SU1352502A2 - Устройство дл определени медианы случайного процесса - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к специализированным вычислительным устройствам и может найти применение при обработке случайных процессов дл  определени  статистических характеристик ,, в частности дл  определени  медианы и математического ожидани  . случайных процессов. Цель изобретени  - повьпление точности оценки медианы . Цель достигаетс  введением в устройство, элемента И, дополнительного реверсивного счетчика и блока- формировани  временных интервалов. Благодар  этому обеспечиваетс  возможность подачи на вход реверсивного счетчика импульсной последовательности , частота которой автоматически измен етс  с помощью дополнительного реверсивного счетчика, при этом обеспечиваетс  возможность адаптации по частоте заполнени  импульсов при изменении интервала коррел ции анализируемого процесса. 1 з.п.ф-лы, 2 ил. ш (Л

Description

1 1

Изобретение отмоситс  к специализированным вычР Слительнь м устройствам и может 1ганти применение при обработке случайных процессов дл  опре делени  статистических характеристик в частности дл  определени  медианы и математического ожидани  случайных процессов.

Целью изобретени   вл етс  цовыше ние точности оценки медианы.

На фиг.1 представлена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг.2 - блок формировани  временных интервалов .

Устройство содержит блок 1 сравнени , триггер 2 Шмитта, шесть элементов И 3-8, триггер 9 знака, преобразователь 10 код - напр жение, первый и второй элементы ШШ 11 и 12, первый и второй элементы 13 и 14, первый и второй пороговые элементы 15 и 16, реверсивный счетчик 17, генератор 18 импульсов, RS-триггер 19, преобразователь 20 напр жение - код, блок 21 элементов И, дополнительный реверсивный счетчик 22, дополнитель- ный элемент Н 23, блок 24 формировани  временных интервалов.

Блок 24 формировани  временных, интервалов содержит первый формирователь 25 импульсов,, счетчик 26, первый и второй элементы И 27 и 28, дешифратор 29, второй формирователь 30 импульсов.

Выход блока 1 сравнени  подключен к входу триггера 2 Шмитта, пр мой и инверсный выходы которого соединены с первыми входами первого и второго элементов И 3 и 4 и с первыми входами четвертого и п того элементов И 5 и 6, единичный выход триггера 9 знака подключен к первому входу преобразовател  10 Код - напр жение , первый и второй элементы ИЛИ 11-12, выход первого элемента ШШ 11 соединен с входом первого элемента НЕ 13, выход второго элемента НЕ 14 подключен к одному из входов второго элемента ИЛИ 12, другой вход которого соединен с выходом первого порогового элемента 15, выход второго порогового элемента 16 подключен к входу второго элемента НЕ 14, реверсивный счетчик 17j генератор 18, RS-триггер 19. выходы преобразова те- л  20 напр жение - код соединены с входами блока 21 элементов И, выходы которого подключены к соотвётст52502

вующим старшим разр дам реверсивного счетчика 17, вход сложени  дополнительного реверсивного счетчика 22

соединен с выходом дoпoJП итeльнoгo

элемента И 23, выход дополнительного реверсивного счетчика подключен к тактовому входу блока 24 формировани  временных интервалов.

Q Элементы 15 и 16, элементы НЕ 14,

ИЛИ 12 и И 8, RS-триггер 19, преобразователь 20 напр жение - код и блок 21 элементов И определ ют алгоритм работы устройства в начальный

ic; момент времени в зависимости от величины абсолютного значени  входной случайной величины x(t). Элементы- 15 и 16 представл ют собой двухпоро- говый элемент, принцип работы кото2Q рого определ етс  выражением

О, если и, -и,, и,.

1

если

и

х

. и„.

и - величина порога, котора  выбираетс  равной напр жению одной ступени (шага квантовани ) преобразовани  преобразователей 10 и 20. Элементы 15 и 16 могут быть выполнены , например, по схеме, котора  содержит последовательно соединенные схему определени  модул  (абсолютного значени  напр жени ) и пороговое устройство (с порогом DO).

Устройство работает следующим образом.

Случайный сигнал x(t) подаетс  на первый вход блока 1 сравнени , где происходит его сравнение с опорным

напр жением Чог, которое формируетс  преобразователем 10 код - напр же-г ние. Поскольку в начальный момент времени t напр жение на выходе преобразовател  10 код - напр жение равно нулю, то х(с) непосредственно подаетс  на вход триггера 2 Шмитта„ Входной сигнал x(t) также подаетс  на вход второго элемента 16 нечувствительности и на вход преобразовател  20 нагф жение - код. Дл  определенности допустим, что х(Сд в начальный момент времени t, имеет по- о штельное- (отрицательное) значение, тсЛ да на пр мом (инверсном) выходе триггера 2 Шмитта по витс  логический

Tj4ll-j

сигнал 1 , который поступает на первый вход элемента И 3(4). Так как в начальный момент времени реверсивный счетчик 17 находитс  в нулевом со

сто нии, то на выходе п того элемента И 7 имеетс  сигнал 1, который вместе с сигналом 1 с пр мого (инверсного ) выхода триггера 2 Шмитта обеспечивает по вление на выходе элемента И 3(4) логической 1, котора  установит триггер 9 знака в единичное (нулевое) состо ние. В это же врем  сигнал 1 с выхода п того элемента И 7 воздействует на R-вход RS-триггера 19, на пр мом выходе которого по витс  О, а на инверсном выходе - 1. Логический сигнал О,

10

кает сигнал О. При этом состо ние RS-триггера 19 не изменитс , а, следовательно- , второй элемент ИЛИ 12 остаетс  закрытым, а блок 21 элементов И - открытым. В преобразователе 20 напр  жение - код входной сигнал x(t) преобразуетс  в (га+1)-разр д- ный параллельный код. Абсолютное значение напр жени  х(с„) т.е. x(to) , при этом определ етс  2,3,...,(т+1) разр дами кода (1-й разр д определ ет знак и в работе устройства не используетс ) . Логические сигналы с

формируемый на пр мом выходе R&-тpиг- 15 2,3,...,(т+1)-разр дных выходов пре- гера 19, закрывает шестой элемент И образовател  20 напр жение - код

через открытый блок 21 элементов И воздействуют на счетные входы п+1, п+2, ..., n+m триггеров реверсивного 2Q счетчика 17, обеспечива  практически мгновенную установку в соответст- вующие коду состо ни . Таким образом, в m старших разр дах реверсивного счетчика 17 по витс  цифра, котора  25 соответствует абсолютному значению входного сигнала х(Сд) в начальный момент. Эта цифра подаетс  на входы преобразовател  10 код - напр жение,, на выходы которого вырабатываетс  опорное аналоговое напр жение U х(Со) соответствующей положительной (отрицательной) пол рности, поскольку первый (знаковый) вход преобразовател  10 подключен к пр мому выхо ..8, блокиру  подачу импульсов на счетный вход реверсивного счетчика 17 от счётчика 22 с управл емым коэффициентом делени . Реверсивный счетчик 17 будет сохран ть начальное нулевое состо ние. Логический сигнал 1 с инверсного выхода RS-триггера 19 поступает на входы управлени  блока 21 элементов И, открыва  его.

Процесс установлени  (который делитс  с начального момента включени  tg до момента времейи с,когда реверсивный счетчик 17 начнет заполн тьс  импульсами) может происходить дво ко: в зависимости от величины напр жени  входного сигнала х(Сд; в момент времени t включени  устройства. Заме- о

ТИМ, что врем  установлени  очень мало, в предлагаемом устройстве также , как и в прототипе процесс установлени  происходит практически мгновенно .

Рассмотрим первый случай, когда абсолютное значение напр жение входного сигнала x(to) оказываетс  меньше , чем напр жение U, т.е. |x(to)l и. На выходе второго элемента 16 по витс  О, а на выходе второго элемента НЕ 14 возникает сигнал 1, который через второй элемент ИЛИ 12 . воздействует на S-вход RS-триггера 19 и опрокидывает его. При этом на пр мом выходе RS-триггера 19 по вл етс  1, котора  открывает шестой элемент И 8, а на инверсном выходе КЗ-триггера 19 по вл етс  О, который . закрывает блок элементов И 21.

В другом случае, когда абсолютное значение напр жени  входного сигнала x(tg ) оказываетс  большим или равным и , т.е. ix(t(,)l, Uj, на выходе второго элемента 16 по витс  1, а на выходе второго элемента НЕ 14 возни30

35

40

45

50

ду триггера 9 знака. Напр жение Ug,, также поступает на вход первого элемента 15, так как (U ) U , то на

Qfl О

выходе элемента 15 по витс  1, котора  через второй элемент ИЛИ 12 воздействует на 8-вход RS-триггера 19 и переводит его в противоположное состо ние. При этом сигнал 1, по вившийс  на пр мом выходе RS-триггера 19, открывает элемент И 8, а сигнал О, по вившийс  на инверсном выходе RS-триггера 19, закрывает блок 21 элементов И, тем самым ис- . ключает в дальнейшем его вли ние на значение кода m старших разр дов ре-, версивного счетчика 17.

55

Напр жение U также подаетс  на второй вход блока 1 сравнени , с выхода которого напр жение ux(t)x(t)- -Uo поступает на вход триггера 2 Шмитта. Предположим (дл  определенности ) , что в последующий после t момент времени с напр жение &x(t) будет (также как и в начальный мо

кает сигнал О. При этом состо ние RS-триггера 19 не изменитс , а, следовательно- , второй элемент ИЛИ 12 остаетс  закрытым, а блок 21 элементов И - открытым. В преобразователе 20 напр  жение - код входной сигнал x(t) преобразуетс  в (га+1)-разр д- ный параллельный код. Абсолютное значение напр жени  х(с„) т.е. x(to) , при этом определ етс  2,3,...,(т+1) разр дами кода (1-й разр д определ ет знак и в работе устройства не используетс ) . Логические сигналы с

2Q 25

30

35

40

45

50

ду триггера 9 знака. Напр жение Ug,, также поступает на вход первого элемента 15, так как (U ) U , то на

Qfl О

выходе элемента 15 по витс  1, котора  через второй элемент ИЛИ 12 воздействует на 8-вход RS-триггера 19 и переводит его в противоположное состо ние. При этом сигнал 1, по вившийс  на пр мом выходе RS-триггера 19, открывает элемент И 8, а сигнал О, по вившийс  на инверсном выходе RS-триггера 19, закрывает блок 21 элементов И, тем самым ис- . ключает в дальнейшем его вли ние на значение кода m старших разр дов ре- версивного счетчика 17.

55

Напр жение U также подаетс  на второй вход блока 1 сравнени , с выхода которого напр жение ux(t)x(t)- -Uo поступает на вход триггера 2 Шмитта. Предположим (дл  определенности ) , что в последующий после t момент времени с напр жение &x(t) будет (также как и в начальный момент ) положительным (отрицательным). При этом триггер 2 Шмитта останетс  в прежнем состо нии. К этому времени (как отмечалось вьппе) триггер 9 знака находитс  в единичном (нулевом ) состо нии и вместе с триггером 2 Шмитта, который находитс  в единичном (нулевом) состо нии образуют на выходе элемента И 5(6) сигнал 1, который через элемент ИЛИ 11 подаетс  на вход сложени  реверсивного счетчика 17, В реверсивном счетчике 17 устанавливаетс  режим сложени . В начальный момент времени управл ющие элементы счетчика-делител  22 наход тс  в нулевом состо нии (до подачи логических сигналов на первый и второй управл ющие входы), поэтому коэффициент делени  счетчика 22 k 1. Последовательность импульсов с .частотой следовани  f,fд с выхода генератора 18 импульсов через счетчик 22.открывает шестой элемент И 8 и поступает на счетный вход реверсивного Счетчика 17. Перва  же записанна  в реверсивном счетчике 17 1. запирает элемент И 17 и снимает разрешение , с первого и второго элементов И 3 и 4, тем самым исключаетс  в дальнейшем вли ние на состо ние триггера 9, который предназначен дл  хранеки  знака входного процесса x(t).

Таким образом, Б начальный момент работы реверсивного счетчика 17 .он заполн етс  импульсами, следующими с максимальной частотой f f f. , что сокращает врем  поиска медианы. Содержимое реверсивного счетчика 17 будет возрастать и наступит момент , времени когда на счетчик 17 поступит 2 импульсов (п - число младших разр дов) и код (цифра) :п старших разр дов реверсивного счетчика 17 изменитс  на единицу, что приведет к изменению величины опорного напр жени  U(, на величину одной ступени Ug. i Измененное напр жение U подаетс  на вход блока 1 сравнени . Дальнейший процесс продолжаетс  аналогично описанному. Врем - заполнени  г-етадших разр дов реверсивного счетчика 17 при этом равно

9

и

Г V

П ,с

--г

оп.мик

2

Рассмотрим случай, когда Т„„„ц

Г.

Как только ux(c.)x(t)-U

5

0

5

0

5

0

5

0

5

помен ет знак, в рассматриваемом случае станет отрицательным, триггер 2 Шмитта изменит противоположное свое состо ние, что приведет к сн тию разрешени  с элемента И 5(6), с входа элемента ИЛИ 11 и с выхода первого элемента.НЕ 13 сигнал 1 подаетс  на вход вычитани  реверсивного счетчика 17 и переведет реверсивный счетчик 17 в режим вычитани . Начинаетс  процесс вычитани , который длитс  до момента времени обну- Ленин п младших разр дных триггеров реверсивного счетчика 17 . После этого момента с поступлением очередного (вычитающего ) импульса на счетный вход реверсивного счетчика 17 произойдет скачок и (ча выходе преобразовател  10) вниз на одну ступень U и на всех пр мых первых п-разр дных выходах по в тс  единицы, которые поступают на 2,3(п+1) входы первого дополнительного элемента И 23.

Если при этом |дх(сЯ 0, то на выходе первого элемента НЕ 13 будет 1, поступит на первый вход первого дополнительного элемента И 23, а на его выходе по витс  1. Логический сигнал 1 с выхода первого дополнительного элемента И 23 поступает на вход счетчика 22 с управл емьм коэффициентом делени . Это приведет к увеличению коэффициента делени  в J раз (например, в раза). Коэффициент делени  частоты станет равным , при этом частота следовани  импульсов заполнени  реверсивного счетчика 17 уменьшитс  и станет равной , :2, a врем  достижени  переполнени  реверсивного счетчика t,, 2 - 2 г

f, i увеличитс  в раза, В дальнейшем

с каждым скачком U вниз на одну ступень при выполнении услови  |ux(t)| О на п+1 входах первого дополнительного элемента И 23 -будут по вл тьс  1, что будет приводить к увеличению коэффициента делени  счетчика 22 в 1, 1-, I , ,, у раза, т.е. частота следовани  импульсов, згполн ющих реверсивный счетчик 17, будет уменьшатьс  в соответствующее число раз. Процесс автоматической адаптации частоты будет завершен, если будет достигнута необходима  инерционность. При этом значение усчастоты определ етс  вы

ЦOP

После завершени  процесса адаптации j (в установившемс  режиме) установитс  следующее значение коэффициента де-

лени :

Ч

-КИР f I2

При выполнении последнего услови  алгебраическа  сумма количества импульсов L , поступающих на реверсивный счетчик 17 в режиме сложени  и вычитани , будет колебатьс  в диапа- зоне 0 , что помещаетс  в п младших разр дах счетчика 17. Содержание та старших разр дов не будет измен тьс  и  вл етс  искомой оценкой значени  медианного уровн  входного процесса х(с).

Максимально возможное значение коэффициента делени  счетчика 22 с управл емым коэффициентом делени  и значение частоты следовани  импульсо f - определ ют максимальное значение интервала коррел ции входного случайного процесса, дл  которого выполн етс  условие

КОР.МЧКС

«

2

л иакс

Неравенство будет достаточным, если .превьппение будет в (5,..., 10) раз

 

2 -k.

-кор. макс (5,...,10)f

Таким образом, последнее выражение определ ет верхнее значение диапазона возможных величин интервалов коррел ции процессов, анализируемых предлагаемым устройством.

Если в процессе измерений происходит медленное изменение интервала коррел ции анализируемого случайного процесса в сторону уменьшени  (т.е. процесс становитс  более быстрым), то в предлагаемом устройстве предусмотрено автоматическое увеличение частоты следовани  импульсов , которыми заполн етс  реверсивный счетчик 17. Увеличение частоты достигаетс  уменьшением коэффициента делени  ид счетчика 22 с управл емым

0

5 0 5

о

коэффициентом делени . Сигнал, обеспечивающий автоматическое уменьшение коэффициента делени  счетчика 22, формируетс  в блоке 24 формировани  временных интервалов. Этот блок анализирует количество импульсов, которое размещаетс  в интервалах времени пребывани  анализируемого процесса выше и ниже U . Если по вл етс  интервал (выброс положительный или отрицательный относительно U) , длительность которого меньше или равна

M-Ti, (где М - заданное число), то дл  повышени  точности измерений

блок 24 вырабатывает логический сигнал 1. Это сигнал поступает на второй управл ющий вход счетчика 22 с управл емым коэффициентом делени , вызыва  уменьшение коэффициента делени  I раз (например, ), При этом частота следовани  импульсов на выходе счетчика 22 увеличиваетс  в раза. В дальнейшем если будут продолжать по вл тьс  интервалы времени, длительность которых меньше или равна М-Т, то блок 24 будет вырабатывать логические сигналы 1 до тех пор, пока не будет вьтолнено условие

L; : Т .

КОР U

f :L,

А т

35

При этом на интервалах времени выбросов будет размещатьс  более М импульсов , т.е.

Т

-коР

М

Неравенство будет достаточньм, если ,...,10, тогда

Т..

5,...,10

45

или

fr. 5,...,10

л

KOP

50 Необходимое значение коэффициента делени  определ етс  выражением

U А- 5,...,10

Поскольку минимальное значение коэффициента делени  (при этом f f j. f ) , TO минимальное значение интервала коррел ции входного случайного процесса, определ етс  выражением

5,...,10

Блок 24 заданных временных интервалов работает следующим образом. В начальный момент времени (как отмечалось выше) реверсивный счетчик 17 находитс  в нулевом состо нии, следовательно , на выходе п того элемента И 7 формируетс  1, котора  воздействует на второй вход блока 24 или на вход второго формировател  30, котора  на р-выходах (2 / М) в течение короткого времени (равного длительности входного импульса) формирует комбинацию в параллельном двоичном коде, соответствующую цифре М.В р-разр дах счетчика 26 по вит- 4 с  цифра М, котора  в параллельном коде подаетс  на дешифратор 29. Де--, шифратор 29 представл ет собой р-вхо- дную схему И-НЕ, пр мые и инверсные входы которой соединены с разр дными выходами счетчика 26 так, чтобы при поступлении параллельного кода, соответствующего числу М, на выходе формировалс  О. Если на вход дешифратора 29 поступает любой другой код (отличный от М), то на выходе дешифратора 29 формируетс  1. Следовательно , в соответствии с алгоритмом работы дешифратора 29 в начальный момент времени на его выходе по витс  сигнал О, который закрывает элементы И 27 -а 2В, Таким образом, формирователь 30 обеспечивает первоначальную запись заданного кода М в счетчик 26, т.е. осуществл ет подготовку блока 24 к работе. На вход формировател  25 импульсов поступает последовательность импульсов с выхода первого элемента НЕ 13. Формиро- ватель 25 импульсов осуществл ет формирование коротких импульсов в моменты времени, соответствующие моментам времени изменени  пол рности напр жени  л x(t)x(t)-U или в моменты времени фронтов импульсного напр жени  на выходе первого элемента НЕ 13.Форми- ,рователь 25 импульсов может быть выполнен в виде вьщелителей переднего и заднего фронтов (с помощью дифференциальных элементов), выходы которых объедин ютс  элементом ИЛИ. Короткие импульсы с выхода формировател  25

5250210

импульсов поступают на второй вход третьего элемента И 28 и на р-вход установки счетчика 26 в нулевое состо ние . Так как в момент поступлени  первого короткого импульса на выходе дешифратора 29 - О, то этот импульс на выход блока 24 не пройдет (элемент И 28 закрыт). Импульс, ступающий на R-вход установки счетчика 26 в нулевое состо ние, обеспечивает установку всех разр дов счетчика 26 в нулевое состо ние. На выходе дешифратора 29 по витс  1, тора  откроет по первому входу второй дополнительный элемент И 27 (заметим , что этот сигнал 1 по витс  несколько позже, чем импульс с выхода формировател  25 импульсов, кото- рый не пройдет элемент И 28). На счетный вход счетчика 26 (С- вход) поступают импульсы с выхода делител  22 частоты через элемент ,И 27. Содержимое счетчика 26 будет

25 увеличиватьс . Если в течение времени после по влени  очередного импульса на выходе формировател  25 импульсов до по влени  следующего очередного импульса на счетный вход счетчи ,,Q ка 26 поступит М импульсов, то в разр дах счетчика 26 установитс  код, соответствующий числу М. На выходе дешифратора 29 по витс  О, который закроет элементы И 27 и 28. Короткий импульс, формируемый формирователем 25 импульсов, не пройдет на элемент

И 28 и на выходе блока 24 логический

1

сигнал 1 не по витс . Это состо ние (когда в счетчике 26 записан код 0 М, на выходе дешифратора 29 - О, элементы И 27 и 28 закрыты) сохранитс  до по влени  очередного импульса

на R-входе счетчика 26, который переводит счетчик 26 в нулевое состо 5 ние и т.д. Если же длительность между двум  соседними импульсами, формируемыми формирователем 25 импульсов, .оказываетс  меньшей, чем заданна , т.е. если , то к моменту при0 хода на второй вход третьего дополнительного элемента И 28 короткого импульса на первом его входе (на выходе дешифратора 29) будет сохран тьс  сигнал 1. Следовательно, на выS ходе блока 24 по витс  1, т.е. будет зафиксирован факт по влени  временного интервала, длительность которого меньше заданной M Tu..

Таким образом, если на вход предлагаемого устройства подать случайный процесс, интервал коррел ции которого принимает произвольное

в пределах

ПОР

значение и находитс  5,...,10

2. k

,

КОР

(577. .,10)р

то автоматически устанавливаетс  такое значение коэффициента делени  k делител  22 частоты с управл емым коэффициентом делени  (сигналы управлени  формируютс  в блоках 23 и 24), чтобы выполн лось следующее условие:

(5,..., 10)t K,p,

2

ST,5 ,...,10

или

5,...,10

f

- Л,

(5,. . .,10Kop

Численные значени  параметров схемы предлагаемого устройства определ ютс  заданным диапазоном величин , которые может принимать интервал коррел ции входного процесса

f ,ор.ик,н. .ма.пи-. ) Частота следовани  импульсов генератора 18 импульсов определ етс  формулой

fr.

5,..., 10

Затем определ ют требуемое количество младших разр дов п. Дл  I КОР мин коэффициент делени  минимален, .т.е. . Представленную формулу можно записать в таком виде

2 :5,(5,..,,lO)f LKOPмии «

Можно определить значение коэффициента делени  (. )

(5io)f, l:

KOPHIQKS

Л,маис

2

Claims (2)

1. Формула изобретени 

   1, Устройство дл  определени  медианы случайного процесса по авт.

   0

   5

   св. № 1249540, отличающеес  тем, что, с целью повышени  точности оценки медианы, устройство содержит дополнительньм элемент И, дополнительный реверсивный счетчик и блок формировани  временных интервалов , при этом первый вход дополнительного элемента И объединен с входом установки в О блока формировани  временных интервалов и подключен к выходу первого элемента НЕ, выход дополнительного элемента И соединен с входом сложени  дополнительного реверсивного счетчика, вход вычитани  которого подключен к выходу блока формировани  временных интервалов, тактовый вход которого объединен с вторым входом шестого элемента И и соединен с выходом дополнительного реверсивного счетчика, информационный вход блока формировани  временных интервалов подключен к выходу п того элемента И.

   25
2. 2. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е е с   тем, что блок формировани  временных интервалов содержит два формировател  импульсов, счетчик

   30 импульсов, дешифратор, первьш и второй элементы И, причем выход первого элемента И подключен к счетному входу счетчика импульсов, вход установк в -О которого объединен с первым

   35 входом второго элемента И и соединен

   с выходом первого формировател  им- пульсов, вход которого  вл етс  входом установки в О блока, второй вход второго элемента И объединен с

   40 первым входом первого элемента И и подключен к выходу дешифратора, входы которого соединены с выходами соответствующих старших разр дов счетчик импульсов, информационные входы р-стар 45 ших разр дов котсэрого подключены к соответствующим выходам второго формировател  импульсов, вход которого  вл етс  информационным блока второй вход первого- элемента И  вл 50 етс  тактовым входом блока, выход второго элемента И  вл етс  выходом блока.