Устройство для определения одномерных начальных моментов к- го порядка случайного сигнала

 

. su„„ o4S4 а

СО1ОЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧНж ИХ

РЕСПУБЛИН

y g G 06 F 15/36

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ "

К ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ГЮ ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21),3543131/18-24 (22) 11.01.83 (46) 15.08.84. Бюл. У,30 (72) В.А. Медведев и А.Г. Титов (53) 681.33(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

N - 798866, кл. G 06 F 15/36, 1978.

2. Авторское свидетельство СССР

11 - 734721, кл. G 06 F 15/36, 1978 (прототип). (54)(57) 1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕ"

НИЯ ОДНОМЕРНЫХ НАЧАЛЬНЫХ МОМЕНТОВ

K -ГО ПОРЯДКА СЛУЧАЙНОГО СИГНАЛА 9 содержащее элементы И, счетчики, блок определения среднего и аналого-цифровой преобразователь, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет определения центрального момента второго порядка, в него введены реверсивные счетчики, дешифратор, триггеры, ключ, блок индикации, источник постоянного напряжения, цифро-аналоговый преобразователь, элементы ИЛИ, элементы НЕ, переключатели, а аналого-цифровой преобразователь состоит из источника постоянного напряжения, блока модуля, ключа, интегратора, компаратора, элемента И и генератора импульсов, выход которого соединен с первым входом элемента И аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к первым входам первого и второго элементов И и блока определения среднего, выход которого соединен с первым входом дешифратора и через .цифро-аналоговый преобразователь подключен к первому входу ключа, выход которого через блок модуля соединен с вторым .входом блока определения среднего и с первыми входами третьего элемента И и ключа аналого-цифрового преобразователя, выход которого через последовательно соединенные интегратор и компаратор подключен к второму входу элемента

И аналого-цифрового преобразователя, к первым входам четвертого и пятого элементов И и к входу элемента НЕ, выход которого соединен с первыми входами шестого и седьмого элементов

И и с R -входом первого триггера, нулевой выход которого подключен к йторым входам четвертого и пятого элементов И, выход которого соединен с,. ®

Q вторым входом ключа, третий вход которого является информационным входом устройства, единичный выход первого триггера соединен с третьим входом блока определения среднего, с с первыми входами первого элемента

ИЛИ и восьмого элемента И и с входом счетчика, выходы которого подключены к входам первого переключателя, выход которого соединен с Р -входом второго триггера, с вторым входом B0cbмого элемента И и с входом второго счетчика, выход предпоследнего разряда которого подключен к третьему входу пятого элемента И к второму входу седьмого элемента И, выход которого соединен с вторым входом второго элемента ИЛИ, выход которого )р» подключен к 3 -входу третьего тригге ра, единичный выход которого соединен с первым входом блока индикации и с Вторым входом первого элемента ИЛИ, выход которого подключен к второму входу ключа аналого-цифрового преобразователя, третий вход ко1108464 торого соединен с выходом источника постоянного напряжения, выход старmего разряда второго счетчика подключен к первому входу девятого элемента И и к второму входу шестого элемента И, выход которого соединен

C вторым входом второго элемента ИЛИ, выход первого разряда первого счетчика подключен к четвертому входу блока определения среднего и к -входу второго триггера, единичный выход которого соединен с третьим входом четвертого элемента И, выход которого подключен к первому входу первого реверсивного счетчика, выход которого соединен с S -входом первого триггера, выходы первого, счетчика подключены к входам третьего элемента ИЛИ, выход которого соединен с вторым входом третьего элемента И, выход которого подключен к первому входу четвертого элемента

ИЛИ, выход которого соединен с первым входом второго реверсивного счетчика, выход которого подключен к вто- рому входу дешифратора, выход которого соединен с вторым входом бло1

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано для контроля и анализа случайных сигналов с узкополосным спектром.

Известно устройство для определения начальных моментов случайного процесса, содержащее аналого-цифровой преобразователь (АЦП} 13.

Однако такое устройство отличается сложностью. 10

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для определения одномерных начальных моментов

К-го порядка случайного сигнала, содержащее аналого-цифровой преобразователь, (K 1) канал оценки .начальных моментов, блок формирования среднего значения (23.

Однако данное устройство достаточно сложно. 20

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет определения центрального момента второго порядка. ка индикации, выходы восьмого эле-мента И подключены соответственно к третьему входу третьего элемента И, к вторым входам первого, девятого и ,второго элементов И, выход которого соединен с вторым входом первого реверсивного счетчика, подвижный контакт второго переключателя подключен к источнику постоянного напряжения, замыкающий контакт второго переключателя соединен с третьими входами шестого и девятого элементов

И, размыкающий контакт второго пере- ключателя подключен к третьему входу седьмого элемента И, Й -вход третьего триггера является входом

"Пуск" устройства.

2. Устройство по п. 1, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что блок определения среднего содержит элемент

И и реверсивный счетчик, выход кото,рого является выходом блока первым !

У % третьим и четвертым входами которого являются входы элемента И, выход которого соединен с первым входом реверсивного счетчика, второй вход которого является вторым входом блока.

Указанная цель достигается тем, что в устройство для определения одномерных начальных моментов к-ro порядка случайного сигнала, содержащее элементы И, счетчики, блок определения среднего и аналого-цифровой преобразователь, введены реверсивные счетчики, дешифратор, триггеры, ключ, блок индикации, источник постоянного напряжения, цифро-аналоговый преобразователь, элементы

ИЛИ, элемент НЕ, переключатели, а аналого-цифровой преобразователь состоит из источника постоянного напряжения, блока модуля, ключа, интегратора, компаратора, элемента И и генератора импульсов, выход которого соединен с первым входом элемента

И аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к первым входам первого и второго элементов

И и блока определения среднего, выход которого соединен с первым входом дешифратора и через цифро8464 з 11О аналоговый преобразователь подключен к первому входу ключа, выход которого через блок модуля соединен с вторым входом блока определе ния среднего и с первыми входами третьего элемента И и ключа аналого-цифрового преобразователя, выход которого через последовательно соединенные интегратор и компаратор подключен к второму входу элемента 1р

И аналого-цифрового преобразователя, к первым входам четвертого и пятого элементов И и к входу элемента НЕ, выход которого соединен с первыми входами шестого и седьмого элементов

И с 8 -входом первого триггера, нулевой выход которого подключен к вторым входам четвертого и пятого элементов И, выход которого соединен с вторым входом ключа, третий вход которого является информационным входом устройства, единичный выход первого триггера соединен с третьим входом блока определения среднего, с первыми входами первого элемента 25

ИЛИ и восьмого элемента И и с входом счетчика, выходы которого подключены к входам первого переключателя, выход которого соединен с -входом . второго триггера, с вгорым входом . 3п восьмого элемента И и с входом второго счетчика, выход предпоследнего разряда которого подключен к третьему входу пятого элемента И и к второму входу седьмого элемента И, выход которого соединен с вторым входом первого элемента ИЛИ, выход которого подключен к S --входу третьего триггера, единичный выход которого соединен с первым входом блока ин-. 4p дикации и с вторым входом первого элемента ИЛИ, вьжод которого подклю". чен к второму входу ключа аналогоцифрового преобразователя, третий вход которого соединен с выходом 45 источника постоянного напряжения, вьжод старшего разряда второго счетчика подключен к первому входу девятого элемента И и к второму входу шестого элемента И, выход которого 5Р соединен с вторым входом второго

° элемента ИЛИ, выход первого разряда первого счетчика подключен к чет-, вертому входу блока определения среднего и к 5 -входу второго триг- 55 гера, единичный выход которого соединен с третьим входом четвертого элемента И, выход которого подключен к первому входу первого реверсивного счетчика, выход которого соединен с

5-входом первого триггера, выходы первого счетчика подключены к входам третьего элемента ИЛИ, выход которого соединен с вторым входом третьего элемента И, выход которого подключен к первому входу четвертого элемента ИЛИ, выход которого соединен с первым входом второго реверсивного счетчика, выход которого подключен к второму входу дешифратора, выход которого соединен с вторым входом блока индикации, выходы восьмого элемента И подключены соответственно к третьему входу третьего элемента И, к вторым входам первого,. девятого и второго элементов И, выход которого соединен с вторым входом первого реверсивного счетчика, подвижный контакт второго переключателя подключен к источни;ку постоянного напряжения, замыкающий контакт, второго переключателя соединен с третьими входами шестого и девятого элементов И, размыкающий контакт второго переключателя подключен к третьему входу седьмого элемента И, -вход третьего триггера является входом "Пуск" устройства.

Блок определения среднего содержит элемент И и реверсивный счетчик, выход которого является выходом блока, первым, третьим и четвертым входами которого являются входы элемента И, вьжод которого соединен с первым входом реверсивного счетчика, второй вход которого является вторым входом блока.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства; на фиг. 2 и 3— временные диаграммы, поясняющие его работу (на фиг. 3 поясняется работа устройства при определении дисперсии случайного сигнала).

Устройство состоит из интегрирующего АЦП 1, блока 2 определения среднего (блока определения математичес" кого ожидания), реверсивного счетчика 3 управления, реверсивного счетчика 4 результата, десятичного счет - чика 5 порядка момента, (й+1)-разрядного счетчика 6 выборки, тригге- ров 7-9, элементов И 10 — 18, элементов ИЛИ 19 — 22, элемента НЕ 23, цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) 24, дешифратора 25, блока 26 индикации, переключателей 27 и 281108464

АЦП 1 включает в себя блок 29 модуля, аналоговый ключ, 30, источник

31 напряжения, интегратор 32, компаратор 33, генератор 34 импульсов, элемент И 35. 5

Блок 2 определения среднего включает в себя элемент И 36 и реверсивный счетчик 37. Устройство содержит также ключ 38 и источник 39 постоянного напряжения.

Устройство реализует известный. алгоритм вычисления оценки одномерных начальных моментов Й -го порядка случайного сигнала при фиксированном объеме выборки

f5

С„Сх(Д - —" Rх"(Д, р1

20 где — 1,2,3..., .

Х(1 1- значение случайного сигнала в момент времени, Й вЂ” объем выборки.

Кроме того, устройство позволяет вычйслить оценку центрального одномерного момента второго порядка, т.е. дисперсию случайного сигнала.

В этом случае устройство реализует алгоритм

В момент времени + по команде

"Пуск" триггер 9 подключает выходной сигнал с помощью ключа 30 к входу интегратора 32.

Так как входной сигнал Х Я имеет узкополосный спектр, то в течение времени одного цикла вычисления где М ((Я " математическое ожидание случайного сигнала.

Устройство работает следующим 35 образом.

Исходное состояние устройства: переключатель 28 в положении вычисления момента к-го порядка (например, третьего); переключатель 27 в ниж- 4О нем положении; триггер 9 установлен в единичное состояние, следовательно, на управляющем входе ключа 30 высокий потенциал, на входе интегра- тора 32 отрицательный .потенциал ис- 45 точника 31; интегратор в состоянии насыщения, поэтому на его выходе установлен отрицательный потенциал, на выходе компаратора нулевой потенциал; счетчики 3, 4, 5, б и 37 уста- 50 новлены и нуль. оценки К -ro момента T < = -, его величина практически остается постоянной и тогда можно считать, что на вход интегратора 32 поступает сигнал неизменной амплитуды.

На его выходе в момент времени напряжение будет равно: ъ 1= (" вк(, где Тц — постоянная времени ин тегратора;

u,„„== (М

m„ — масштаб входного сигнала.

При 0 „„ = 0 компаратор ЗЗ пропустит импульсы генератора 34 через элемент И 35 на вход блока 2 и вход счетчика 3 управления.

Интервал времени Ро=- . -.Е; определяется разностью счетчика 3 управления. В момент времени импульсный сигнал обнуления устанавливает триггер 7 в единичное состояние, подключая тем самым с помощью ключа 30 источник 31 эталонного напряжения к входу интегратора 32. Так как напряжение источника 31 Е по знаку противоположно напряжению с выхо" да блока 29 модуля, выходное напряжение интегратора 32 уменьшается.

Кроме того, высокий потенциал с еди" ничного выхода триггера 7 подается на вход счетчика 5 порядка и на второй вход элемента И 36. Так как с появлением высокого потенциала на единич-. ном выходе триггера 7 одновременно на выходе первого разряда счетчика порядка появляется высокий потенциал, подаваемый на третий вход элемента

36 и S -вход триггера 8, в течение времени . „= ; счетчик 37 подсчиты-. вает число импульсов генератора 34, поступивших на его вход.

На вход счетчика 3 управления поступают импульсы генератора 34 в течение времени х . К моменту времени напряжение на выходе интегратора 32 станет равным нулю,, Ощ„„(4)= „Üâ 1- н=о Тц х= ъ 2" - (!Ов4="4 оЬЩ=

Вь 1(Ео О

=c7,ь(ч, где

0 =П1

О

Е

Таким образом, интервал времени пропорционален величине входного

1108464 где

55

7 сигнала X ($ ) . Если этот интервал времени заполнить импульсами генератора 34 с частотой повторения и подсчитать их с помощью счетчика, то к моменту времени 1 в счетчике окажется записанным в выбранном коде число N< (t ) = f- „, пропорциональное входному сигналу y(+, 1, т.е. л-ОсЛо.

В момент времени 1 на вьжоде . компаратора 33 будет нулевой потенциал и импульсы генератора 34 на выход АЦП 1 не проходят. В этот же момент с единичного вьжода триггера 7 снимается потенциал лог, 1 и к входу интегратора 32 вновь подключается с помощью ключа 30 входной, сиг- 20 нал Pg,.

Если теперь заставить интегратор в течение времени 1» = ф интегрировать сигнал iuS»R >llu„(@), так как сигнал узкополосный, то к мо" 25 менту времени $ его выходное напряжение будет равно:

О„,Ъ1= Ш "()1 „= !ХМ т„

О Роl («)j=® аЯ . Ьфф

Еслй в момент Ь„- на вход интегратора подать напряжение В. источника эталонного напряжения, противоположное по знаку (3@(Ц-„ ), то Выходное напряжение интегратора начнет уменьшаться и через время 1х„.=1 - ( станет равным «нулю, т.е.

II,Ü.1- — ьй» - — ь,, =о.

Отсюда Х1 î "о 1 М

Таким образом, интервал времени

1»„ пропорционален квадрату величины модуля входного сигнала» (Д . Если 45 этот интервал заполнить импульсами с частотой повторения и подсчи тать их с помощью счетчика, то к моменту времени 1 в счетчике окажется записанным в выбранном коде 50 число N (g ) =f Q<, пропорциональное квадрату модуля входного сигнала, где "4(МГОр Ро1Х(ф =й 1ХЙД р СИС4Т..

Указанная процедура осуществляется следующим образом.

В момент tx. счетчик З.управления переводится в режим вычитания сигна- лом с выхода, элемента И 15. Импульсы, поступающие на вход счетчика управления, вычитаются из числа N (4 $ записанного в предыдущем частном цикле дТ=4 -1„ . В момент 1 через интервал времени t»= -1 = 6ь- на импульсном вьжоде обнуления счетчика 3 управления появится импульс обнуления, который перебрасывает триггер 7 в состояние лог. 1, подключая тем самым с помощью ключа

30 к входу интегратора 32 напряжение источника 31 эталонного напряжечия и снимая сигнал реверса с управляющего входа счетчика 3 управления.

Счетчик управления в течение времени Х = <- подсчитывает импульсы генератора 32, поступающие на его вход.

К моменту . в. нем будет записан код

N>jg,1 =gzj

Рассуждая аналогично, придем к. заключению, что к моменту - в счетчике 3 управления был бы записан кОД Q(4q) = Q l II (f„) l s Re Qg= (TO<

Однако в момент . с второго входа элемента И 14 снимается, а на втором входе элемента И 10 появляется высокий потенциал. В результате в счетчике 3 управления будет записан нуль, а в счетчике 4 результата — код Мз(1 (для К -го

: момента код Qg(QQ)-а K($4)l ргде Д =ДТ,О,.

Так будет повторяться в каждом из Ц циклов измерения. В счетчиках

4 и 37 будут накапливаться суммы н с ф) (Ц и с1, XlM® соответственно.

Если при каком-то 1; входной сигнал отрицательный, то счетчики

5 и 37 переводятся в режим вычитания: счетчик 37 непосредственно сигналом с блока 29 модуля, а счетчик 4— специально сформированным на элементе И 17 сигналом.

На третий вход элемента И 17 подается лог.1 каждого нечетного разряда счетчика S порядка с выхода эле мента ИЛИ 22, на второй вход — лог.1 с выхода блока 29 модуля, на первый . сигнал произведения (лог. 1 триггера >h3))--„z-b,);

k --го начального момента случайного процесса . y ®

p Ãõ(61=8ÎÐ())= р ® ., Для получения оценки, дисперсии случайного сигнала х(Д необходимо переключатель 27 перевести в верхнее положение, а переключатель 28— в положение 2р.

35

9 1! 084

7 х лог.1 третьего разряда счетчика

5 порядка)..

Счетчик 6 выборки подсчитывает каждый третий частный цикл. Когда на его И- М разряде, появится лог.1 5 и придет с с выхода, элемента HE 23 инверсный выходной сигнал компаратора 33, на выходе элемента И 13 появит* ся лог.1, которая установит триггер

9 в единичное состояние, процесс определения момента третьего порядка закончится. Лог. 1 на выходе триг— гера 9 разрешает устройству 26 печать и индикацию результатов, записанных в счетчиках 4 и 37 и дешифрированных дешифратором 25.

Порядок определяемого момента определяется положением переключателя

28. Так как число N2, где заданное число, определено разрядностью счетчика. 6 выборки, то,считывая результат в счетчиках 37 и 4 C (Q-g) старших разрядов (.9, — разрядность счетчиков), получим значения соответственно математического ожидания случайного процесса Х ф

1О

64

Процесс вычисления происходит так е как описано выше.

Однако с появлением на й-М разря,де счетчика выборки лог. 1 процесс не остановится, так как на первом входе элемента И 13 будет нулевой потенциал.

Устройство осуществляет таким

-же образом, как описано выше, последовательно линейное преобразование

U, ÀÏ, пропорциональное величине

Iy®j, затем квадратичное преобразование ЯуЯ), перед которым счет" чик 4 результата переводится в режим вычитания потенциалом лог.1 с выхода элемента ИЛИ 19..

В. результате в счетчике 4 пезультата после квадратичного преобразования величины И (®1 код g Py(4)) вычитается из кода QLy.-()1, хранящегося в счетчике после циклов. Таким образом, в последнем частном цикле (Q+<) цикла измерения в счетчике результата будет записан код дисперсии.

Использование интегрирующего АЦП в предлагаемом устройстве выгодно от.личает его от аналогов, так как интегрирующий АЦП может работать как функциональный преобразователь. Кро- . ме того, в предлагаемом устройстве вычисления математического ожидания и дисперсии случайного процесса происходит почти параллельно, используются для их вычисления одни и те же вйборки, что позволяет повысить надежность оценки моментных функций случайных сигналов, в том числе и нестационарных.

11084б4

1108464 йж Ю2

Юых. Я

Вюи 23

Йи. 3

Ьа. 7 дьи 7

Biix. /9

Ebs..Afp

1108464 дьк 29

Baix. Л2

ably Х

Bba. 7

8biX. 7

Bhaga. 5

Юих. 8

Юых, 15 й|х. B

Йи. t6 дьи. 18

gbQ. 10 дух. 6 йю. 12

Физ.я

Составитель Л. Григорьян-Чтенц .Редактор И. Петрова Техред М.Tertep Корректор С. Шекмар

Заказ 5867/36 . Тираж 699 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР . по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная,.4