Устройство для оценки среднеквадратического отклонения дискретного сигнала



Устройство для оценки среднеквадратического отклонения дискретного сигнала
Устройство для оценки среднеквадратического отклонения дискретного сигнала
Устройство для оценки среднеквадратического отклонения дискретного сигнала

 


Владельцы патента RU 2446455:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МИЭТ" (МИЭТ) (RU)

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. Техническим результатом является повышение точности оценки среднеквадратического отклонения дискретного сигнала. Устройство содержит два цифровых компаратора и два реверсивных счетчика, причем вторым входом второго цифрового компаратора является код, соответствующий константе [0,68·N], где N - количество отсчетов в выборке, выход второго цифрового компаратора соединен с входом управления направлением счета второго реверсивного счетчика. 3 ил., 2 табл.

 

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.

Известен алгоритм для вычисления выборочного среднеквадратического отклонения по формуле:

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].

Помимо существенных аппаратных затрат недостатком устройства, реализующего алгоритм (1), является смещение оценки среднеквадратичного отклонения при воздействии случайных импульсных помех.

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].

Задача изобретения - повышение точности оценки среднеквадратического отклонения по сравнению с устройством квантования видеосигнала на фоне комбинированной помехи, при этом сохраняя схемотехническую простоту устройства-прототипа.

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.

Введение второго компаратора в устройство [5] позволяет реализовать следующий алгоритм оценки:

,

где xi - отсчеты амплитуды входного сигнала, , i=0,1,2… Состоятельность оценки следует из свойств нормального распределения:

где µ и σ - истинные значения среднего и среднеквадратического отклонений.

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.

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 числу

[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.

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).

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.

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.

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.

Таблица 1
Зависимость систематической ошибки от разрядности длины выборки
R 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
εb,% 7.74 4.70 3.19 2.44 2.07 1.88 1.79 1.74 1.72 1.71 1.71 1.70

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).

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).

Таблица 2
Сравнительные данные по аппаратным затратам
R Количество логических блоков
Предлагаемое устройство Известное устройство
8 6 33
10 7 34
12 8 35
14 9 36
16 9 37

Таким образом, разработанная схема устройства для оценки среднеквадратического отклонения дискретного сигнала обладает следующими особенностями:

- 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%));

- простота схемотехнической реализации;

- существенная экономия ресурсов системы (уменьшение в 4-6 раз аппаратных затрат по сравнению с устройством, реализующим алгоритм (1)).

Источники информации

1. Smith S.W. The scientist and engineer's guide to digital signal processing. - San Diego: California technical publishing, 1999. - 650 с.

2. Патент РФ на изобретение №2277715.

3. Выгодский М.Я. Арифметика и алгебра в Древнем мире. - М.: Наука, 1967. - 368 с.

4. Киселев А.П. Алгебра. Ч.П. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. - 248 с.

5. Патент РФ на изобретение №2400809 - прототип.

Устройство для оценки среднеквадратического отклонения дискретного сигнала, содержащее цифровой компаратор и два реверсивных счетчика, отличающееся тем, что дополнительно введен второй компаратор, 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], где N - количество отсчетов в выборке, выход второго цифрового компаратора соединен с входом управления направлением счета второго реверсивного счетчика.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к судовождению и предназначено для оперативной идентификации математической модели судна в реальном масштабе времени. .

Изобретение относится к области создания навигационных приемников, а также средств автономного контроля навигационных сигналов спутниковых систем ГЛОНАСС, GPS и др.

Изобретение относится к сфере измерительной техники и системам тестирования технических устройств. .

Изобретение относится к специализированным средствам вычислительной техники и может быть использовано в системах, в которых требуется аппаратная реализация алгоритмов цифровой фильтрации сигналов, например, при оценке уровня нуля на фоне импульсных сигналов/помех или в условиях несимметричного относительно уровня нуля ограничения динамического диапазона.

Изобретение относится к информационно-измерительным устройствам и может быть использовано в вычислительной технике, в системах управления и обработки сигналов. .

Изобретение относится к области информационно-измерительной и вычислительной техники и может быть использовано для определения начальных моментов любого порядка случайной величины, а также любой функции от случайного аргумента.

Изобретение относится к технологии представления сигналов. .

Изобретение относится к устройствам моделирования зерна пленки. .

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано для оценки показателя активности обучаемых в учебном процессе. .

Изобретение относится к области вычислительной техники и может быть использовано для оценки надежности и качества функционирования сложных автоматизированных и гибких производственных и телекоммуникационных систем произвольной структуры, в которых используется циклический характер производства, предоставления телекоммуникационных услуг и временное резервирование.

Изобретение относится к области информационно-измерительной и вычислительной техники, предназначена для вычисления и индикации усредненной на 1-минутном интервале мощности потерь электроэнергии, а также может быть использована в качестве счетчиков потерь электроэнергии

Изобретение относится к вычислительной технике, предназначено для определения закона распределения случайных величин и может быть использовано в системах цифровой обработки сигналов для классификации последовательности цифровых данных по заданным эталонным законам распределения

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано для анализа взаимосвязи субъективных ответов респондента с его частотой сердечных сокращений (ЧСС) в процессе производимого тестирования, которая характеризует его психологическое состояние

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано для оценки функционирования однотипных организаций с целью выработки рекомендаций по улучшению качества их работы. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей за счет учета взаимодействия с другими уровнями структуры, что позволит повысить точность и эффективность оценки. Устройство содержит группу входных регистров, два блока индикации, блок выделения максимального числа, две группы блоков вычитания, группу квадраторов, три группы элементов задержки, группу сумматоров, блок извлечения квадратного корня, две группы коммутаторов, группу выходных регистров, генератор тактовых импульсов, распределитель импульсов, группу элементов ИЛИ, S групп регистров. 3 ил.

Изобретение относится к области информационно-измерительной и вычислительной техники и предназначено для вычисления и индикации усредненной на 1-минутном интервале мощности потерь электроэнергии, а также может быть использовано в качестве счетчика-регистратора потерь электроэнергии за каждый час, сутки, месяц. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей устройства за счет возможности непрерывного контроля и регистрации мощности потерь электроэнергии от каждой гармонической составляющей тока нагрузки. Технический результат достигается за счет того, что в первом варианте реализации устройство содержит первый-четвертый датчики тока (ДТ) фаз сети "А", "В", "С" и нулевого провода "N", первый и второй датчики температуры, генератор прямоугольных импульсов (ГПИ), микроконтроллер (МК), регистр, цифровой индикатор (ЦИ), первый и второй приемопередатчики, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), компьютер; во втором варианте реализации устройство содержит первый-четвертый (ДТ), первый-пятый датчики температуры, ГПИ, МК, регистр, ЦИ, первый и второй приемопередатчики, ПЗУ, компьютер. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к классификации биомолекулярных данных. Техническим результатом является повышение надежности классификации. Предусмотрена система (100) классификации для классификации биомолекулярных данных. Вход системы принимает множество признаков (102) выборки, которая должна быть классифицирована, и множество соответствующих оценок (104) ошибок. Статистический модуль (106) ассоциирует функции (108) плотности распределения вероятностей с признаками, при этом соответствующие функции плотности распределения вероятностей зависят от оценок ошибок. Модуль (110) репликации формирует множество возмущенных реплик (112) выборки, при этом признаки являются произвольно возмущенными согласно соответствующим надлежащим функциям плотности распределения вероятностей. Классификатор (114) классифицирует возмущенные реплики на основе возмущенных признаков. Анализатор (118) классифицирует выборку, которая должна быть классифицирована, на основе статистического анализа классифицированных реплик (116), чтобы получать классификацию (120) выборок. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к области информационно-измерительной и вычислительной техники. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей регистратора за счет возможности непрерывного контроля и регистрации усредненных значений потерь мощности, напряжения сети и тока нагрузки. Технический результат достигается благодаря тому, что регистратор содержит датчик тока, датчик напряжения сети, первый и второй входные преобразователи, микроконтроллер, датчик температуры окружающей среды, датчик температуры проводника, генератор прямоугольных импульсов, первый и второй компараторы, первый, второй и третий приемопередатчики, цифровой индикатор, постоянное запоминающее устройство, компьютер. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к мониторингу объектов атомной энергетики. Технический результат - определение оценки риска объекта атомной энергетики. Устройство для мониторинга риска содержит запоминающее устройство для хранения, по меньшей мере, одного набора минимальных сечений отказов МСО и значений вероятностей каждого события в каждом МСО и устройство ввода информации, выполненное с возможностью ввода в него информации об изменениях состояния объекта; блок формирования, по меньшей мере, одной матрицы МСО; запоминающее устройство для хранения указанной, по меньшей мере, одной матрицы МСО; блок формирования, по меньшей мере, одной параметрической матрицы; запоминающее устройство для хранения указанной, по меньшей мере, одной параметрической матрицы; блок изменения элементов указанной, по меньшей мере, одной параметрической матрицы; и блок оценки риска. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области информационно-измерительной и вычислительной техники, в частности к интеллектуальной микропроцессорной системе контроля и регистрации потерь электроэнергии в присоединениях распределительного устройства. Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей системы за счет возможности непрерывного контроля и регистрации мощности потерь электроэнергии в нескольких присоединениях распределительного устройства. Технический результат достигается благодаря тому, что система содержит первый - n-й (где n - число присоединений распределительного устройства) датчики тока присоединений распределительного устройства, первый - n-й буферные масштабные усилители, многовходовой аналоговый коммутатор, двухполупериодный прецизионный выпрямитель, датчик температуры окружающей среды, генератор прямоугольных импульсов, микроконтроллер, первый - n-й датчики температуры проводников присоединений, первый, второй и третий приемопередатчики, цифровой индикатор, постоянное запоминающее устройство, компьютер. 1 ил.

Изобретение относится к устройству для моделирования каталога разведки разнотипных подвижных объектов. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей путем обеспечения моделирования каталога разведки разнотипных подвижных объектов. Устройство содержит два генератора тактовых импульсов, датчик случайных чисел, блок расчета вероятности обнаружения подвижного объекта, блок сравнения, регистр сдвига, блок расчета размеров подвижного объекта, блок расчета квадратов отклонений размеров подвижного объекта, блок определения типа подвижного объекта, блок расчета координат подвижного объекта, регистр памяти. 1 ил.
Наверх