Вероятностное устройство вычисления спектральной плотности сигнала

Изобретение относится к области телерадиокоммуникационной и измерительной техники и может быть использовано в устройствах обработки сигналов. Сущность заявленного вероятностного устройства вычисления спектральной плотности сигналов заключается в том, что в состав схемы входят счетчик операндов, два счетчика результатов, два блока постоянной памяти, два блока переписи результатов, два вероятностных множительных устройства, работающих синхронно, на первые входы которых подается двоичное значение входного сигнала, на второй вход первого вероятностного множительного устройства подается значение косинуса, а на второй вход второго подается значение синуса, хранящиеся в соответствующих блоках постоянной памяти, на выходах которых формируются вероятностные отображения произведения поданных значений, которые, в свою очередь, подаются на соответствующие счетчики результата, выполняющие операцию накапливающего суммирования, выходы которых подаются на первые входы соответствующих блоков переписи результата, выполняющих обратное преобразование вероятностно представленных данных в двоичные позиционные коды, на вторые входы которых подается разрешающий сигнал выдачи информации, формирующийся в счетчике операндов путем его переполнения под воздействием управляющего сигнала с первого вероятностного множительного устройства, который вырабатывается по окончании операции умножения каждой пары сомножителей, выходом устройства является совокупность выходов двух блоков переписи результатов. Техническим результатом заявленного изобретения является разработка устройства для вычисления спектральной плотности сигнала при вероятностном отображении данных, что позволяет уменьшить аппаратный размер устройства по сравнению с аналогичными цифровыми устройствами. Технический результат достигается путем замены в прототипе цифровых умножителей на вероятностные множительные устройства, а накопительных цифровых сумматоров - на двоичные счетчики, обеспечивающие выполнение операции вероятностной свертки. 1 ил.

 

Изобретение относится к области телерадиокоммуникационной и измерительной техники и может быть использовано в устройствах обработки сигналов.

Известны устройства аналогичного назначения, построенные на основе специализированных арифметико-логических устройств, которые состоят из умножителей и сумматоров [Потехин Д.С., Тарасов И.Е. Разработка систем цифровой обработки сигналов на базе ПЛИС. - М.: Горячая линия - Телеком, 2007. - С. 75]. Основными их недостатками являются сравнительно большой аппаратный объем и низкое быстродействие.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка устройства для вычисления спектральной плотности сигнала при вероятностном представлении данных, обладающего малым аппаратным объемом и способностью обрабатывать сигнал в масштабе реального времени.

Решение технической задачи достигается путем использования вероятностной формы представления данных, в связи с чем изменяется аппаратная реализация основных математических операций.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является уменьшение аппаратного объема устройства вычисления спектральной плотности сигнала при сохранении точностных характеристик и возможности обработки входного сигнала в масштабе реального времени, это достигается путем замены в прототипе цифровых умножителей на вероятностные множительные устройства, а накопительных цифровых сумматоров - на двоичные счетчики, обеспечивающие выполнение операции вероятностного сложения.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображена функциональная схема вероятностного устройства вычисления спектральной плотности сигнала, где:

1.1, 1.2 - постоянное запоминающее устройство (ПЗУ);

2.1, 2.2 - вероятностное множительное устройство (ВМУ);

3 - счетчик операндов (СО);

4.1, 4.2 - счетчик результатов (CP);

5.1, 5.2 - блок переписи результатов (БПР).

Устройство рассчитано на вычисление спектральной плотности сигнала последовательности из N отсчетов и получение K-полосного спектра. На этапе проектирования устройства в ПЗУ1 (1.1) и ПЗУ2 (1.2) заносятся m=N*K заранее вычисленных значений косинусов и синусов соответственно. На вход подаются двоичные значения входного сигнала х(n). Эти значения по одному поступают на входы ВМУ1 (2.1) и ВМУ2 (2.2), где преобразуются в вероятностную форму представления. Одновременно с ними на ВМУ1 (1.1) и ВМУ2 (1.2) поступают значения косинусов и синусов из ПЗУ1 (1.1) и ПЗУ2 (1.2) соответственно, которые также преобразуются в вероятностную форму. По мере формирования вероятностных отображений поступивших значений выполняются операции вероятностного умножения, а их результаты в виде сигнала «0» или «1» поступают на СР1 (4.1) и СР2 (4.2). По окончании выполнения операции умножения над операндами формируется управляющий сигнал, который увеличивает значение СО (3), а на входы ВМУ (1.1 и 1.2) подаются следующие операнды. Когда на СО (3) значение достигнет N, что означает окончание вычисления k-й полосы спектра, формируется управляющий сигнал, который разрешает БПР1 (5.1) и БПР2 (5.2) считать результаты с СР1 (3.1) и СР2 (3.2) соответственно. БПР1 (5.1) и БПР2 (5.2) выполняют обратное преобразование вероятность-число и подают на выход устройства действительную и мнимую часть k-го значения спектра - и . Далее процесс повторяется до тех пор, пока не будут получены все К значений спектра.

Вычисления k-го значения спектра представлены комплекснозначным значением и выполняются согласно формуле (1)

где и

При вероятностном представлении данных формула (1) примет вид

где L - количество статистических испытаний при выполнении вероятностных операций, y_i(x_n) - i-е значение вероятностного отображения n-го члена последовательности х(n), - i-e значение вероятностного отображения m-го значения - i-e значение вероятностного отображения m-го значения .

Процессы в схеме предлагаемого устройства протекают в следующей последовательности.

В начале работы все счетчики сбрасываются, после чего начинается выполнение вычисления. На оба ВМУ (2.1 и 2.2) подается первое значение последовательности х(n). В это же время значение косинуса из ПЗУ1 (1.1) подается в ВМУ1 (2.1), а значение синуса из ПЗУ2 (1.2) - в ВМУ2 (2.2). Далее ВМУ (2.1 и 2.2) выполняют операцию умножения и выдают результат в СР1 (4.1) и СР2 (4.2), то есть выполняются операции согласно формулам (3) и (4) для ВМУ1 (2.1) и ВМУ2 (2.2) соответственно:

По завершении выполнения умножения ВМУ передает управляющий сигнал на СО (3) для увеличения в нем значения на единицу и получения следующих операндов. Затем снова производится операция умножения со следующей парой операндов. СР1 (4.1) и СР2 (4.1) выполняют накапливающее суммирование, то есть реализуют операции согласно формулам (5) и (6)

Когда на СО (3) все биты равны единице, то формируется управляющий сигнал для БПР1 (5.1) и БПР2 (5.2), означающий, что результаты выполнения операций согласно формулам (5) и (6) получены на СР1 (4.1) и СР2 (4.2) и могут быть поданы на выход устройства через БПР1 (5.1) и БПР2 (5.2), которые реализуют операции согласно формулам (7) и (8)

На выходе устройства формируются выходные сигналы и , которые соответствуют действительной и мнимой части комплекснозначного результата.

После этого процесс повторяется до тех пор, пока не будут получены все К значений преобразуемой последовательности.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого устройства вычисления спектральной плотности сигнала на основе вероятностного представления информации состоит в уменьшении его аппаратного объема при сохранении точностных характеристик и возможности обработки входного сигнала в реальном масштабе времени.

Вероятностное устройство вычисления спектральной плотности сигнала, характеризующееся тем, что в состав схемы входят счетчик операндов, два счетчика результатов, два блока постоянной памяти, два блока переписи результатов, два вероятностных множительных устройства, работающих синхронно, на первые входы которых подается двоичное значение входного сигнала, на второй вход первого вероятностного множительного устройства подается значение косинуса, а на второй вход второго подается значение синуса, хранящиеся в соответствующих блоках постоянной памяти, на выходах которых формируются вероятностные отображения произведения поданных значений, которые, в свою очередь, подаются на соответствующие счетчики результата, выполняющие операцию накапливающего суммирования, выходы которых подаются на первые входы соответствующих блоков переписи результата, выполняющих обратное преобразование вероятностно представленных данных в двоичные позиционные коды, на вторые входы которых подается разрешающий сигнал выдачи информации, формирующийся в счетчике операндов путем его переполнения под воздействием управляющего сигнала с первого вероятностного множительного устройства, который вырабатывается по окончании операции умножения каждой пары сомножителей, выходом устройства является совокупность выходов двух блоков переписи результатов.