Устройство для построения гистограмм

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ ГИСТОГРАММ, содержащее группу из регистров, группу из N блоков сравнения, группу из (N ) элементов И, группу из (Л4-1) счетчиков, регистр приема числа, первый счетчик, вход регистра приема числа является информационным входом устройства , выход /-ГО регистра группы (г 1, Л) соединен с первым входом г-го блока сравнения группы, выход «Не больше которого подключен к первому входу г-го элемента И группы, выход которого соединен со счетным входом г-го счетчика группы, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем вычисления функции распределения и выполнения операции скользяшего выравнивания гистограммы , в него введены группа из N элементов ИЛИ, элементы И, мультиплексоры, дешифратор, элементы ИЛИ, триггеры, второй счетчик, элемент задержки, управляемый элемент задержки, делитель, выход регистра приема числа через элемент задержки подключен к первому информационному входу первого мультиплексора, второй информационный вход которого объединен с информационными входами регистров группы и соединен с выходом регистра приема числа, вторые входы блоков сравнения группы объединены и подключены к выходу первого мультиплексора, управляющий вход которого объединен с первым входом первого элемента И, управляющим входом второго мультиплексора и соединен с инверсным выходом первого триггера, выход первого элемента И подключен к счетному входу первого счетчика и к информационному входу второго мультиплексора, тактовый вход которого соединен с выходом второго элемента И, подключенным к входу делителя, первые входы элементов ИЛИ группы объединены и соединены с выходом первого элемента ИЛИ, выход «Больше г-го блока сравнения группы подключен к второму входу г-го элемента ИЛИ группы, выход которого соединен с вторым входом (г+ 1)-го элемента И группы, второй вход первого элемента И группы объедиi нен с третьими входами остальных элементов И группы и первым (N 1)-го элемента (Л И группы и подключен к выходу второго мультиплексора, вход установки в ноль г-го счетчика группы подключен к г-му выходу дешифратора, Л-й выход которого соединен с выходом установки в ноль (Л + 1)-го счетчика группы, первого счетчика и первым входом второго элемента ИЛИ, выход которого подключен к входу установки в ноль второго триггера, вход установки в единицу которого объединен с входом установки в 00 ноль первого триггера и соединен с выходом третьего элемента ИЛИ, первый вход котооо сд рого объединен с первыми входами четвертого и пятого элементов ИЛИ и является первым входом «Задания режима устройст4 ва, вход установки в единицу первого триггера объединен с вторыми входами второго, четвертого и пятого элементов ИЛИ и являются вторым входом задания режима устройства , вход установки в единицу третьего триггера объединен с вторым входом третьего элемента ИЛИ и третьим входом четвертого элемента ИЛИ и является третьим входом задания режима устройства, выход пятого элемента ИЛИ подключен к входу установки в ноль третьего триггера, прямой выход которого соединен с первым входом первого элемента ИЛИ, второй вход кото

СОЮЗ СО8ЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А ВТОРСНОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3751006/24-24 (22) 29.05.84 (46) 30.10.85. Бюл. № 40 (72) К. И. Кучеренко, Ю. Н. Матвеев и Е. Ф. Очин (71) Ленинградский ордена Трудового Красного Знамени институт точной механики и оптики (53) 681.333(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 1042041, кл. G 06 F 15/36, 1982.

Авторское свидетельство СССР № 995097, кл. G 06 F 15/36, 1981. (54) (57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ ГИСТОГРАММ, содержащее группу из регистров, группу из N блоков сравнения, группу из (N + 1) элементов И, группу из (N + 1) счетчиков, регистр приема числа, первый счетчик, вход регистра приема числа является информационным входом устройства, выход i-го регистра группы (i = 1, N) соединен с первым входом i-го блока сравнения группы, выход «Не больше» которого подключен к первому входу i-го элемента

И группы, выход которого соединен со счетным входом i-го счетчика группы, отличаюи1ееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем вычисления функции распределения и выполнения операции скользящего выравнивания гистограммы, в него введены группа из N элементов ИЛИ, элементы И, мультиплексоры, дешифратор, элементы ИЛИ, триггеры, второй счетчик, элемент задержки, управляемый элемент задержки, делитель, выход регистра приема числа через элемент задержки подключен к первому информационному входу первого мультиплексора, второй информационный вход которого объединен с информационными входами регистров группы и соединен с выходом регистра приема числа, вторые входы блоков сравнения группы объединены и подключены к выходу первого мультиплексора, управляющий вход которого объединен с первым вхоÄÄSUÄÄ 1188754 A (ю4 G06 F1536 дом первого элемента И, управляющим входом второго мультиплексора и соединен с инверсным выходом первого триггера, выход первого элемента И подключен к счетному входу первого счетчика и к информационному входу второго мультиплексора, тактовый вход которого соединен с выходом второго элемента И, подключенным к входу делителя, первые входы элементов ИЛИ группы объединены и соединены с выходом первого элемента ИЛИ, выход «Больше»

i- ro блока сравнения группы подключен к второму входу -го элемента ИЛИ группы, выход которого соединен с вторым входом (i + 1)-го элемента И группы, второй вход первого элемента И группы объединен с третьими входами остальных элеменЮ тов И группы и первым (N + 1)-го элемснта

И группы и подключен к выходу второго g мультиплексора, вход установки в ноль i-ro счетчика группы подключен к -му выходу С дешифратора, М-й выход которого соединен с выходом установки в ноль (N + 1) -ro а счетчика группы, первого счетчика и первым входом второго элемента ИЛИ, выход которого подключен к входу установки в ноль второго триггера, вход установки в единицу которого объединен с входом установки в ноль первого триггера и соединен с выходом Q() третьего элемента ИЛИ, первый вход которого объединен с первыми входами четвертого и пятого элементов ИЛИ и является первым входом «Задания режима» устройст- СЛ ва, вход установки в единицу первого триг- ДЙ гера объединен с вторыми входами второго, четвертого и пятого элементов ИЛИ и являются вторым входом задания режима устройства, вход установки в единицу третьего 3@ триггера объединен с вторым входом третьего элемента ИЛИ и третьим входом четвертого элемента ИЛИ и является третьим входом задания режима устройства, выход пятого элемента ИЛИ подключен к входу установки в ноль третьего триггера, прямой выход которого соединен с первым входом первого элемента ИЛИ, второй вход кото1188754

40 х (е= 1,N) -- верхние границы анализируемых интервалов изменения значений цифрового сигнала х; — текущее значение цифрового сигнала. рого объединен с информационным входом управляемого элемента задержки и подключен к прямому выходу первого триггера, выход управляемого элемента задержки соединен с первым входом второго элемента И, второй вход которого объединен с первым входом третьего элемента И и вторым входом первого элемента И и является тактовым входом устройства, выход четвертого элемента ИЛИ подключен к входу сброса управляемого элемента задержки и входу сброса второго счетчика, выход кото3

Изобретение -..û« ;;îñèòñÿ к вычислительной и измерительной технике и может быть использовано для обработки одномерных и двумерных цифровых сигналов, в том числе речевых и видеосигналов.

Цель изобретения — расширение функциональных возможностей устройства за счет обеспечения вычисления функции распределения частот и выполнения операции скользящего выравнивания гистограммы цифровых сигналов.

Функция распределения частот появления отдельных значений цифрового сигнала, являющаяся дискретным аналогом функции распределения вероятностей значений сигналов, служит одной из важнейших статистических характеристик сигналов. Функция распределения частот обычно вычисляется по гистограмме Н цифрового сигнала в соответствии с формулой х

g= — Z H(k) (1) где 1 — число формирований гистограммы;

Х;„— минимальное значение цифрового сигнала;

Х вЂ” верхняя граница анализируемого интервала изменения значений цифрового сигнала.

С целью ускорения вычисления выражение (1) переписывается в виде

gå Z Ф (х )>

О,х)у где <р (х C g) =

1,x(g

25 рого соединен с входом дешифратора, счетный вход второго счетчика подключен к выходу шестого элемента И, второй вход которого подключен к прямому выходу второго триггера, инверсный вход которого соединен с третьим входом первого элемента И, второй вход шестого элемента ИЛИ подключен к выходу делителя, вход записи iro регистра группы соединен с -м выходом дешифратора, выходы счетчиков группы и первого счетчика являются выходом устройства.

Такое представление позволяет параллельно вычислять функции распределения частот у, без предвари гельного формирования гистограммы цифрового сигнала.

Скользящее выравнивание гистограммы распределения значений цифрового сигнала состоит в том, что каждое значение Х цифрового сигнала преобразуется по гистограмме Н, построенной по некоторой его окрестности из 1 элементов в соответствии с формулой (1) . При скользящем преобразовании каждая следующая окрестность сдвигается относительно предыдущей на один элемент в случае одновременного цифрового сигнала (1 = N) и на строку из М элементов в случае двумерного цифрового сигнала (L = М )(N), поэтому каждый элемент цифрового сигнала вносит вклад в гистограммы N соседних окрестностей и процесс скользящего выравнивания гистограммы распараллеливается на N независимых частей.

В случае одномерного цифрового сигнала параллельно вычисляются суммь — Х У (х <- +„, (Х; ), где х, (1 = 1, М)центральные элементы N соседних окрестностей. В случае двумерного цифрового сигнала параллельно вычисляются суммы и м — „Х Е, (хi ж+„,, — +.,ан-;,;), где х, ;(/ = 1, N) — центральные элементы N соседних окрестностей. В обоих случаях элементы цифрового сигнала задерживаются на отсчетов до прихода центрального элег мента окрестности, с которым производится сравнение.

Операция скользящего выравнивания гистограммы позволяет реализовать нелинейную фильтрацию низких частот цифрового сигнала, дающую автоматическую коррек1 188754

4 разрешения счетчика 29. Сигнал «О» на инверсном выходе третьего триггера 22 блокирует поступление тактовых сигналов от входа 11 через первый элемент И 24 на счетные входы счетчика 9, а также через второй мультиплексор 31 на управляющие входы группы элементов И 7.

3 цию значений сигнала до полного диапазона его изменения и гарантирующую от

«зарезания» результата в одну из крайних областей его изменения. Наибольшие преимущества эта операция имеет для цифровых сигналов, в которых необходимо выявление информации, находящиеся в области сильной нелинейности какого-либо канала передачи информации. Алгоритм скользящего выравнивания гистограммы работает существенно быстрее алгоритмов фильтрации в частотной области и свободен от многих недостатков, присущих последним.

На фиг. 1 приведена структурная схема предлагаемого. устройства; на фиг. 2 — последовательность ввода элементов двумерного цифрового сигнала при выполнении операции скользящего выравнивания гистограммы.

Устройство состоит из регистрации приема числа 1, первого элемента задержки

2, группы из N регистров 3, мультиплексора 4, группы из N блоков сравнения 5, группы из N элементов ИЛИ 6, группы из (N + 1) элементов И 7, группы из (N + 1) счетчиков 8, счетчика 9, информационного входа 10 устройства, тактового входа 11, входа вычисления функции устройства входа задания режимов 12, 13 и 14 устройства, элементов 15, 16 и 17 ИЛИ, триггеров 18 и 19, элементов ИЛИ 20 и

21, триггера 22, управляемого элемента задержки 23, элементов И 24, 25 и 26, делителя 27, элемента 28 ИЛИ, счетчика 29, дешифратора 30, мультиплексора 31.

Устройство работает следующим образом.

Операция формирования гистограммы инициируется поступлением сигнала формирования гистограммы на вход 14, который через первый элемент ИЛИ 15 переводит первый триггер 18 в состояние «О» на выходе, а также через третий элемент ИЛИ 17 обнуляет счетчик 29 и управляемый элемент задержки 23 и через второй элемент

ИЛИ 16 переводит второй триггер 18 в состояние «О» на прямом выходе, а третий триггер 22 — в состояние «1» на прямом выходе. Сигнал «О» с выхода четвертого элемента ИЛИ 20 разрешает прохождение сигналов от первых выходов блоков сравнения 5 группы через группу элементов

ИЛИ 6 на соответствующие входы группы элементов И 7. Сигнал «1» с инверсного выхода второго триггера 19 коммутирует выходы регистра приема числа 1 через первый мультиплексор 4 на первые входы N блоков сравнения группы 5 и выход первого элемента И 24 через второй мультиплексор

31 на управляющие входы группы элеме нтов И 7, а также разрешает прохождение сигналов через первый элемент И 24. Сигнал «1» на прямом выходе третьего триггера 22 разрешает поступление тактовых сигналов с входа 11 через второй элемент

И 25 и шестой элемент ИЛИ 28 на вход

Пусть на первый информационный вход

10 поступает монотонно возрастающая по10 следовательность значений границ интервалов гистограммы а, а2, ..., а;, ..., а„. Приход i- ãî тактового сигнала на вход разрешения счетчика 29 (i = 1, N) обусловливается появлением сигнала на i-ом выходе дешифратора 30, позволяющего записать зна15 чение i-й границы интервала а; в i-й регистр 3 группы и установить в состояние

«О» i-й счетчик 8 группы. Счетчик 9 и

{N + 1)-й счетчик 8 группы, как и N-й счетчик 8 группы обнуляются по сигналу на

N-ом выходе дешифратора 30, при появлении которого через пятый элемент ИЛИ 21 третий триггер 22 переводится в состояние

«О» на прямом выходе и тем самым блокирует прохождение тактового сигнала с входа 11 через второй элемент И 25 на шес25 той элемент ИЛИ 28 и далее на вход разрешения счетчика 29. Сигнал «1» с инверсного выхода третьего триггера 22 разрешает прохождение тактовых сигналов с второго информационного входа 11 через первый элемент И 24 на счетный вход счетЗ0 чика 9, а также через второй мультиплексор 31 на управляющие входы группы элементов И 7.

Пусть на первый информационный вход

10 последовательно поступает три числа х1, х2, хз, соответственно принадлежащих следующим интервалам числовой оси:

) — со, a,,); (аь ам); (ак, +oo(. При поступлении первого числа хь которое с регистра приема числа 1 через мультиплексор 4 подается на первые входы N блоков сравнения

40 5 группы вследствие выполнения условия (х (а1) с второго выхода первого блока сравнения 5 группы разрешающий потенциал подается на вход первого элемента группы элементов И 7. Тактовый сигнал, поданный на вход 11, проходит на счетный вход

45 счетчика 9 и через открытый элемент группы элементов И 7 — на счетный вход первого счетчика 8 группы, увеличив на единицу содержимое этих счетчиков. При поступлении второго числа х вследствие выполнения условия (а; (х (а;» 1, i = 1, N — 1) с первого выхода i-го блока сравнения 5 группы разрешающий потенциал подается через

i-ый элемент открытой группы элементов

ИЛИ 6 на второй информационный вход (i + 1)-го элемента группы элементов И 7, а с второго выхода (i + 1)-го блока срав55 нения 5 группы разрешающии потенциал подается на первый информационный вход (i + 1)-ro элемента группы элементов И 7.

11

Тактовый сигнал, поданный на вход 1, проходит на счетный вход счетчика 9 и через открытый элемент группы элементов И 7 на счетными вход (i + 1)-го счетчика 8 группы, увеличив на единицу содержимое этих счетчиков. При поступлении третьего числа хз вследствие выполнения условия (а <

< хз) с первого входа N-го блока сравнения 5 группы разрешающий потенциал подается через N-й элемент открытой группы элементов ИЛИ 6 на информационный вход (N + 1)-го элемента группы элементов И 7.

Тактовый сигнал, поданный на вход 11, проходит на счетный вход счетчика 9 и через открытый (N + 1) -й элемент группы элементов И 7 на счетный вход (N + 1)-ro счетчика 8 группы, увеличив на единицу содержимое этих счетчиков.

Таким образом, ири приходе любого очередного случайного числа осуществляется увеличение на с,:,нницу содержимого счетчика 9 и содержимого счетчика 8 группы, соответствующего интервалу. Так осуществляется формирование гистограммы случайных чисел. При формировании гистограммы случайных процессов значения измеряемой величины в цифровом виде подаются на информационный вход 10, а на вход 11 подаются тактовые сигналы в необходимые для с.ьема информации моменты.

Операция вычисления функций распределения частот появления значений цифрового сигнала инициируется подачей сигнала вычисления распределения на вход 12, который переводит первь.й триггер 18 в состояние «1» на выходе, а также через третий элемент ИЛИ 17 обнуляет счетчик 29 и управляемый элемент задержки 23 и через второй элемент ИЛИ 16 переводит второй триггер 19 в состояние «О» на прямом выходе и третий триггер 22 — — в состояние «1»

1td прямом выходе. Работа ус rpoHcTB3 в этом случае аналогична работе устройства при вьшолнении операции формирования гистограммы, за исключением того, что сигнал

«1» с выхода первого триггера 18 через четвертый элемент ИЛИ 20 блокирует прохождение сигналов от первых выходов блоков сравнения 5 группы через группу элементов ИЛИ 6 на соответствующие информационные входы группы элементов И 7.

Пусть на вход 0 поступает монотонно возрастающая последовательность значений верхних границ интервалов изменения значений цифрового сигнала х, х, ..., x, ..., х". Как и при загрузке значений границ интервалов гистограммы ni, а, а;, ..., ам в операции формирование гистограммы по -му тактовому сигналу (= 1, Ь) с входа 11 осуществляется загрузка значения х в i-й регистр границ валов 3, а также обнуление i-го счетчика 8 группы. По N-му тактовому сигналу обнуляются также (N +

+1) -й счетчик 8 группы и счетчик 9.

88754

Пусть по окончании загрузки значений х (= 1, N) в регистры 3 группы на вход

10 последовательно поступают два числа х, х, соответственно принадлежащих интервалам изменения значений цифрового сигнала: (х;„, х ); (х;„, х ) где 2 < 1< N. При поступлении первого числа х, которое с регистра приема числа 1 через первый мультиплексор 4 подается на первые входы N блоков сравнения 5 группы, вследствие выполнения условий (х1 < х, i = 1, N) с вторых выходов всех блоков сравнения 5 группы разрешающий потенциал подается на соответствующие входы группы элементов

И 7. Тактовый сигнал, поданный на вход 11, проходит на счетные входы счетчиков 8 группы и счетный вход счетчика 9, увеличивая на единицу содержимое этих счетчиков. При поступлении второго числа х вследствие выполнения условий (х < x, i = 8, N) с вторых выходов i-x блоков сравнения 5 группы разрешающий потенциал подается на соответствующие входы i-х элементов группы элементов И 7 и по тактовому сигналу, поданному на вход 11, увеличивается на единицу содержимое i-x счетчиков 8 группы и счетчика 9. Так осуществляется параллельное вычисление N функций распределения частот у,(8=1, N) по формуле (2).

Операция скользящего выравнивания гистограммы инициируется подачей сигнала выравнивания гистограммы на вход

13, который переводит второй триггер 19 в состояние «1» на прямом выходе и через первый элемент ИЛИ 15 — первый триггер

18 в состояние «О» на выходе, а также через третий элемент ИЛИ 17 обнуляет счетчик 29 и второй элемент задержки 23 и через пятый элемент ИЛИ 21 переводит третий триггер 22 в состоянии «О» на прямом выходе. Сигнал «1» с прямого выхода второго триггера 19 через четвертый элемент ИЛИ 20 блокирует поступление сигналов от первых выходов блоков сравнения 5 группы через группу элементов ИЛИ 6 на соответствующие информационные входы группы элементов И 7, а сигнал «О» с инверсного выхода второго триггера 19

-коммутирует выходы первого элемента задержки 2 через первый мультиплексор 4 на первые входы N блоков сравнения 5 группы и выход третьего элемента И 26 через второй мультиплексор 31 на управляющие входы группы элементов И 7, а также блокирует прохождение тактовых сигналов с входа 11 через первый элемент И 24 на счетный вход счетчика 9, причем прохождение тактового сигнала через второй элемент И 25 на вход шестого элемента

ИЛИ 26 блокируется сигналом «О» на и рямом выходе третьего триггера 22. Управляемый элемент задержки 23 задерживает поступление разрешающего сигнала с прямого выхода второго триггера 19 на второй вход третьего элемента И 26 на

1188754

7 тактов работы устройства до тех пор, пока информация с регистра приема числа 1 через первый элемент задержки 2 не поступит на входы первого мультиплексора 4. При поступлении разрешающего сигнала на второй вход третьего элемента И 26 тактовые сигналы с входа 11 через третий элемент И 26 поступают на вход делителя 27, который делит частоту тактовых сигналов на коэффициент М, равный числу элементов в строке окрестности для двумерного цифрового сигнала, и пропускает тактовые сигналы без изменения их частоты следования для одномерного цифрового сигнала. Импульсы с выхода делителя 27 через шестой элемент ИЛИ

28 поступают на вход разрешения счетчика 29 и обусловливают появление сигнала на одном из выходов дешифратора 30, позволяющего записать с выхода регистра приема числа 1 в соответствующий регистр 3 группы значение центрального элемента очередной окрестности и установить в состояние «О» соответствующий счетчик 8 группы.

Пусть на вход 10 поступает очередное значение цифрового сигнала. С выхода регистра приема числа 1 информация подается на входы первого элемента задержки 2 и записывается при наличии сигнала записи от дешифратора 30 в один из регистров 3 группы. Задержанная информация с выхода первого элемента задержки 2 через первый мультиплексор 4 подается на первые входы N блоков сравнения 5 группы, где параллельно сравниваются с центральными элементами N окрестностей, хранящихся в ререгистрах 3 группы. Результаты сравнения с вторых выходов блоков сравнения 5 группы поступают на первые информационные входы группы элементов И 7, причем на вторые информационные входы последних N элементов группы элементов И 7 поданы разрешающие сигналы с выходов блокированной группы элементов ИЛИ 6. Тактовый сигнал, по10 данный на вход ll, проходит через третий элемент И 26, второй мультиплексор 31 и открытые элементы группы элементов И 7 на счетные входы соответствующих счетчиков 8 группы, увеличивая их содержимое на единицу. В результате при приходе любого очередного значения цифрового сигнала осуществляется увеличение на единицу содержимого тех счетчиков 8 группы, содержимое соответствующих регистров 3 группы которых не меньше значения задержанного

20 на —" - тактов числа, а также при наличии записи от дешифратора 30 осуществляется модификация содержимого соответствующего регистра 3 группы и обнуление соответствующего счетчика 8 группы. Так осуществляется скользящее выравнивание гистограм25 мы одномерных и двумерных цифровых сигналов. Используемый в устройстве алгоритм скользящего выравнивания гистограммы в случае двумерного цифрового сигнала требует вводить элементы в порядке, приведенном на фиг. 2.

1188754

Редактор В. Ковтун

Заказ 6747/52

Составитель И. Мухин

Техред И. Верес Корректор М. Максимишинец

Тираж 709 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий! 13035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП «Патент», г. Ужгород, ул. Проектная, 4