RU2446455C1 - Apparatus for estimating mean-square deviation of discrete signal - Google Patents
Apparatus for estimating mean-square deviation of discrete signal Download PDFInfo
- Publication number
- RU2446455C1 RU2446455C1 RU2011107556/08A RU2011107556A RU2446455C1 RU 2446455 C1 RU2446455 C1 RU 2446455C1 RU 2011107556/08 A RU2011107556/08 A RU 2011107556/08A RU 2011107556 A RU2011107556 A RU 2011107556A RU 2446455 C1 RU2446455 C1 RU 2446455C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- input
- digital comparator
- counter
- signal
- output
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Complex Calculations (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к специализированным средствам вычислительной техники и может быть использовано в системах, в которых требуется аппаратная реализация алгоритмов оценки среднеквадратического отклонения дискретных сигналов, например, при оценке уровня шума и пороговом обнаружении.The invention relates to specialized means of computer technology and can be used in systems that require hardware-based implementation of algorithms for estimating the standard deviation of discrete signals, for example, when evaluating noise levels and threshold detection.
Известен алгоритм для вычисления выборочного среднеквадратического отклонения по формуле:Known algorithm for calculating sample standard deviation according to the formula:
где хi - цифровые отсчеты входного сигнала, - среднее арифметическое по выборке, N - количество отсчетов в выборке [1]. Данный алгоритм используется, например, в цифровом устройстве квантования видеосигнала на фоне комбинированной помехи [2]. Он содержит ресурсоемкие для аппаратной реализации операции умножения, деления и вычисления квадратного корня. Для вычисления квадратного корня существует несколько известных алгоритмов, например итерационная формула Герона [3], однако она требует использования операции деления на каждом шаге алгоритма. Наиболее простым для аппаратной реализации является целочисленный алгоритм извлечения квадратного корня, основанный на подсчете суммы арифметической прогрессии нечетных натуральных чисел [4].where x i - digital samples of the input signal, is the arithmetic average of the sample, N is the number of samples in the sample [1]. This algorithm is used, for example, in a digital device for quantizing a video signal against a background of combined noise [2]. It contains hardware-intensive operations for multiplying, dividing, and calculating the square root. There are several well-known algorithms for calculating the square root, for example, the Heron iterative formula [3], however, it requires the use of the division operation at each step of the algorithm. The simplest for hardware implementation is an integer square root algorithm based on the calculation of the sum of the arithmetic progression of odd natural numbers [4].
Помимо существенных аппаратных затрат недостатком устройства, реализующего алгоритм (1), является смещение оценки среднеквадратичного отклонения при воздействии случайных импульсных помех.In addition to significant hardware costs, a drawback of a device that implements algorithm (1) is the bias of the estimate of the standard deviation under the influence of random pulsed interference.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемой схеме устройства для оценки среднеквадратического отклонения дискретного сигнала является устройство, включающее в себя компаратор и два реверсивных счетчика. Данное устройство предназначено для оценки медианы дискретного сигнала [5].The closest technical solution to the proposed device scheme for estimating the standard deviation of a discrete signal is a device that includes a comparator and two reversible counters. This device is designed to estimate the median of a discrete signal [5].
Задача изобретения - повышение точности оценки среднеквадратического отклонения по сравнению с устройством квантования видеосигнала на фоне комбинированной помехи, при этом сохраняя схемотехническую простоту устройства-прототипа.The objective of the invention is to increase the accuracy of estimating the standard deviation compared to a quantization device for a video signal against a background of combined interference, while maintaining the circuitry simplicity of the prototype device.
Поставленная задача решается за счет того, что устройство оценки среднеквадратического отклонения содержит два цифровых компаратора и два реверсивных счетчика, при этом первый тактовый сигнал соединен с тактовым входом первого реверсивного счетчика, а второй тактовый сигнал соединен с тактовым входом второго реверсивного счетчика и с входом предварительной установки первого реверсивного счетчика, шина входного сигнала подключена к первому кодовому входу первого цифрового компаратора, шина выходного сигнала подключена к кодовому выходу второго реверсивного счетчика и второму кодовому входу первого цифрового компаратора, выход первого цифрового компаратора соединен с входом управления направлением счета первого счетчика, первый вход второго цифрового компаратора соединен с кодовым выходом первого реверсивного счетчика, а вторым входом второго цифрового компаратора является код, соответствующий константе [0.68·N], выход второго цифрового компаратора соединен с входом управления направлением счета второго реверсивного счетчика.The problem is solved due to the fact that the device for estimating the standard deviation contains two digital comparators and two reversible counters, while the first clock signal is connected to the clock input of the first reversing counter, and the second clock signal is connected to the clock input of the second reversing counter and with the preset input the first reverse counter, the input signal bus is connected to the first code input of the first digital comparator, the output signal bus is connected to the code you the second reversible counter and the second code input of the first digital comparator, the output of the first digital comparator is connected to the control input direction of the counting of the first counter, the first input of the second digital comparator is connected to the code output of the first reversible counter, and the second input of the second digital comparator is a code corresponding to the constant [ 0.68 · N], the output of the second digital comparator is connected to the input of the direction control of the account of the second reversible counter.
Введение второго компаратора в устройство [5] позволяет реализовать следующий алгоритм оценки:The introduction of the second comparator in the device [5] allows you to implement the following evaluation algorithm:
, ,
где xi - отсчеты амплитуды входного сигнала, , i=0,1,2… Состоятельность оценки следует из свойств нормального распределения:where x i - samples of the amplitude of the input signal, , i = 0,1,2 ... Consistency of the estimate follows from the properties of the normal distribution:
где µ и σ - истинные значения среднего и среднеквадратического отклонений.where μ and σ are the true values of the mean and standard deviation.
Предлагаемое устройство использует для оценки среднеквадратического отклонения свойство дискретного распределения, что сумма вероятностей всех событий в распределении равна единице, а также вычисленное значение среднеквадратического отклонения для стандартного нормального распределения. Устройство [2] использует для оценки среднеквадратического отклонения значения амплитуды сигнала, из-за этого ошибка оценки сильно повышается при наличии в сигнале импульсной помехи. Введение второго компаратора в устройство-прототип позволяет получать состоятельную оценку среднеквадратического отклонения в соответствии с алгоритмом (2), не используя значений амплитуды сигнала, уменьшая ошибку оценки при воздействии случайной импульсной помехи.The proposed device uses the discrete distribution property to estimate the standard deviation, that the sum of the probabilities of all events in the distribution is unity, as well as the calculated standard deviation for the standard normal distribution. The device [2] uses the signal amplitude values to estimate the standard deviation, because of this the error of the estimate increases significantly when there is pulsed noise in the signal. The introduction of the second comparator into the prototype device allows you to get a consistent estimate of the standard deviation in accordance with algorithm (2), without using signal amplitude values, reducing the estimation error when exposed to random impulse noise.
На фиг.1 представлена блок-схема устройства для оценки среднеквадратического отклонения дискретного сигнала, где: 1 и 3 - первый и второй цифровые компараторы, 2 и 4 - первый и второй реверсивные счетчики, х, у - шины входного и выходного сигналов, соответственно, S - цифровой код, соответствующий числуFigure 1 shows a block diagram of a device for estimating the standard deviation of a discrete signal, where: 1 and 3 are the first and second digital comparators, 2 and 4 are the first and second reversible counters, x, y are the input and output signal buses, respectively, S - digital code corresponding to the number
[0.68·N], f∂ - первый тактовый сигнал, соответствующий частоте дискретизации, f∂/N - второй тактовый сигнал, соответствующий частоте дискретизации, деленной на N=2R(R=1,2,3…), r - вход управления направлением счета первого счетчика, С - код, накопленный в первом счетчике, подаваемый на первый вход второго цифрового компаратора, q - вход управления направлением счета второго счетчика.[0.68 · N], f ∂ is the first clock signal corresponding to the sampling frequency, f ∂ / N is the second clock signal corresponding to the sampling frequency divided by N = 2 R (R = 1,2,3 ...), r is the input control the direction of counting of the first counter, C is the code accumulated in the first counter supplied to the first input of the second digital comparator, q is the input of controlling the direction of counting of the second counter.
На фиг.2 представлены зависимости общей нормированной ошибки оценки ε от разрядности длины выборки R, полученные по результатам моделирования работы устройств, реализующих алгоритмы (1) и (2) при воздействии белого нормального шума, где: 1 - экспериментальная кривая, 2 - ее аппроксимация, 3 - результат, полученный при помощи алгоритма (1).Figure 2 shows the dependences of the general normalized error of estimating ε on the bit length of the sample length R obtained from the results of modeling the operation of devices that implement algorithms (1) and (2) when exposed to normal white noise, where: 1 is the experimental curve, 2 is its approximation , 3 - the result obtained using algorithm (1).
На фиг.3а и фиг.3б представлены зависимости общей нормированной ошибки оценки ε в условиях воздействия импульсной помехи с равномерным распределением амплитуды и скважности от вероятности появления помехи p, устройств, реализующих алгоритмы (2) и (1) соответственно. Кривые 1, 2, 3, 4, 5 соответствуют значениям разрядности выборки R=8, 9, 10, 11, 12.Figures 3a and 3b show the dependences of the total normalized error in estimating ε under the influence of impulse noise with a uniform distribution of amplitude and duty cycle on the probability of occurrence of noise p, devices that implement algorithms (2) and (1), respectively.
Устройство работает следующим образом: первый реверсивный счетчик 2 имеет разрядность R+1, значение в нем увеличивается на единицу младшего разряда, если очередной отсчет х меньше оценки среднеквадратического отклонения у, полученной по предыдущим N отсчетам, уменьшается в противном случае. После N операций сравнения и накопления полученное в первом счетчике значение С попадает на вход второго компаратора, где сравнивается с числом S. Если С<S, то значение второго реверсивного счетчика увеличивается, в противном случае - уменьшается на единицу младшего разряда. Разрядность второго реверсивного счетчика равна разрядности отсчетов входного сигнала.The device works as follows: the first
Моделирование работы устройств, реализующих алгоритмы (1) и (2) при воздействии белого нормального шума, показало, что предлагаемое устройство оценки имеет общую ошибку на 2-3% большую, чем устройство, реализующее алгоритм выборочного среднеквадратического отклонения. Исследования показали, что наибольший вклад в общую ошибку оценки вносит систематическая составляющая, которая может быть скомпенсирована при помощи значений, приведенных в таблице 1, при этом общие ошибки предлагаемого и известного устройств оценки приблизительно равны.Modeling the operation of devices implementing algorithms (1) and (2) under the influence of white normal noise showed that the proposed evaluation device has a total error of 2–3% larger than a device that implements a selective standard deviation algorithm. Studies have shown that the largest contribution to the overall estimation error is made by the systematic component, which can be compensated using the values given in table 1, while the overall errors of the proposed and known evaluation devices are approximately equal.
Моделирование работы устройств, реализующих алгоритмы (1) и (2) в условиях воздействия импульсной помехи с равномерным распределением амплитуды и скважности, показало, что при высокой вероятности появления импульса помехи (p≥0.1%), ошибка предлагаемого устройства от 2 до 4 раз меньше, чем ошибка устройства, реализующего алгоритм (1).Modeling the operation of devices that implement algorithms (1) and (2) under the influence of impulse noise with a uniform distribution of amplitude and duty cycle showed that with a high probability of the appearance of an interference pulse (p≥0.1%), the error of the proposed device is 2 to 4 times less than the error of the device that implements the algorithm (1).
В таблице 2 приведены сравнительные данные по аппаратным затратам на примере обработки 8-разрядных отсчетов на базе ПЛИС фирмы Xilinx серии Spartan 2. Видно, что предложенное устройство для оценки среднеквадратического отклонения дискретного сигнала дает существенное сокращение (от 4 до 6 раз) аппаратных затрат по сравнению с устройством, реализующим алгоритм (1).Table 2 shows the comparative data on the hardware costs by the example of processing 8-bit samples based on the FPGA of the Xilinx Spartan 2 series. It can be seen that the proposed device for estimating the standard deviation of a discrete signal provides a significant reduction (from 4 to 6 times) in hardware costs compared with a device that implements the algorithm (1).
Таким образом, разработанная схема устройства для оценки среднеквадратического отклонения дискретного сигнала обладает следующими особенностями:Thus, the developed device circuit for estimating the standard deviation of a discrete signal has the following features:
- высокая точность оценки в условиях воздействия импульсных помех (ошибка предлагаемого устройства в 2-4 раз меньше, чем ошибка устройства, реализующего алгоритм (1) при высокой вероятности появления импульсной помехи (p≥0.1%));- high accuracy of the assessment under the influence of pulsed noise (the error of the proposed device is 2-4 times less than the error of the device that implements the algorithm (1) with a high probability of the occurrence of pulsed noise (p≥0.1%));
- простота схемотехнической реализации;- simplicity of circuitry implementation;
- существенная экономия ресурсов системы (уменьшение в 4-6 раз аппаратных затрат по сравнению с устройством, реализующим алгоритм (1)).- significant saving of system resources (4-6 times reduction in hardware costs compared to a device that implements algorithm (1)).
Источники информацииInformation sources
1. Smith S.W. The scientist and engineer's guide to digital signal processing. - San Diego: California technical publishing, 1999. - 650 с.1. Smith S.W. The scientist and engineer's guide to digital signal processing. - San Diego: California technical publishing, 1999 .-- 650 p.
2. Патент РФ на изобретение №2277715.2. RF patent for the invention No. 2277715.
3. Выгодский М.Я. Арифметика и алгебра в Древнем мире. - М.: Наука, 1967. - 368 с.3. Vygodsky M.Ya. Arithmetic and Algebra in the Ancient World. - M .: Nauka, 1967 .-- 368 p.
4. Киселев А.П. Алгебра. Ч.П. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. - 248 с.4. Kiselev A.P. Algebra. C.P. - M .: FIZMATLIT, 2005 .-- 248 p.
5. Патент РФ на изобретение №2400809 - прототип.5. RF patent for the invention No. 2400809 - prototype.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011107556/08A RU2446455C1 (en) | 2011-03-01 | 2011-03-01 | Apparatus for estimating mean-square deviation of discrete signal |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011107556/08A RU2446455C1 (en) | 2011-03-01 | 2011-03-01 | Apparatus for estimating mean-square deviation of discrete signal |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2446455C1 true RU2446455C1 (en) | 2012-03-27 |
Family
ID=46030974
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2011107556/08A RU2446455C1 (en) | 2011-03-01 | 2011-03-01 | Apparatus for estimating mean-square deviation of discrete signal |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2446455C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2533651C2 (en) * | 2013-02-14 | 2014-11-20 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ВОЕННАЯ АКАДЕМИЯ СВЯЗИ имени Маршала Советского Союза С.М. Буденного" Министерства обороны Российской Федерации | Method of radio signal discrimination |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN85100197A (en) * | 1985-04-01 | 1985-09-10 | 孙兴民 | Power factor calibration system with " invalid action " locking link |
SU1688432A1 (en) * | 1989-09-11 | 1991-10-30 | Предприятие П/Я Г-4492 | Radio channel discrete signals distortion tester |
US5995163A (en) * | 1996-09-30 | 1999-11-30 | Photobit Corporation | Median filter with embedded analog to digital converter |
RU2188499C2 (en) * | 2000-04-07 | 2002-08-27 | Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П.Королева" | Method and digital filter for digital filtration of signals |
CN2722543Y (en) * | 2002-11-14 | 2005-08-31 | 刘立龙 | Symmetrical pattern generating circuit of signal generator |
RU2400809C1 (en) * | 2009-03-12 | 2010-09-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный институт электронной техники (технический университет) | Digital filter for assessment of slowly changing median of signal |
-
2011
- 2011-03-01 RU RU2011107556/08A patent/RU2446455C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN85100197A (en) * | 1985-04-01 | 1985-09-10 | 孙兴民 | Power factor calibration system with " invalid action " locking link |
SU1688432A1 (en) * | 1989-09-11 | 1991-10-30 | Предприятие П/Я Г-4492 | Radio channel discrete signals distortion tester |
US5995163A (en) * | 1996-09-30 | 1999-11-30 | Photobit Corporation | Median filter with embedded analog to digital converter |
RU2188499C2 (en) * | 2000-04-07 | 2002-08-27 | Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П.Королева" | Method and digital filter for digital filtration of signals |
CN2722543Y (en) * | 2002-11-14 | 2005-08-31 | 刘立龙 | Symmetrical pattern generating circuit of signal generator |
RU2400809C1 (en) * | 2009-03-12 | 2010-09-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный институт электронной техники (технический университет) | Digital filter for assessment of slowly changing median of signal |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2533651C2 (en) * | 2013-02-14 | 2014-11-20 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ВОЕННАЯ АКАДЕМИЯ СВЯЗИ имени Маршала Советского Союза С.М. Буденного" Министерства обороны Российской Федерации | Method of radio signal discrimination |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Cohen | Signal denoising using wavelets | |
Tung et al. | Detecting chaos in heavy-noise environments | |
US9077360B2 (en) | Extension of ADC dynamic range using post-processing logic | |
Johansen et al. | A necessary moment condition for the fractional functional central limit theorem | |
O'Toole et al. | Accurate and efficient implementation of the time–frequency matched filter | |
RU2446455C1 (en) | Apparatus for estimating mean-square deviation of discrete signal | |
CN108847905A (en) | A kind of multichannel fanaticism number detects the adaptive threshold detecting method in receiving | |
CN105515765B (en) | The biological secret key generation method of adaptive dynamic quantization | |
CN106645943A (en) | Weak signal denoising method based on wavelet theory and EEMD | |
CN110837088A (en) | Data denoising method for spaceborne laser altimeter | |
RU2678822C2 (en) | Signals filtering method during the target detection and device for its implementation | |
CN105375927A (en) | Low frequency band number support set fast recovery algorithm based on MWC system | |
Samann et al. | Adaptive Real-Time Wavelet Denoising Architecture Based on Feedback Control Loop | |
Tofel et al. | Signal time delay estimation using square correlation method and wavelet analysis | |
Nesteruk | Verification of SIR simulations of the new summer COVID-19 wave in Japan | |
EP2886044B1 (en) | System and a method for acquisition of ECG signals with motion artifact reduction. | |
Liu et al. | An improved wavelet packet denoising algorithm based on sample entropy for IoT | |
Akhil et al. | A Novel Approach for detection of the symptomatic patterns in the acoustic biological signal using Truncation Multiplier | |
Lee et al. | Discrete linear canonical transform of finite chirps | |
RU2400809C1 (en) | Digital filter for assessment of slowly changing median of signal | |
Hu et al. | Detection of costas-encoding frequency-hopping signal based on suppressing power spectrum and pulse detection | |
RU2771593C1 (en) | Probabilistic apparatus for calculating the average total power | |
Baisen et al. | Speech endpoint detection with low SNR based on HHTSM | |
Pajonk et al. | A Deterministic Filter for non‐Gaussian State Estimation | |
Tesei et al. | Application to locally optimum detection of a new noise model |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20140302 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20150220 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180302 |