs system
würde den Zusatz von Schwellwerten oder Taragewichten Tj für jeden Bezugswert erfordern,
d.h. der Eingangsvektor steht zenkrecht zur j-Ebene, wenn
Wie bereits gesagt,ist die Festsetzung der Werte für die Taragewichte dem Benutzer
des Korrelators überlassen. In der vorliegenden Erfindung können alle Taragewichte
für die verschiedenen Ebenen jedoch in der Matrix selbst fest eingestellt werden
und gestatten so die Verwendung nur eines einzigen Schwellw'ertverstärkers für mehrere
Ebenen mit verschiedenen Taragewichten.
-
Mit der in Fig. 1 gezeigten Matrix kann eine Gruppe von Abfrageleitungen
leicht so mit "Gewichten" versehen werden, dass für jede Ebene Taragewichte gegeben
sind. Wenn angenommen wird, dass die Abfrageleitu'ngtn SL117- 120 Taragewichte liefern
sollen (in diesem Fall sind die Schalter S1l7 120 geschlossen) gestattet das System
Werte der Taragewichte von -124 (viermal ~31)bis +124 (viermal +31).
-
Bei dieser Verwendungsart kann die Ausgangsspannung des Summierverstärkers
folgendermassen beschrieben werden.;
So können alle Summierungen auf einen Schwellwertdetektor 18 gegeben
werden, wie er in Fig. 1 dargestellt ist, anstatt getrennte Abfrageverstärker für
die Abfrage vorzusehen, wenn die Summierung jeder Ebene über den Schwellwert dieser
Ebene hinausgeht, Ein einfaches Verfahren, das Ausgangssignal des Schwellwert detektors
zur Bestimmung der Ebenen zu verwenden, die senkrecht zum Eingangsvektor stehen,
ist in Fig. 1 gezeigt. Die Taktimpulse vom Taktgeber 28 treiben einen Ringzähler
26,wenn der Korrelator eingeschaltet ist. Der Ringzähler erregt der Reihe nach die
Spannungsteiler 16. Wenn das Ausgangssignal des Summierverstärkers 14 über null
hinausgeht, wird das Ausgangssignal des Schwellwertdetektors 18 positiv, wodurch
die Kombination aus UND-Glied 20 und Inverter 24 die Taktimpulse sperrt, so das
der Ringzähler 26 nicht weitergeschaltet werden kann. Die zuletzt erregte Ebene
hat somit die engste Beziehung zum Eingangsvektor.
-
Ein Beispiel für den Spannungsteiler 16 ist in Fig.2 gezeigt. In diesem
Beispiel haben zwei voneinander getrennte Widerstände eine gemeinsame Ausgangsklemme.
Die Verbindung der Spannungsquellen V1 und V2 mit dem Spannungsteiler wird durch
den Ringzähler gesteuert. Es ist zu beachten, dass eine induktive Matrix, die korn~
struktionsmässig analog zum hier beschriebenen kapazitiven Matrix korrelator sein
soll,. mit Strömen und nicht mit Spannungen zu betreiben ist.'
Wie
bereits gesagt, bilden in Matrizen mit reaktiven Elementen in einem Korrelator die
Streureaktanzen ein Problem, da sie zur Kopplung falscher Gewichte auf die Abfrageleitungen
führen. In der vorliegenden Erfindung wird dieses Problem durch Verwendung abgegli.chener
Treibleitungen- gelöst, -die unabhängig -vom Eingangs vektor gespeist werden. Die
Treibleitungen jeder Gruppe ergeben eine Gesamtspannung von null Volt, und da. die
Streukapazität zwischen allen Treibleitungen und Abfrageleitungen dieselbe ist,
gleichen sich die in eine Abfrageleitung durch Streukapazitäten eingekoppelten Ladungen-aus.
Für diesen Ausgleich ist die Erregung der Treibleitungen unabhängig vom Eingangsvektor
und die Schaltung der Abfrageleitungen abhängig vom Eingangsvektor ein wesentliches
Merkmal. Wenn die Treible.itungen abhängig vom Eingangsvektor gespeist werden, wie
es bisher vorgeschlagenwurde, werden die Streureaktanzen nur in dem unwahrscheinlichen
Fall ausgeglichen, dass der-Eingangsvektor anfallen Treibleitungen gleichzeitig
wirksam ist.
-
Ein für die Konstrukteure wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung
ist die Möglichkeit, die ,kapazitiven Matrizen sehr billig herzustellen, wodurch
auch ein schneller und leichter Austausch der Kondensatoren in der- Matrix ermöglicht
wird. Im Korrelator gestattet das einen,schnellen und leichten Austausch von Bezug~
ebenen.
In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die kapazitive Matrix
als Kondensatorkarten-Festwertspeicher ausgebildet, der allgemein bekannt und beschrieben
ist in "Design of a Printed Card Capacitor Read-Only Store", IBM Journal, März 1966,
p. 142ff. Bei Verwendung eines derartigen Festwertspeichers sind dessen Bitleitungen
als Abtastleitungen des4 Korrelatorn zu verwenden und über Schalter mit einem Summierverstärker
zu verbinden. Die Wortleitungen des genannten Festwertspeicher werden als Treibleitungen
des Korrelators verwendet und jede Gruppe von sechs Treibleitungen mit einem Spannungsteiler
verbunden. Die Kondensatorkarten mit 60 Kreuzungspunkten und somit 60 Abfrageleitungen
in einer Reihe werden paarweise auf der Vorder- und Rückseite einer Speichertafel
getrieben, so dass die Matrix einen Eingangsvektor mit bis zu 120 Bits aufnehmen
kann. Jede Gruppe von sechs Treibleitungen (ein Paar Wortleitungen auf der Vorder.
und Hinter seite werden als eine Treibleitung behandelt) auf der Speicherkarte wird
sequentiell erregt. Bei einer Matrix mit mehreren Karten können die Karten jedoch
gleichzeitig getrieben werden, d.h. die ersten sechs Treibleitungen auf jeder Karte
werden erregt. dann die nächsten sechs usw. Aut diese Weise lässt sich eine seriell-parallele
Korrelation erreichen, wobei Jede Karte von einem Summierverstärker bedient wird.