Адаптивное цифровое сглаживающее устройство

Изобретение относится к области автоматики и вычислительной техники. Технический результат – обеспечение автоматического выбора коэффициента сглаживания в зависимости от скорости медианы процесса (МП). Адаптивное цифровое сглаживающее устройство содержит: арифметический блок; субблок расчета скорости МП; блок формирования импульсов сдвига; субблок выбора коэффициента сглаживания по скорости медианы процесса, содержащий компаратор, регистр сдвига, два элемента И, причем первый (А) информационный вход компаратора подключен к выходу регистра сдвига, второй (В) информационный вход компаратора соединен с информационным выходом субблока расчета скорости МП, управляющий выход соотношения (В<А) компаратора заведен на первый вход первого элемента И субблока, управляющий выход соотношения (В>А) компаратора соединен с первым входом второго элемента И субблока, шина сдвига вправо регистра сдвига подключена к выходу элемента И блока формирования импульсов сдвига, а последний через элемент задержки блока заведен на вторые входы обоих элементов И субблока выбора коэффициента сглаживания, выход первого элемента И которого соединен с шиной сдвига вправо регистра сдвига арифметического блока, а выход второго элемента И - с шиной записи запоминающего регистра арифметического блока. 4 ил., 5 табл.

 

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано для сглаживания стационарных и нестационарных случайных процессов.

Известно адаптивное цифровое сглаживающее устройство (патент РФ №2444123, МПК Н03Н 17/04, бюл. №6, 2012), содержащее сумматор, два компаратора, блок управления динамической характеристикой, одноканальный блок сглаживания и два реверсивных счетчика. Устройство функционально ограничено.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является, выбранное в качестве прототипа, многоканальное цифровое сглаживающее устройство (а.с. СССР №1047361, МПК Н03/Н 17/04, 1982), содержащее два сумматора, регистр сдвига, блок формирования импульсов сдвига, блок генерации счетных импульсов по отклонениям, блок управления динамической характеристикой, блок задания соотношения отклонений и два реверсивных счетчика. Устройство имеет относительно большой объем оборудования и также функционально ограничено.

В предложенном устройстве, как в аналогах и прототипе, реализован оператор экспоненциального сглаживания Брауна:

где xn - дискреты входного случайного процесса (СП), состоящего из аддитивной смеси полезной составляющей сигнала (выделяемой детерминированной медианы процесса) и флуктуирующей части (помехи, случайного шума и т.п.); уn - выходные дискреты медианы процесса (МП); α=1/2К - коэффициент сглаживания, 2К - апертура сглаживания;

Δxn=(xn-yn-1) - текущее отклонение от МП; Δуn=αΔхn=(Δхn/2К) - текущее приращение МП, причем операция деления на апертуру в устройстве производится путем сдвига отклонения Δхn вправо на к разрядов (к=1÷5).

В аналогах и прототипе для повышения точности (эффективности) сглаживания, т.е. минимизации среднеквадратического отклонения (СКО), задают фиксированное (минимальное) значение коэффициента сглаживания а (см., например, табл. 1). Однако, если на вход устройства поступает нестационарная быстро меняющаяся дискретная последовательность (например, почти скачок), то на выходе устройства, в силу интегрирующего характера его работы, возникает фазовый сдвиг Δt (запаздывание) выходных дискрет, искажающий реальный ход изменения медианы процесса, т.е. снижается реакция устройства на изменение скорости медианы процесса, причем Δt=(2К-1)Т, где Т - цикл работы устройства. На практике при сглаживании СП с высокой скоростью МП минимизация фазового сдвига (запаздывания) превалирует над некоторым снижением при этом эффективности (точности) сглаживания.

Техническая задача для предлагаемого устройства заключается в реализации автоматического выбора значения коэффициента сглаживания в зависимости от скорости медианы процесса, в частности, для динамичных СП с высокой скоростью МП - следует минимизировать фазовый сдвиг (запаздывание) выходных дискрет, а для стационарных и медленно меняющихся СП - обеспечить высокую эффективность (точность) сглаживания.

Поэтому в адаптивное цифровое сглаживающее устройство, содержащее арифметический блок из двух сумматоров, регистра сдвига и запоминающего регистра, выход которого является информационным выходом устройства; субблок расчета скорости медианы процесса (МП), содержащий буфер регистровой памяти (предыстории входного дискретного процесса), блок инверторов, сумматор и схему формирования абсолютного значения скорости МП из блока инверторов и мультиплексора, выход которого является информационным выходом субблока; блок формирования импульсов сдвига, содержащий элемент задержки, элемент И, триггер и генератор импульсов, для решения поставленной задачи введен субблок выбора коэффициента сглаживания по скорости медианы процесса, содержащий компаратор, регистр сдвига, первый и второй элементы И, причем первый (А) информационный вход компаратора подключен к выходу регистра сдвига, второй (В) информационный вход компаратора, монтажно сдвинутый на (М) разрядов вправо (в сторону младших разрядов), соединен с информационным выходом субблока расчета скорости МП, управляющий выход соотношения (В<А) компаратора заведен на первый вход первого элемента И субблока, управляющий выход соотношения (В>А) компаратора соединен с первым входом второго элемента И субблока, шина сдвига вправо регистра сдвига подключена к выходу элемента И блока формирования импульсов сдвига, а последний через элемент задержки блока заведен на вторые входы обоих элементов И субблока выбора коэффициента сглаживания, выход первого элемента И которого соединен с шиной сдвига вправо регистра сдвига арифметического блока, а выход второго элемента И - с шиной записи запоминающего регистра арифметического блока.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображены: фиг. 1 - блок-схема предлагаемого устройства; фиг. 2 - блок-схема одного канала блока сглаживания; фиг. 3 - схема формирования абсолютного значения скорости МП; фиг. 4 - реакция (фазовый сдвиг, запаздывание) устройства на скачок МП; приложения 1 и 2 - результаты моделирования работы устройства на ЭВМ при обработке нестационарных случайных процессов.

Известны формулы численного дифференцирования для равноотстоящих точек, выраженные через значения функции в этих точках (Демидович Б.П. и Марон И.А. Основы вычислительной математики. М., «ФМ», 1960, гл. XV, § 4, стр. 573), в частности, для трех точек имеем следующую формулу центральной производной:

где уп, уп-1, уп-2 - соответственно, первая (текущая), вторая и третья (конечная) расчетные точки (ординаты) буфера хранения предыстории входной сглаженной дискретной последовательности.

В численном анализе - это система равноотстоящих точек с шагом h, переходя в реальный масштаб времени и выбирая две точки (ординаты) буфера предыстории (текущую и конечную) получим следующую модификацию формулы вычисления скорости медианы сглаживаемого случайного процесса:

где Н=2h - временной интервал замера скорости; уп и уп-н - текущая и конечная ординаты буфера предыстории; Н=NT, где N - количество регистров в буфере, Т - цикл работы устройства.

Устройство содержит (см. фиг. 1) арифметический блок, в состав которого входят первый сумматор 1, регистр сдвига 2, второй сумматор 3, запоминающий регистр 4, информационные вход 5 и выход 6; блок формирования импульсов сдвига 7, содержащий триггер 8, элемент И 9, генератор импульсов 10 (fr) и элемент задержки 11; субблок 12 расчета скорости медианы процесса, содержащий одноканальный блок сглаживания 13 (см. авт. св. СССР №748417, кл. G06F 15/32, бюл. №26, 1980) из сумматора 14 и регистра 15 (см. фиг. 2), буфер регистровой памяти предыстории процесса из N последовательно соединенных регистров 16, блок инверторов 17, сумматор 18 и схему 19 формирования абсолютного значения скорости (|у'n|) из блока инверторов 20 и мультиплексора 21 (фиг. 3); субблок 22 выбора коэффициента сглаживания по скорости медианы процесса, содержащий компаратор 23, регистр сдвига 24 с шиной 25 ввода «1» в 7-й разряд регистра, первый 26, второй 27 элементы И и тактирующий вход 28 (fт).

Для предложенного устройства установлен вполне приемлемый с метрологической точки зрения (см. пример в табл. 1) диапазон изменения коэффициента сглаживания с пятью фиксированными ступенями а с соответствующими значениями кода апертуры 2К и обратного кода апертуры сглаживания 26-К (см. табл. 2).

Алгоритм выбора коэффициента сглаживания по скорости медианы процесса построен на сравнении кода последней с обратным кодом апертуры сглаживания (А=26-К). Чтобы сделать код скорости медианы процесса во всем возможном спектре ее изменения (от минимальной до максимальной, почти, скачка) соизмеримым при сравнении с диапазоном обратного кода апертуры (64, 32, 16, 8, 4, 2), он делится на масштабный коэффициент Км: Vm=Vnм, где Vm - приведенная (виртуальная) скорость медианы процесса, причем ее максимальное значение не должно превышать предельного значения обратного кода апертуры (А=64), т.е. Vm макс.<64. Поскольку масштабный коэффициент Км зависит от емкости разрядной сетки аналого-цифрового преобразования (АЦП) входного сигнала, то для 12-ти разрядного АЦП: Км=4096/64=26, М=6; для 10-ти разрядного АЦП: Км=1024/64=24, М=4 и т.д.

Операция приведения кода скорости медианы процесса к требуемому диапазону (0÷64) путем деления ее на масштабный коэффициент производится монтажно - путем сдвига выходных шин субблока 12 расчета скорости МП на М разрядов вправо при вводе их на второй информационный вход компаратора 23 субблока 22 выбора коэффициента сглаживания. Такая операция на блок-схеме (см. фиг. 1) обозначена кружочком.

В соответствии с формулой (1) один цикл работы устройства производится за три такта. В первом такте управляющий импульс с входа 28 инициирует работу одноканального блока сглаживания 13, выходная ордината уn которого поступает в первый регистр 16 блока памяти субблока 12 расчета скорости МП, одновременно производится перезапись (сдвиг) предшествующих ординат в соседние регистры 16, т.е. формируется предыстория процесса. По формуле (3) рассчитывается скорость МП и на выходе субблока устанавливается ее абсолютное значение Vn. Этот же тактирующий импульс 28 фиксирует в регистре 2 текущее отклонение Δхn, записывает от шины 25 «1» в 7-й (старший) разряд регистра сдвига 24, фиксируя в нем максимальный обратный код апертуры сглаживания (A=64) и установкой в «1» триггера 8 запускает в работу во втором такте блок формирования импульсов сдвига 7. Последний - вырабатывает от генератора 10 серию мини-тактов (fr), причем fr>>fт, первый и последующие из которых сдвигают «1» в регистре сдвига 24 вправо на один разряд, формируя в нем потактно (к=1÷5) позиционный обратный код апертуры А=26-К, который в компараторе 23 сравнивается с кодом приведенной скорости процесса В=Vm, одновременно импульсы сдвига (k) формируют через элемент И 26 при выполнении соотношения (В<А) компаратора 23 текущие приращения МП Δуn в регистре сдвига 2. Вышеперечисленные мини-такты будут продолжаться до выполнения в компараторе 23 соотношения (В>А), высокий уровень («1») выходного сигнала которого, в этом случае, через элемент И 27 разрешит уже в третьем такте запись результата сглаживания в выходной регистр 6.

В таблице 3 приведен пример цикла выбора коэффициента сглаживания для конкретного значения приведенной скорости МП: В=Vm=7.

В приложении 1 и 2 приведены результаты моделирования работы устройства на ЭВМ: Xn=Yw+Zn, где

Yw - детерминированная основа (эталон) сглаживаемого случайного процесса (СП)Хn;

Zn - случайный процесс, характеризующий помеху;

Ys - выходная дискрета сглаженного СП, медиана процесса (МП);

dYs=(Yw-Ys) - оценка фазового сдвига (запаздывания) устройства (разность между эталоном и МП) для выбранных по скорости МП коэффициентов сглаживания α (столбец 7);

dYk=(Yw-Y1/8) - оценка фазового сдвига (запаздывания) устройства для заданного (фиксированного) коэффициента сглаживания α=1/8 (столбец 8).

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Адаптивное цифровое сглаживающее устройство

Результаты моделирования работы устройства при обработке (сглаживании) нестационарного случайного процесса (СП).

Параметры СП: Объем реализации n=500; Среднее квадратич. отклонение σ[Хn]=9.

Параметры устройства: Временной интервал замера скорости H=NT=10T.

Масштабный коэффициент Км=8=23, М=3.

Н=10Т, М=3[Км=8], Yw(Makc)=7350.

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Адаптивное цифровое сглаживающее устройство

Результаты моделирования работы устройства при обработке (сглаживании) нестационарного случайного процесса (СП).

Параметры СП: Объем реализации n=500; Среднее квадратич. отклонение σ[Хn]=9.

Параметры устройства: Временной интервал замера скорости H=NT=10T.

Масштабный коэффициент приведения Км=8=23, М=3.

Н=10Т, М=3[Км=8], Yw(Маkс)=7357.

Адаптивное цифровое сглаживающее устройство, содержащее арифметический блок из двух сумматоров, регистра сдвига и запоминающего регистра, выход которого является информационным выходом устройства; субблок расчета скорости медианы процесса (МП), содержащий буфер регистровой памяти (предыстории входного дискретного процесса), блок инверторов, сумматор и схему формирования абсолютного значения скорости МП из блока инверторов и мультиплексора, выход которого является информационным выходом субблока; блок формирования импульсов сдвига, содержащий элемент задержки, элемент И, триггер и генератор импульсов, отличающееся тем, что в него введен субблок выбора коэффициента сглаживания по скорости медианы процесса, содержащий компаратор, регистр сдвига, первый и второй элементы И, причем первый (А) информационный вход компаратора подключен к выходу регистра сдвига, второй (В) информационный вход компаратора, монтажно сдвинутый на (М) разрядов вправо (в сторону младших разрядов), соединен с информационным выходом субблока расчета скорости МП, управляющий выход соотношения (В<А) компаратора заведен на первый вход первого элемента И субблока, управляющий выход соотношения (В>А) компаратора соединен с первым входом второго элемента И субблока, шина сдвига вправо регистра сдвига подключена к выходу элемента И блока формирования импульсов сдвига, а последний через элемент задержки блока заведен на вторые входы обоих элементов И субблока выбора коэффициента сглаживания, выход первого элемента И которого соединен с шиной сдвига вправо регистра сдвига арифметического блока, а выход второго элемента И - с шиной записи запоминающего регистра арифметического блока.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области автоматики и вычислительной техники. Технический результат – обеспечение автоматического выбора величины степени сглаживания числа задействованных каналов сглаживания, обратно пропорциональной скорости медианы процесса.

Изобретение относится к области цифрового управления объектами авиационной техники, техники обработки и передачи дискретной информации в таких системах, и для создания цифровых фильтров.

Изобретение относится к радиолокационной технике. Предназначено для идентификации параметров модели ЛЧМ-сигналов в дискретные моменты времени.

Группа изобретений относится к многокаскадным фильтрам и может быть использована для фильтрации данных с использованием таких фильтров. Техническим результатом является обеспечение параллельной обработки данных.

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в системах цифровой обработки информации с высокими требованиями к частотной избирательности выполнения фильтрации.

Изобретение относится к области обработки цифровых данных, в которых используется операция деления на постоянный целочисленный делитель. .

Изобретение относится к цифровой вычислительной технике и может быть использовано в системах цифровой обработки сигналов для решения задач оптимальной нелинейной фильтрации.

Изобретение относится к области обработки информации, может использоваться в цифровых системах контроля, слежения и управления различными объектами. .

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 области вычислительной техники и может быть использовано для построения в общесистемной аппаратной среде цифровых авторегрессионных фильтров и фильтров с конечным импульсным откликом, устройств идентификации, свертки и модульных вычислений.

Изобретение относится к области автоматики и вычислительной техники. Технический результат – обеспечение автоматического выбора величины степени сглаживания числа задействованных каналов сглаживания, обратно пропорциональной скорости медианы процесса.

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано для мониторинга состояния сложных объектов, результатом которого является оценка многопараметрического интегрального показателя состояния объекта.

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике. Техническим результатом является повышение точности интерполяции.

Изобретение относится к области вычислительной техники. Технический результат изобретения заключается в уменьшении погрешности и увеличении скорости при восстановлении изображений за счет использования хэш-функций для блоков.

Изобретение относится к области вычислительной техники. Технический результат изобретения заключается в уменьшении погрешности и увеличении скорости при восстановлении изображений за счет использования хэш-функций для блоков.

Изобретение относится к метрологии, в частности к средствам измерения динамических процессов. Способ фильтрации нестационарных сигналов, представляющих реализации исследуемых динамических процессов с последующим выделением полезного сигнала, осуществляют следующим образом.

Изобретение относится к области радиотехники. Технический результат – обеспечение восстановления изображений в радиолокационных системах дистанционного зондирования протяженных объектов за счет моделирования изображений в виде случайных полей на основе стохастических дифференциальных уравнений в частных производных второго порядка.

Изобретение относится к области вычислительной техники, в частности к цифровой обработке сигналов. Техническим результатом является сокращение времени обработки.

Изобретение относится к средствам обработки информации для прогнозирования стационарных и нестационарных случайных процессов и может быть использовано в цифровых системах контроля и наведения.

Изобретение относится к способам определения шумов в измерительной информации чувствительных элементов инерциальных навигационных систем с использованием метода вариации Аллана и может быть использовано при апостериорной обработке показаний инерциальных измерителей с целью получения качественных и количественных оценок основных шумовых характеристик чувствительных элементов инерциальных навигационных систем по результатам испытаний.

Изобретение относится к области автоматики и вычислительной техники. Технический результат – обеспечение автоматического выбора величины степени сглаживания числа задействованных каналов сглаживания, обратно пропорциональной скорости медианы процесса.

Изобретение относится к области автоматики и вычислительной техники. Технический результат – обеспечение автоматического выбора коэффициента сглаживания в зависимости от скорости медианы процесса. Адаптивное цифровое сглаживающее устройство содержит: арифметический блок; субблок расчета скорости МП; блок формирования импульсов сдвига; субблок выбора коэффициента сглаживания по скорости медианы процесса, содержащий компаратор, регистр сдвига, два элемента И, причем первый информационный вход компаратора подключен к выходу регистра сдвига, второй информационный вход компаратора соединен с информационным выходом субблока расчета скорости МП, управляющий выход соотношения компаратора заведен на первый вход первого элемента И субблока, управляющий выход соотношения компаратора соединен с первым входом второго элемента И субблока, шина сдвига вправо регистра сдвига подключена к выходу элемента И блока формирования импульсов сдвига, а последний через элемент задержки блока заведен на вторые входы обоих элементов И субблока выбора коэффициента сглаживания, выход первого элемента И которого соединен с шиной сдвига вправо регистра сдвига арифметического блока, а выход второго элемента И - с шиной записи запоминающего регистра арифметического блока. 4 ил., 5 табл.

Наверх