Устройство для обнаружения момента изменения свойств случайного процесса

 

Союз Советских

Социапистических

Республик

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

<и888133 (6! ) Дополнительное к авт. свид-ву (22)Заявлено 21.03.80 (2!) 289999)/18-24 (51)М. Кл.

G 06 F 15/36 с присоединением заявки №

1Ъаударстеанный квинтет

СССР

lIo делан нзабретеннй и аткрытнй (23 ) Приоритет

Опубликовано 07.12.8! . Бюллетень ¹45

Дата опубликования описания 07.12,8) (53) УДК 68! .3 (088. 8) 1.Демиденко .. (72) Авторы изобретения

С.И.Магальник, В.Н.Силаев и (7!) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ МОМЕНТА

ИЗМЕНЕНИЯ СВОЙСТВ СЛУЧАЙНОГО ПРОЦЕССА

Изобретение относится к специализированным устройствам вычислительной техники для обнаружения момента изменения свойств случайного процесса с целью исключения режима разладки иэ статистической обработки непре5 рывных сигналов с реальных объектов в телеметрических системах, системах автоматики, связи, радиоэлектроники, физики и др.

Известно устройство для определения момента изменения свойств нормального шума с экспоненциальной корреляционной функцией, известные параметры которой могут принимать две

15 пары значений (11, содержащее блок задержки, блок определения разности, квадраторы, сумматор, усредняющий блок и элемент сравнения.

Наиболее близким решением по техни-.© ческой сущности и достигаемому результату является устройство для обнаружения момента изменения свойств случайного процесса, содержащее блок управпения, первый..выход которого подключен к первому входу аналого-цифрового преобразователя, второй вход которого является входом устройства, блок умножения; сумматор, два регистра сдви-, га f 2).

Недостатками известных устройств являются невозможность обнаружения момента изменения математического ожидания случайного сигнала, а также сложность и энергоемкость применяемого оборудования.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей известного устройства, а именно определение момента изменения свойств случайного процесса, характеризуемых математическим ожиданием и корреляционной функцией.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство введены пять регистров, три регистра сдвига, TDH элемента ИЛИ, два элемента И, элемент задержки и пусковая кнопка, 888133 4

SS при этом первый вход первого регистра объединен с первым входом второго регистра и подключен к первому выходу блока управления, выход первого регистра сдвига соединен с S первым входом первого регистра сдвига и с первым входом первого элемента ИЛИ, второй вход которого объединен с первым входом второго регистра сдвига и подключен к выходу 1О второго регистра сдвига, первый вход и выход третьего регистра сдвига объединены и подключены к первому входу второго элемента ИЛИ, выход которого соединен с входом сум- IS матора, первый выход которого подключен к первому входу четвертого регистра сдвига, первый выход которого соединен с первым входом третьего элемента ИЛИ, второй вход которого объединен с вторым входом первого элемента ИЛИ и подключен к второму выходу четвертого регистра сдвига, выход второго регистра соединен с третьим входом третьего элемента ИЛИ, выход которого подключен к первому входу блока умножения, второй вход которого соединен с выходом первого элемента ИЛИ, первый выход блока умножения подключен к второму входу второго элемента ИЛИ, третий вход которого соединен с выходом пятого регистра сдвига; первый вход которого подключен к второму выходу сумматора, третий выход которого соедииен с первыми входами первого и второго элементов И, выход которого подключен к первому входу блока управления, выходы третьего, четвертого и пятого регистров подключены соответственно к четвертому, пятому и шестому входам

40 второго элемента ИЛИ, седьмой вход которого соединен с выходом первого регистра, второй вход которого объединен с вторыми входами четвертого и пятого регистров сдвига и подключен к второму выходу блока управления, третьи входы первого регистра, четвертого и пятого регистров сдвига объединены и подключены к третьему выходу блока управления, четвертый выход которого соединен с вторыми входами второго регистра и первого регистра сдвига, с четвертым входом пятого регистра и с вторым входом третьего регистра сдвига, третий вход которого объединен с третьими входами второго регистра и первого регистра сдвига, с пятым входом пятого регистра сдвига и подключен к пятому выходу блока управления, шестой выход которого подключен к четвертому входу четвертого регистра сдвига, седьмой выход блока управления соединен с пятым входом четвертого регистра сдвига; шестой вход которого объединен с третьим входом третьего регистра сдвига и подключен к восьмому выходу блока управления, девятый выход которого соединен с третьим входом второго регистра сдвига и с седьмым входом четвертого регистра сдвига, восьмой вход которого подключен к второму выходу блока умножения, вход третьего регистра соединен с десятым выходом блока управления, одиннадцатый выход которого подключен к первому входу пятого регистра, второй вход которого соединен с выходом первого элемента И, второй вход которого подключен к двенадцатому выходу блока управления, тринадцатый выход блока управления подключен к второму входу второго элемента И, к третьему входу пятого регистра и к входу четвертого регистра, четвертые входы первого и второго регистров объединены и подключены к выходу аналого-цифрового преобразователя, выход пусковой кнопки соединен с вторым входом блока управления и через элемент задержки с пятым входом первого регистра, блок управления содержит генератор импульсов, элемент И, триггер и двенадцать последовательно соединенных элементов задержки, при этом выход генератора импульсов подключен к первому входу элемента И, второй вход которого соединен с выходом триггера, единичный вход которого является вторым входом блока, нулевой вход триггера является первым входом блока, выход элемента И является первым выходом блока управления а выходы элементов задержки подключены .к выходам соответственно с второго по тринадцатый блоки управления.

На фиг. 1 изображена блок-схема устройства для обнаружения момента изменения свойств случайного процесса, на фиг. 2 — блок-схема блока управления.

Устройство для обнаружения момента изменения свойств случайного процесса содержит блок 1 управления, аналого-цифровой преобразователь 2, первый 3, второй 4, третий 5, чет888 вертый 6, пятый 7 регистры, первый

8, второй 9, третий 10, четвертый 11, пятый 12 регистры сдвига, первый

И 13 и второй И 14 элементы, сумматор 15, блок 16 умножения, первый

ИЛИ 17, второй ИЛИ 18 и третий

ИЛИ 19 элементы, элемент 20 задержки и пусковую кнопку 21. Блок управления устройства содержит генератор

22 импульсов, элемент И 23, триггер

24 и последовательно включенные элементы задержки 25-36.

Принцип работы устройства основан на идее статистического последовательного анализа. Пусть наблюдается стационарный гаусовский случайный процесс Х1(+), определяемый вектором параметров Q =)Wt1>371+ 1. В неко1у торый случайный момент времени вектор параметров Q меняет свои значе1 ния и становится равным

2 2 4 2

Здесь }и — математическое ожидание

1-ro прогресса, Q — дисперсия;

С - — показатель экспоненты кор1 реляционной функции К(ф) т.е.

Ставится задача, зная вектора 01

,и 9 и наблюдая последовательный ряд ! значений }(„, Х ... }(случайного процесса, обнаружить и оценить момент

"разладки" (изменения вектора параметров процесса Х (Ц).

Алгоритм состоит в последовательном наблюдении дискретных выборок последуембго процесса и вычисления очередного значения решающей функции, за которую принят логарифм отношения правдоподобия, определяемый по формуле С,(+ 1) =Р ° (2)

Р (}(И+1 И1 . "ХИ »У ) 1 (И+1 /}(1--}(},,а,)

Из формулы (2) видно, что в случае процесса ХЛ (+), т.е. до момента -(; о, функция A$ (1+1) имеет отрицательное математическое ожидание, а в случае процесса X (e), наоборот положительное математическое ожидание °

Далее вводится операция отражения от йулевой оси, заключающаяся в том, что

1ЗЗ

М(и»-л) =

О ЕСЛ1» (И)+а (И. 1) =О (3!

С (И)+ Дс (11+1) ЕСМ (11)+Ц (И+ВО, т.е. до момента +б в функции доминирует отрицательная составляющая и поэтому она "прижимается" к оси

После момента+о функция ф(и +1) в среднем растет почти линейно. Пороговый уровень ее (, свидетель" ствующий о изменении вектора параметров случайного процесса с g на

Q н время залаздывания с момента изменения свойств сигнала до момента обнаружения 1; связана соотношением

2

1 Ьап 1 а Зап а з.

20 ф = — — -1 + (g -С )

О 2 Рл 2 . (4)

+ . (- "") ("-a ) C,oïЕи л Где А =е; )„= Эi(-Q„)

I тле ° задавая 2, 1 можно определить поРоговый уровень до ф . Известно, что выражение для плотности вероятности гауссовых процессов имеет вид

P (< /)(.1,}(д... Х}1, 9„) =

ХР (X 8+1 „}(N 11(НЪ1)1

-Я р- . 2P

Подставляя (5 ) в (2) получаем ((+1}="4" И+1 % h С ) — А (Х +л О2ХИ-С ) +E., (6)

Гдб A = » % С1=м1 (4-a„-);

Е=Ки а. S

Устройство работает следующим образом.

Аналого-цифровой преобразователь

2 преобразует исследуемый входной сигнал в код, содержащий пять двоичS0 ных разрядов, с частотой, определяемой блоком 1 управления. Преобразованные значения сигнала по им" пульсу с первого выхода блока запоминаются в регистрах 3,4. Запускается блок 1 от пусковой кнопки 21, причем пусковой сигнал через элемент

20 обнуляется регистр 3. Продолжительность элемента 20 подобрана таким

888)33

8 образом, чтобы обнуление регистра

3 происходило в промежутке между импульсами с первого и второго выходов блока 1 (один раз при запуске).

Определение Ьф ) проиллюстрируем на примере определения Д) . Поступившее число К является (И+1)-м для Ь() и Х (И) -м для d@6. По импульсам с второго и третьего выходов блока 1 число К выбирается из регистра 3 и через элемент ИЛИ 18 поступает на сумматор 15. В это же время на другой вход элемента ИЛИ 18 и с него на сумматор 15 поступают зна(- С1.))(.- С )) и (- X "С+)()

4 1 5 запоминаются в регистре )l.

По импульсам с четвертого и пятого выходов блока 1 число К выбирается из регистра 4 и через элемент

ИЛИ 19 поступает на вход блока 16, на другой вход которого в то же вре1 мя из циклического регистра 8 через элемент ИЛИ 17 поступают значения—

C3 (1 =1,2).

Числа перемножаются, полученные выражения — СМ„ Х< через элемент

ИЛИ 18 поступают на сумматор, где складываются с одновременно поступающими из циклического регистра 10 через элемент ИЛИ 18 числами — С (< =1,2). Полученные выражения (- С)„Язапоминаются в регистре 12 до следующего цикла (определения Дф )

По импульсам с шестого и седьмого выходов блока 1 выражения(Х— э

01)(,)" С„) (< =),2), хранящиеся в регистре 11 через элементы ИЛИ 19, l7 поступают на разные входы блока умножения, где перемножаются сами на себя и запоминаются в том же регистре 11. По импульсам с восьмого и девятого выходов блока 1 выражения(Хя-О„Х4-С-) из регистра )1

Ф поступают через элемент ИЛИ 19 на выход блока 16, на другой вход которого поступают числа A . (1 =1,2) из циклического регистра 9 через элемент ИЛИ 17. Числа перемножаются и через элемент ИЛИ 18 поступают на сумматор 15, где вычитаются.

По импульсу с десятого выхода блока 1 из регистра 5 через элемент

ИЛИ 18 на сумматор 15 поступает число Е, которое складывается с нахоS

И

$0

S$ дящимся там выражением, т ° е. получаем на сумматоре

ЬС =А (Х -СМ,1Х4 — С))—

А (Х -О Х -С ) 1- Е

По импульсу с одиннадцатого выхода блока 1 Ь.ф складывается с выра-

4. жением . Ьф-, которое поступает на

;1 1 сумматор с регистра 7 через элемент

ИЛИ 17 и полученное выражение .3)дс .

1-1 отправляется на запоминание в регистр 7. По импульсу с двенадцатого выхода блока управления на элементе

И 13 анализируется знак 3, A+, =л

В случае отрицательного зн,ька содержимое регистра 7 обнуляется. По импульсу с тринадуатого выхода блока управлениями = ф Я,„с регистра 7 через элемент ИЛИ 18 поступает на сумматор 15, где из него вычитается пороговое значение решающей функции ф0, хранящееся в регистре

6 и поступающее на сумматор через элемент ИЛИ 18. Если С б < фо, то производится выборка очередного числа Х6, и весь цикл работы устройства повторяется. Если же ф )/фо, то это является сигналом о н=ступлении момента разладки +О с запаздыванием ) с1П. Указанный анализ производится на элементе И 14, и при

1 )рфо сигнал с элемента И 14 по цепи обратной связи производит останов блока 1 и, следовательно, всего устройства.

Блок 1 устройства для обнаружения момента изменения cEQHcTB случайного процесса работает следующим образом.

Импульс от кнопки 21 ставит триггер 24 в положение, разрешающее прохождение тактовых импульсов с генератора 22 через элемент И 23. С выхода элемента И 23-импульсы попадают на вход последовательно вклю.ченных элементов 25-36 задержки.

Выходы элементов 25-36 вместе с выходом элемента И 23 образуют выходы всего блока 1. Поступающий по цепи обратной связи с элемента И 14 сигнал перебрасывает триггер 24 в положение, снимающее разрешающий уровень с элемента И 23, т.е. производит останов блока 1 и, следовательно, всего устройства.

Таким образом, задавая векторы

Я и Д, а также время запаздывания ГЗС1пи последовательно наблюдая

888133 текущие значения сигнала $ (t), оп- ределяется момент изменения свойств случайного процесса в темпе поступления сигналов (с запаздыванием .Ь п)т.е. предлагаемое устройство ап позволяет расширить функциональные возможности известного устройства.

Формула изобретения

1S

1. Устройство для обнаружения момента изменения свойств случайного процесса, содержащее блок управления, первый выход которого подключен к первому входу аналого-цифрового преобразователя, второй вход которого является входом устройства, блок умножения, сумматор, два регистра сдвига, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет определения момента изменения математического ожидания и корреляционной функции в него введены пять регист- 25 ров, три регистра сдвига, три элемента ИЛИ, два элемента И, элемент задержки и пусковая кнопка, при этом первый вход первого регистра объединен с первым входом второго регистра и подключен к первому выходу блока управления, выход первого регистра сдвига соединен с первым входом первого регистра сдвига и с первым входом первого элемента ИЛИ, второй вход которого объединен с первым входом второго регистра сдвига и подключен к выходу второго регистра сдвига, первый вход и выход третьего регистра сдвига объединены и под46 ключены к первому входу второго элемента ИЛИ, выход которого соединен с входом сумматора, первый выход которого подключен к первому входу четвертого регистра сдвига, первый выход которого соединен с первым входом третьего элемента ИЛИ, второй вход которого объединен с вторым входом первого элемента ИЛИ и подключен к второму выходу четвертого регистра сдвига, выход второго регистра соединен с третьим входом третьего элемента ИЛИ, выход которого подключен к первому входу блока умножения, второй вход которого соединен с выходом первого элемента ИЛИ, первый выход блока умножения подключен к второму входу второго элемента ИЛИ, третий вход которого соединен с выходом пятого регистра сдвига, первый вход которого подключен к второму выходу сумматора, третий выход которого соединен с первыми входами первого и второго элементов И, выход которого подключен к первому входу блока управления, выходы третьего, четвертого и пятого регистров подключены соответственно к четвертому, .пятому и шестому входам второго эле мента ИЛИ, седьмой вход которого соединен с выходом первого регистра, второй вход которого объединен с вторыми входами четвертого и пятого регистров сдвига и подключен к второму выходу блока управления, третьи входы первого регистра, четвертого и пятого регистров сдвига объединены и подключены к третьему выходу блока управления, четвертый выход которого соединен с вторыми. входами второго регистра и первого регистра сдвига, с четвертым входом пятого регистра и с вторьм входом третьего регистра сдвига, третий вход которого объединен с третьими входами втРрого регистра и первого регистра сдвига, с пятым входом пятого регистра сдвига и подключен к пятому выходу блока управления, шестой выход которого подключен к четвертому входу четвертого регистра сдвига, седьмой выход блока управления соединен с пятым входом четвертого регистра сдвига, шестой вход которого объединен с третьим входом третьего регистра сдвига и подключен к восьмому выходу блока управления, девятый выход которого соединен с тре гьим входом второго регистра сдвига и с седьмым входом четвертого регистра сдвига, восьмой вход которого подключен к второму выходу блока умножения, вход третьего регистра соединен с десятым выходом блока управления, одиннадцатый выход которого подключен к первому входу пятого регистра, Второй вход которого соединен с выходом первого элемента И, второй вход которого подключен к двенадцатому выходу блокауправления, тринадцатый выход блока управления подключен к второму входу второго элемента И, к третьему входу пятого регистра и к входу четвертого регистра, четвертые входы первого и второго регистров объединены и подключены к выходу аналого-цифрового преобразователя, выход пусковой кнопки

33

10!

8881 ! соединен с вторым входом блока управления и через элемент задержки с пятым входом первого регистра.

2. Устройство по п. 1, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что блок уп- 5 равления содержит генератор импульсов, элемент И, триггер и двенадцать последовательно соединенных эле-ментов задержки, при этом выход генератора импульсов Йодключен к первому входу элемента И, второй вход которого соединен с выходом триггера, единичный вход которого является вторым входом блока, нулевой вход триггера является первым входом блока, выход элемента И является первым выходом блока управления, а выходы элементов задержки подключены к выходам соответственно с второго по тринадцатый блоки управления.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

Ф 324633, кл. G 06 F 15/34, 1970.

2. Авторское свидетельство СССР

Ф 355617, кл. G 06 F 15/34, 1969 (прототип).

888133

Составитель Л.Григорьянц-Чтенц

Техред 3. Фанта, Корректор Н. Швыдкая

Редактор Г.Петрова

Подписное

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

Заказ 10726 14 Тираж 748

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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