SU932500A1 - Веро тностный коррелометр - Google Patents

Description

t

Изобретение относитс  к цифровой аымислительной технике и предназначено дл  вычислени  математического

.ожидани , дисперсии, авто- и взаимокоррел ционной функции, а также определени  амплитуды и (|)азы периодической составл ющей исследуемого случайного процесса.

Изобретение может найти применение во многих област х науки и техники (гидрометеорологи ,  дерна  физика, медицина, биологи  св зь и др.), где исследуемые процессы нос т случайный характер.

Известен коррелометр, содержащий блоки крутого и точного квантовани , блоки умножени , блок пам ти, блок усреднени , регистры, блоки элементов И, счетчики, коррелометр позвол ет выделить периодическую составл ющую ll.

Однако с его помощью нельз  определ ть ее амплитудно-фазовые характеристики .

Из известных веро тностных коррелометров наиболее близким по технической суцности к предлагаемому  вл етс  веро тностный коррелометр,, содержащий первый и второй блоки веро тностного кодировани , блок сдвигающих регистров, блок пам ти, блок умножени , выходы которого соединены с выходами каналов преобра зовани , генератор псевдослучайных

to чисел, подключенный своими выходами к вторым входам соответственно первого и второго каналов преобразовани , блок вентилей, счетчик кратности , регистр, d такие блок управлеts ни  , подключенный саоими управл ющими выходами к входом бгюков и узлов устройства 2.

Недостатком (.-ззестного устройства  вл ютс  ограниченныэ:функциональные

Claims (2)

1. возможности, не позвол  сщие производить вычисление амплитудно-фазовых характеристик периорической составл ющей случайного процесса. Цель изобретени  - расширение функциональных возможностей за счет вы влени  периодической составл юще случайного процесса и определени  ее амплитудно-фазовых характеристик Поставленна  цель достигаетс  тем, что в веро тностный коррелометр , содержащий два блока элементов И, регистр, счетчик, первый и второй блоки веро тностного кодировани , первые входы которых  вл ютс соответственно первым и вторым вход ми коррелометра, а вторые и третьи входы блоков веро тностного кодировани  соединены соответственно с со ответствующими выходами генератора псевдослучайных чисел и с первым и вторым выходами блока управлени , выход первого блока веро тностного кодировани  подключен к первым входам первого блока элементов И и бло ка умножени , выход которого соедин с первым входом блока пам ти, второ вход которого объединен о вторым входом блока умножени  и подключен к первому выходу второго блока веро  тностного кодировани , четвертый вход которого соединен с выходом блока пам ти, выход nepBdro блока элементов И через блок сдвигающих регистров подключен к четвертому входу первого блока веро тностного кодировани , управл ющие входы перв го блока элементов И, блока умножени , блока сдвигающих регистров, генератора псевдослучайных чисел и блока пам ти соединены соответственно с третьим, четвертым, п тым, шестым и седьмым выходами блока управлени , введен блок анализа результатов сравнени , вход которого соединен с вторым выходом второго блока веро тностного кодировани , а выходы подключены соответственно к суммирующему и вычитающему входам счетчика и к первому входу второго блока элементов И, второй вход кото рого подключен к третьему выходу второго блока веро тностного кодировани , выход второго блока элемен тов И подключен к входу регистра, выход которого подключен к п тому входу второго блока веро тностного кодировани . Кроме того, блок анализа результатов сравнени  содержит три элемен та И, счетчик, формирователь импуль сов, два триггера и элемент задержки первый вход первого триггера. первые входы первого и второго элементов И и вход счетчика объединены и  вл ютс  входом блока анализа результатов сравнени , выходами которого  вл ютс  соответственно выходы первого и второго элементов И и формировател  импульсов, вход которого подключен к выходу третьего элемента И, входы которого подключены соответственно к первымвыходам первого и второго триггеров, вход второго триггера подключен к выходу счетчика , а второй выход второго триггера подключен ко второму входу второго элемента И, первый выход второго триггера соединен с вторым входом первого элемента И, второй выход формировател  импульсов через элемент задержки соединен с вторым входом первого триггера. На фиг. 1 представлена блок-схема веро тностного коррелометра; на фиг. 2 - схема бхюка управлени ; на фиг. 3 схема блока анализа результатов сравнени ; на фиг. и 5 структуры блоков веро тностного кодировани . Устройство содержит блоки 1 и 2 реоо тностного кодировани , генератор 3 псевдослучайных чисел, блок Ц умножени , блок 5 пам ти, блок 6 элементов И, блок 7 сдвигающих регистров , счетчик 8, блок 9 управлени , блок 10 анализа результата сравнени , регистр 11 и блок 12 элементов И. На фиг. 2 изображена структурна  схема блока 3 управлени , содержащего счетчик 13 шагов, счетчик 1 кратности стохастического преобразовани , счетчик 15 циклов, формировате ь 16 одиночного импульса, генератор 17 тактовых импульсов, элемент И 18, элемент 19 задержки, элемен И 20, блок 21 анализа, триггер 22, блоки 23 и 2 анализа, счетчик 25 вре менных интервалов элементы И 26, 27, элемент ИЛИ 28, триггер 29. На фиг. 3 приведена структурна  схема блока 10 анализа результатов, содержаща  счетчик 30, элементы И 31-33, триггеры З и 35, формирователь 36 импульсов и элемент 37 задержки. На фиг. k изображена структурна  схема блока 1 веро тностного кодировани , содержащего блок 38 элементов И, регистр, 39, схему сравнени , а также накапливающий регистр 1. При этом первый вход блока 38 элементов И соединен с выходом блока 7 сдвигающих регистров, второй вход с информационным входом устрой ства , а управл ющий вход - с выходо блока Э управлени . Блок 38 элемент И через регистр 39 соединен с первы входом схемы kO сравнени , второй вход которой соединен с выходом ;генератора 3 псевдослучайных чисел, а выход - через накапливающий регис Ц, в котором в процессе счета форм руетс  значение математического ожидани , - соединен с входами блок умножени  и блока б элементов И.. На фиг. 5 представлена структурна  схема блока 2 веро тност юго ко дировани , содержащего блок k2 элементов И, регистр 43, схему 44 срав нени , накапливакйций регистр kS, в котором в процессе счета формируетс  математическое (ииидание случай ного процесса, элемент И 46, а также блок 47 элементов И.. Первый вход блока 42 элементов И соединен с выхсдом блока Б пам ти, второй вход с вторым входом устройства , а-третий, управл ющий вход, соединенный с управл ющими входами блока 47 элементов И и элемента И 4 подключен к выходу блока 9 управлени . вход блока 42 элементов И соединен Wepea регистр 43 с первым входо 44 сравнени , второй вход которой соединен через блок 47 элемен тов И с выходом генератора 3 псевдо случайных чисел и с выходом регистр 11, выход схемы 44 сравнени  соединен через накапливающий регистр 45 с входом блока 5 пам ти и входом блока 4 умножени  и через элемент И 46 - с входом блока 10 анализа результата ср авнени . г « « Блоки I и 2 предназначены дл  веро тностного кодировани  ординат процессов x(t) и 2(t), которое состоит в замене входного многоразр дного двоичного или дес тичного числа в одноразр дное двоичное путем сравнени  его на схемах 40 и 44 сравнени  с псевдослучайными числами, подаваемыми с соответствующих выходов генератора 3 Параллельно с вычислением коррел ционной функции в ре гистрах 41 -и 43 происходит также накопление кодированных значений ординат процессов x(t) и z(t) cootветственно . В отличие от блока 1 блок 2 содержит элемент И 46, через который со схемы 44 сравнени  на вход блока 10 анализа подаетс  результат сравнени , О или 1, используемый дл  вы влени  значени  (Kx/z}fnci i по вычисленной взаимокоррел ционной функции. Устройство работает следующим образом. Перед началом работы все узлы и блоки коррелометра устанавливаютс  в начальное (нулевое) состо ние. Случайный процесс, представленный в дискретном виде, поступает на вход блока 1 веро тностного кодировани  (при вычислении автокоррел ционной функции) и на входы блоков.1 и 2 (при вычислении взаимокоррёл ционноЙ функции, амплитуды и фазы исследуемого случайного процесса). Вычисление автокоррел ционной функции осуществл етс  по формуле б;«м, где N - длина с 15рабатываемого р да чисел, ,N; ID - количество вычисл емых ординат коррел ционной функции; X - центрированное текущее значение исследуемого процесса.. Вычисление взаимокоррел ционной функции производитс  по формуле 114 . 1 - текущие центрированные значени  процес ; сое. )HX{t),i .N Вычисление амплитуды А периодической составл ющей случайного проесса x(t) и его фазы Чх производит  по формулам А . WtHOICU) АИ .уив ., U AttF CUjAt, (1) - вычисленное максима льное значение взаимокоррел ционной функции процессов z(tR) и-х(1ц),К-1,М; A - нормированное значе ние амплитуды проце са z(t); - кругова  частота пр цесса z(t) ; At - шаг квантовани  ( временной интервал между двум  соседни ми ординатами случайных процессов z(t) и x(t), m(z. ...„(t)) - номер ординаты проТпЧХ/ . цесса z(t), принимающей максимальное значение на первом периоде; i( (1)) - номер ординаты взаи . мокоррел ционной функции, имеющей максимальное значение . Режим вычислени  коррел ционных функций рассмотрен при условии, что на вход блока 1 поступает процесс x(t), а на вход блока 2 - процесс z(t). : Весь процесс вычислени  коррел ционной функции дл  N пар ординат случайных процессов состоит из N циклов, а в каждом из которых производитс  прием, преобразование пар ординат и коррекци  промежуточных результатов m вычисленных ординат коррел ционной функции. Каждый из Н указанных цик;юв состоит из m шагов . При вычислении автокоррел цион ной функции исследуемый случайный процесс подключаетс  на входы x(t) и z(t) соответственно блоков 1 и 2. При вычислении взаимокоррел ционных функций и К.2./ каждый из двух случайных процессов подаетс  на соответствующие входы x{t) и z(t) бло ков 1 и 2. В начале вычислени  взаимокоррел ционной функции Ку/ в блок 7 сдвигающих регистров заносит с  через блок 1 и блок 6 элементов m значений орданит процесса x(t). По входу z(t) блока 2 веро тностного кодировани  поступает перва  ордината процесса z(t). В первом цикле вычислени  К пошагово вычисл ютс  произведени  вида Xj - z , m-1, которые передаютс  в соответствующие m  чеек блока 5 пам ти . По первому шагу первого цикла из блока 7 сдвигающих регистров в блок 1 передаетс  ордината к-(, (Котора  центрируетс  по начальному введенному значению т,, веро тностно кодируетс  и передаетс  на первый вход блока Ц умножени . По этому же шагу на вход блока 2 поступает ордината z , котора  центрируетс  по введенному начальному значению т, веро тностно кодируетс  и поступает на второй вход блока умножени . Полученное произведение переда етс  на интегратор блока 5 пам ти (не показан), где суммируетс  с содержимым интегратора, частичной суммой, соответствующей номеру m ординаты вычисл емой .коррел ционной функции. В зависимости от задаваемой точности вычислени  блок 9 управлени  определ ет кратность кодировани  Зе , т.е. повтор емость в вычислении произве-. дени  Xj Zyf и накоплении его в интеграторе блока 5 пам ти. По второму шагу блок 3 управлени  выдает синхронизирующий импульс, по которому информаци  в блоке 7 сдвигающих регистров сдвигаетс  на один регистр вправо, информаци  из интегратора блока 5 пам ти переписываетс  в первую  чейку пам ти, а содержимое второй (следующей)  чейки пам ти передаетс  в интегратор. Таким образом, к началу реализации второго шага первого цикла ордината X 2 передаетс  в блок 1 веро тностного кодировани , центрируетс , веро тностно кодируетс  и умножаетс  на центрированное и веро тностно кодированное значение ординаты z.. Процесс перемножени  и накоплени  произведени  х.. i на интеграторе повтор етс  х раз. На этом второй шаг вычислений по первому циклу заканчиваетс  и начинаетс  следую- щий, третий, шаг вычислений произведени  х. z и так далее, до т-ого шага, на котором производитс  вычисление произведени  и накопление его j раз на интеграторе блока 5 пам ти. По каждому из m шагов цикла происходит также накопление в регистре блока 1 (не показан) значений ординат процесса, что позвол ет вычисл ть функцию математического ожидани  процесса x(t) и использовать его в дальнейших вычислени х К. Тот же процесс накоплени  значений ординат процесса z(t) осуществл етс  в блоке 2 веро тностного . кодировани . По окончании L циклов , кратных степени 2, блоки 1 и 2 формируют на своих выходах оценки функций математических ожиданий про цессов x(t) и z(t). Второй (в общем случае, каждый следующий) цикл начинаетс  с.приема m+l (в общем случае, i+1) ординаты процесса x(t) блоком 1 и приема вто рой (в общем случае, i+2-m) орди;наты Процесса z(t) блоком 2.По ко-; /мандам с блока 9 управлени  блок 7 сдвигающих регистров осуществл ет циклический сдвиг информации так, что перва  ордината процесса x(t) исключаетс , ее место замещает втора  ордината, место второй ординаты замещает треть  и так далее. Место т-ой ординаты замещаетс  прин той во втором цикле (т+1)-ой ординатой . Далее происходит вычислени коррел ционных произведений и их накопление в  чейках блока 5 пам ти по рассмотренной выше схеме. По окончании приема N-ой ординат процесса z(t) (т.е. по завершении N-oro цикла ординат) в блоке 5 пам  ти оказываютс  значени  накопленных сумм, которые после нормализации (сдвига) с учетом заданной кратност кодировани  выступают как оценки ор динат взаимокоррел ционной функции Кх/2При вычислении амплитудно-фазовы характеристик процесса x(t) на вход z(t) устройства поступает нормализованный процесс z(t), так что А «i где Р - целое положительное , число. Указанное условие облегчает получение А, которое, как вид но из вышеприведенной формулы, сводитс  к сдвигу значени  Кх/1уц„. (П в сторону младших разр дов на Р, либ к съему информации с (Р+1) и более старших разр дов  чеек блока 5 пам  ти, что и реализовано в предлагаемом устройстве. Отличие в функционировании устройства при совместном вычислении взаимокоррел ционной функции и амплитудно-фазовых характеристик гармонической составл ющей (например, процесса x(t) состоит в следующем. Как и при вычислении коррел ционных функций, первые m значений процесса ) занос тс  в блок 7 сдвига ющих регистров, но в каждом из N |Циклов последовательного вычислени  рдинат Ку|у дополнительно произ вод тс  следующие действи . Каждой из значений z случайного процесса z(t) сравниваетс  со значением, содержащимс  в регистре 11. Сравнение осуществл етс  в блоке веро тностного кодировани  по одному из .известных алгоритмов, например, по методу вычитани . Блок 10 анализа результатов сравнени  принимает с блоком 2 код результата сравнени  и, если блок 12 элементов И открываетс , и занесенное в i-OM цикле в блок 2 веро тностного кодировани  переписываетс  в регистр 11, а в счетчик 8 по инверсному входу записываетс  1. В противном случае, т.е. если 2 элементов И закрыт. и содержимое регистра 11 не мен етс . Однако запись 1 по инверсному входу счетчика 8 осуществл етс  ив. этом случае. Блок Ю анализа результата сравнени  прекращает перебор , при вы влении (предполагаетс , что z(t) - монотонно мен ющийс  случайный процесс), в результате чего в регистре 11 оказываетс  число 2,, а в счетчике 8 - значение номера максимальной ординаты tz rtc«{t.)l. Дальнейшие t,a,i(t) циклы вычислени  осуществл ютс  по описанной выше типовой схеме. По окончании процесса вычислени  взаимокоррел ционной функции производитс  вычисление амплитудного значени  периодической составл ющей , что реализуетс  путем перебора значений ординат взаимокоррел ционной функции . и вы влени  (К). Дл  этого значени  ординат KX/J поступают последовательно из блока 5 пам ти в блок 2, где сравниваютс  с содержимым регистра 11 (предварительно , по команде с блока 9 управлени  регистр 11 устанавливаетс  в нулевое состо ние). В результате S циклов сравнени  () в регистре 11 оказываетс  значение ) сдвинутое на Р разр дов, отображение которого и есть значение А. Параллельно с нахождением (Kyj, ),j, блок 10 анализа результата сравнени  записывает в каждом цикле сравнени  1, по пр мому входу счетчика 8, так, что к концу циклов сравнени  в счетчике формируетс  разность -m(K./2:))il характеризующа  фазовый сдвиг процесса x(t) по сравнению с процессом z(t). Истинное значение фазового сдвига fy определ етс  умножением полученно го в счетчике 8 значени  на априорно известные знамени  cw и &t. Работа блока 9 управлени  заключаетс  в следующем. Дл  организации суммировани  х- и промежуточного итога х вырабатываетс  управл ющий сигнал с элемента И 26 после прихода сигнала Начало цикла. Сигнал Начало цикл это синхронный сигнал конца преобразовани  аналого-цифрового преобразовател  (не показан). На второй вход элемента И 26 подан сигнал с выхода триггера 29. Триггер 29 подготавливаетс  после прихода в схему сигнала Пуск из внешнего устройства (не указано) и сбрасываетс  либо сигналом начальной установки с того же внешнего устройства или сигналом, Конец режима с выхода элемента И 27. Сигнал с выхода элемента И 26 подготавливает .(взводит в единичное состо ние) триггер 22, взводит формирователь 16 и приходит в коррелометр . Дл  организации центрировани  ординаты управл ющий сигнал,  вл ющийс  первым по времени тактовым си налом с генератора 17, проходит через подготовленный элемент И 18 и формирователь 16 одиночного импульса в схему коррелометра на вход бло ка 1 веро тностного кодировани . После прохождени  элемента 19 задержки этот сигнал поступает на счетный вход счетчика I, с выходов которого вырабатываютс  сигналы сдвига генератора 3 псевдослучай.ных чисел (фиг. 1) и организации веро т ностного кодировани  входных значений на блоках 1 и 2. После исчерпани  кратности стоха тиЦеского сравнени  сигнал с выхода последнего разр да счетчика 1 пост пает на счет в счетчик 13 шагов. Пр изменении состо ни  счетчика 13 организуетс  синхронный сдвиг блока 7 сдвигающих регистров и блока 5 па м ти. Далее продолжаетс  управление , организуемое со счетчика 1 KpatHOCTH. После переполнени  счетч |ка 13 и переполнени  счетчика 1 с выхода элемента И 20 организуетс  счет счетчика 15, сброс триггера 22 и стробирование схемы анализа дл  счетчика временных интервалов. После того, как сброшен триггер 22, запрещен проход тактовых сигналов из генератора 17 через элементы 16, 18 на счетчик 1. Работа этих элементов начинаетс  после прихода следующего сигнала Начало цикла. Выдача сигналов Начало цикла организуетс  после выработки сигнала конца временного интервала со схемы анализа. Этот сигнал организует объем информации с аналого-цифрового преобразовател  (не показан). При изменении содержимого счетчика 13 циклов происходит анализ его содержимого на кратность числа циклов некоторому числу г, определ ющему границу участка стационарности на выборке ординат случайного процесса . Если вновь образуемое число на счетчике 15 не кратно г, то ничего более не происходит в данном цикле.: Если же число кратно г, то на выходе схемы анализа образуетс  сигнал, который организует замену величины на новое - т; Режим заканчиваетс  после достижени  содержимого счетчика 15 заданному числу N, что вы вл етс  на схеме 2 анализа. Сигнал с выхода схемы 2 сбрасывает счетчик 15 и стробирует один вход конъюнктора (элемента ) 27. После переполнени  счетчика 13 в этом цикле режим заканчиваетс  и сбрасываетс  триггер 29. Если , то на установочный вход триггера 3 поступает код 1, триггер 3 мен ет свое состо ние на противоположное , и с его единичного выхода на входах счетчика 30 и элемента И 311 озбуждаетс  сигнал, который передаетс  через формирователь 36 на управл ющий вход блока 12 элементов И . Последний открываетс , и занесенное в i -ом цикле в блок 2 z.j переписываетс  в регистр 11. Одновременно через элемент И 32 на инверсный вход счетчика 8 поступает 1. По окончании прохож Е ени  указанных сигналов на нулевой вход триггера 3 приходит с элемента 37 сигнал, который устанавливает триггер 3 в нулевое (начальное) положение, подготавлива , таким образом , блок 10 анализа результатов к новому такту сравнивани . Если же ,,,jn(, то триггер 3 в единичное положение не устанав ливаетс , и блок 12 элементов И ока зываетс  закрытым. В то же врем  запись 1 по инверсному входу счет чика 8 осуществл етс  и в этом случае . По окончании процесса вычислени  сигналу переполнени  счетчика 30 триггер 35 устанавливаетс  8 един ичное положение, при этом эле мент И 3,1 открываетс  и блок 10 анализа результата сравнени  подготавливаетс  к вычислению фазового сдвига. Последнее осуществл етс  параллельно с нахождением реализуетс  путем записывани  Ч через коныонктор 33 по пр мому входу счетчика 8, так что к концу S циклов сравнени  в счетчике 8 форми руетс  разность F mtz nci«l-mtKx/zn J Расширение функциональных возмож ностей за счет вы влени  периодичес кой составл ющей случайного процесса и определени  ее амплитудно-фазовых характеристик не снижает его технико экономических показателей, в частно ти быстродействи  и степени сложнос ти устрсййства (по сравнению с извес ным устройством). Предлагаемое устройство вычисл е фазу и амплитуду периодической соетавл ющей в реальном масштабе време ни, причем введение новых функциональных блоков не сужает частотных границ исследуемого случайного процесса . Это объ сн етс  теи, что вычисление вспомогательных .величин, а именно mfz,,, и ,осущвствл етс  соответственно в начале и в конце основного процесса - вычислени  взаимокоррел ционной функции . Общие затраты машинного времени на вычисление указанных параметров составл ют доли процентов от машинн го времени, потребного дл  вычислени  вза|1мокоррел ционной функции. Формула изобретени  1. Веро тностный коррелометр, содержащий два блока элементов И, регистр, счетчик, первый и второй блоки веро тностного кодировани . 001 первые входы которых  вл ютс  соответственно первым и вторым входами коррелометра, а вторые и третьи входы блока веро тностного кодировани  соединены соответственно с соответствующими выходами генератора псевдослучайных чисел и с первым и вторым выходом блока управлени , выход первого блока веро тностного кодировани  подключен к первым входам первого блока элементов И и блока умножени  , выход которого соединён с первым входом блока пам ти, второй вход которого объединен с вторым входом блока умножени  и подключен к первому выходу второго блока веро тностного кодировани , четвертый вход которого соединен с выходом блока пам ти, выход первого блока элементов И через блок сдвигающих регистров подключен к четвертому входу первого блока веро тностного кодировани , управл ющие входы первого блока элементов И, блока умножени , блока сдвигающих регистров, генератора псевдослучайных чисел и блока пам ти соединены .соответственно с третьим, четвертым, п тым, шестым и седьмым выходами , блока управлени , отличающ и и с   тем, что, с цел.ью расширени  функциональных возможностей за счет определени  периодической составл ющей входного процесса и определени  ее амплитудно-фазовых характеристик, в коррелометр введен блок анализа результатов сравнени , вход которого соединен с вторым выходом второго блока веро тностного кодировани , а выходы подключены соответственно к суммирующему и вычитающему входам счетчика и к первому входу второго блока элементов И, второй вход которого подключен к третьему выходу второго б.лока веро тностного кодировани , выход второго блока элементов И подключен к входу регистра, выход которого подключен к п тому входу второго блока веро тностного кодировани . 2. Коррелометр по п. 1, о т л и- чающийс  тем, что блок анализа результатов сравнени  содержит три элемента И,, счетчик, формирователь импульсов, два триггера и элемент задержки, первый вход первого триггера, первые входы первого и второго элементов И и вход счетчика объединены и  вл ютс  входом блока анализа результатов сравнени , выходами которого  вл ютс  соответственно выходы первого и второго элементов И и формировател  импульсов, вход которого подключен к выходу третьего элемента И, входы которого подключены соответственно к первым выходам первого и второго триггеров, вход второго триггера подключен к выходу счетчика, а второй выход второго триггера подключен к второму входу второго элемента И, первый выход второго триггера соединен с вто9 016 рымвходом первого элемента И, второйвыход формировател  импульсов черезэлемент задержки соединен с вторымвходом первого триггера. Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе 1.Техническое описание коррелометра X 6-. г. Каунас. 1975. л. 20.
2. 2.Авторское свидетельство СССР по за вке ff 2723023/18-2 |, «л. G 06 F 15/336, 1978 (прототип).

   UQ.I

   «