Вероятностный коррелометр
(71) Заявители бюро по проектированию счетных машин.и Опытный завод (4) 8ЕРОЯТНОСТНЫЯ КОРРЕЛОИЕТР
Изобретение относится к цифровой вычислительной технике и предназначено для вычисления математического .ожидания, дисперсии, авто- и взаимокорреляционной функции, а также определения амплитуды и фазы периодической составляющей исследуемого случайного процесса.
Изобретение может найти применение во многих областях науки и техники (гидрометеорология, ядерная физика, медицина, биология связь и др.), где исследуемые процессы носят случайный характер.
Известен коррелометр, содержащий блоки крутого и точного квантования, блоки умножения, блок памяти, блок усреднения, регистры, блоки элементов И, счетчики, коррелометр позволяет выделить периодическую составляющую (1).
Однако с его помощью нельзя определять ее амплитудно-фаэовые характеристики, Из известных вероятностных коррелометров наиболее близким по технической суцности к предлагаемому является вероятностный коррелометр.
5 содержащий первыи и второй блоки вероятностного кодирования, блок сдвигающих регистров, блок памяти, блок умножения, выходы которого соединены с выходами каналов преобра зования, генератор псевдослучайных чисел, подключенный своими выходами к вторым входам соответственно пер" вого и второго каналов преобразования, блок вентилей, счетчик кратности, регистр, а также блок управления, подключенный своими управляющими выходами к входам блоков и узлов устройства f 21.
Недостатком известного устройства являются ограничений".:функциональные воэможности, не позволяющие производить вычисление амплитудно-фазовых характеристик периодической составляющей случайного процесса. 932500
Цель изобретения — расширение
Функциональных возможностей за счет выявления периодической составляющей случайного процесса и определения ее амплитудно-фазовых характеристик.
Поставленная цель достигается тем, что в вероятностный коррелометр, содержащий даа блока элементов И, регистр, счетчик, первый и второй блоки вероятностного кодиро- 10 вания, первые входы которых являются соответственно первым и вторым входами коррелометра, а вторые и третьи входы блоков вероятностного кодирования соединены соответственно с со- 15 ответствующими выходами генератора псевдослучайных чисел и с первым и вторым выходами блока управления, выход первого блока вероятностного кодирования подключен к первым ахо- 2а дам первого блока элементов И и блока умножения, выход которого соединен с первым входом блока памяти, второй вход которого объединен о вторым входом блока умножения и подключен к первому выходу второго блока вероятностного кодирования, четвертый вход которого соединен с выходом блока памяти, выход первого блока элементов И через блок сдвигающих
Ю регистров подключен к четвертому входу первого блока вероятностного кодирования, управляющие входы перво. го блока элементов И, блока умножения, блока сдвигающих регистров, генератора псевдослучайных чисел и блока памяти соединены соответственно с третьим, четвертым, пятым, шестым и седьмым выходами блока управления, введен блок анализа результатоа сравнения, вход которого
40 соединен с вторым выходом второго блока вероятностного кодирования, а выходы подключены соответственно к суммирующему и вычитающему входам счетчика и к первому входу второго . блока элементов И, второй вход которого подключен к третьему выходу второго блока вероятностного кодирования, выход второго блока элементбв И подключен к входу регистра, 50 выход которого подключен к пятому входу второго блока вероятностного кодирования.
Кроме того, блок анализа результатов сравнения содержит три элемента И счетчик, Формирователь импульсов два триггера и элемент задержки, первый вход первого триггера, первые входы первого и второго элементов И и вход счетчика объединены и являются входом блока анализа результатов сравнения, выходами которого являются соответственно выходы первого и второго элементов И и формирователя импульсов, вход которого подключен к выходу третьего элемента
И, входы которого подключены соответственно к первым выходам первого и второго триггеров, вход второго триггера подключен к выходу счетчика, а второй выход второго триггера подключен ко второму входу второго элемента И, первый выход второго триггера соединен с вторым входом первого элемента И, второй выход формирователя импульсов через элемент задержки соединен с вторым входом первого триггера.
На фиг. l представлена блок-схема вероятностного коррелометра; на фиг. 2 — схема блока управления; на фиг. 3 - схема блока анализа результатов сравнения; на фиг. 4 и 5структуры блоков вероятностного кодирования.
Устройство содержит блоки 1 и 2 аеооятностного кодирования, генератор 3 псевдослучайных чисел, блок 4 умножения, блок 5 памяти, блок 6 эле. ментов И, блок 7 сдаигающих регистров, счетчик 8, блок 9 управления, блок 10 анализа результата сравнения, регистр 11 и блок 12 элементов И.
На фиг. 2 изображена структурная схема блока 9 управления, содержащего счетчик 13 шагов, счетчик 14 кратности стохастического преобразования, счетчик 1 циклов, формирователь 16 одиночного импульса, генератор 17 тактовых импульсов, элемент
И 18, элемент 19 задержки, элемент
И 20, блок 21 анализа, триггер 22, блоки 23 и 24 анализа, счетчик 25 вре менных интервалов, элементы И 26, 27, элемент ИЛИ 28, триггер 29.
На фиг. 3 приведена структурная схема блока 10 анализа результатов, содержащая счетчик 30, элементы
И 31-33, триггеры 34 и 35 формирователь 36 импульсов и элемент 37 задержки.
На фиг. 4 изображена структурная схема блока 1 вероятностного кодирования, содержащего блок 38 элементов И, регистр 39, схему 40 сравнения, а также накапливающий регистр
5 932 ч1. При этом первый вход блока 38 элементов И соединен с выходом блока 7 сдвигающих регистров, второй вход с информационным входом устройства, а управляющий вход - с выходом Ю блока 9 управления. Блок 38 элементов
И через регистр 39 соединен r. первым входом схемы 40 сравнения, второй вход которой соединен с выходом
;генератора 3 псевдослучайных чисел, 1© а выход - через накапливающий регистр .41, в котором в процессе счета формируется значение математического ожидания, - соединен с входами блока
4 умножения и блока 6 элементов И..
На фиг. 5 представлена структурная схема блока 2 вероятностного кодирования, содержащего блок 42 эле" ментов И, регистр 43, схему 44 сравнения, накапливающий регистр 45, 29 в котором в процессе счета формируется математическое ожидание случайного процесса, элемент И 46, а также блок 47 элементов И,.
Первый вход блока 42 элементов И М соединен с выходом блока g памяти, второй вход с вторым входом устройства, а -третий, управляющий вход, соединенный с управляющими входами блока 47 элементов И и элемента И 46 зф подключен к выходу блока 9 управления.
Вход блока 42 элементов И соединен через регистр 43 с первым входом схемы 44 сравнения, второй вход которой соединен через блок 47 элементов И с выходом генератора 3 псевдослучайных чисел и с выходом регистра
11, выход схемы 44 сравнения соединен через накапливающий регистр 45 аф с входом блока $ памяти и входом блока 4 умножения и через элемент
И 46 - с входом блока 10 анализа результата сравнения. !
° 3
Блоки l и 2 предназначены для вероятностного кодирования ординат процессов x(t) и z(t), которое состоит в-замене входного многоразрядного двоичного или десятичного числа в одноразрядное двоичное путем сравнения его на схемах 40 и 44 сравнения с псевдослучайными числами, подаваемыми с соответствующих выходов генератора 3. Параллельно с вычислением корреляционной функции в ре35 гистрах 41 и 45 происходит также накопление кодированных значений ординат процессов x(t) и z(t) соот500 6 ветственно. В отличие от блока 1 блок 2 содержит элемент И 46, через который со схемы 44 сравнения на вход блока 10 анализа подается результат сравнения, "0" или "1", используемый для выявления значения (Кхр) „, х по вычисленной взаимокорреляционной функции.
Устройство работает следующим образом.
Перед началом работы все узлы и блоки коррелометра устанавливаются в начальное (нулевое) состояние.
Случайный процесс, представленный в дискретном виде, поступает на вход блока I вероятностного кодирования (при вычислении автокорреляционной функции) и на входы блоков 1 и 2 (при вычислении взаимокорреляционной функции, амплитуды и фазы исследуемого случайного процесса).
Вычисление автокорреляционной функции осуществляется по формуле фФ.
К (О 1 ЪХ„Х + 1=1, =0, -}, где Й - длина обрабатываемого ряда чисел, 1 1,N; m - количество вычисляемых ординат корреляционной функ-. ции; х - центрированное текущее значение исследуемого процесса.. Вычисление взаимокорреляционной функции производится по формуле i }Ig ° <»(L) 1г ЗХ„, X(t„)МL(tg),I Къ },И. Вычисление амплитуды А> периодической составляющей случайного процесса x(t) и его фазы ФХ производится по формулам! t!! Х H А,„,ц, Ч„= !!!(Х,„„(t!!)}-!!!(К, щ) 1 Ъ "- „ где К - (1) - вычисленное максимаХй льное значение взаимокорреляционной функции процессов z(«) и x(t„),Ê1,N; 932500 нормированное значение амплитуды процест. са z(t); круговая частота процесса z(t); $ шаг квантования (временной интервал между двумя соседними ординатами случайных процессов z(t<) и х(йк),K=7,N) номер ординаты процесса z(t), принимающей максимальное значение на первом периоде; номер ординаты взаимокорреляционной функции, имеющей максимальное эначе". 20 ние. ения корреляционных рен при условии,- что поступает процесс блока 2 - процесс и (Мех() ) в(КХ2 (1)) àõ Режим вычисл функций рассмот на вход блока x(t), а на вход z(t). Весь процесс вычисления корреляционной функции для Й пар ординат случайных процессов состоит иэ М циклов, а в каждом из которых производится прием, преобразование пары ординат и коррекция промежуточных результатов m вычисленных ординат корреляционной функции. Каждый из И указанных циклов состоит иэ в шагов. При вычислении автокорреляционной функции исследуемый случайный процесс подключается на входы x(t) и () соответственно блоков 1 и 2. При вычислении взаимокорреляционных Функций К! и К „каждый из двух случайных процессов подается на соответствующие входы x(t) и-z(t) блоков 1 и 2. В начале вычисления взаимокорреляционной функции Ку z в блок 7 сдвигающих регистров заносится через блок 1 и блок 6 элементов Ь m значений орданит процесса x(t) . По входу z(t) блока 2 вероятностного кодирования поступает первая ординэта процесса z(t). В первом цикле вычисления К пошагово вычисляются произведения вида х z, 1=0, m-1, которые передаются в соответствующие m ячеек блока 5 памяти. По первому шагу первого цикла из блока 7 сдвигающих регистров в блок 1 передается ордината к, 2$ 3$ 4в 4$ Я $$,которая центрируется по начальному введенному значению m<, вероятностно кодируется и передается на первый вход блока 4 умножения. По этому же шагу на вход блока 2 поступает ордината г1, которая центрируется по введенному начальному значению m вероятностно кодируется и поступает на второй вход блока 4 умножения. Полу <енное произведение переда. ется на интегратор блока 5 памяти (не показан), где суммируется с содержимым интегратора, частичной суммой, соответствующей номеру m ординаты вычисляемой корреляционной функции. В зависимости от задаваемой точности вычисления блок 9 управления определяет кратность кодирования 3", т.е. повторяемость в вычислении произве-. дения х z и накоплении его в интеграторе блока 5 памяти, По второму шагу блок 9 управления выдает синхронизирующий импульс, по которому информация в блоке 7 сдвигающих регистров сдвигается на один регистр вправо, информация из интегратора блока 5 памяти переписывается в первую ячейку памяти, а содержимое второй (следующей) ячейки памяти передается в интегратор. Таким образом, к началу реализации второго шага первого цикла ордината х передается в блок 1 вероятностного кодирования, центрируется, веро. ятностно кодируется и умножается на центрированное и вероятностно кодированное значение ординаты z< Процесс перемножения и накопления произведения х . z< на интеграторе повторяется х раз. На этом второй шаг вычислений по первому циклу 4 заканчивается и начинается следующий, третий, шаг вычислений произведения х>- i и так далее, до m-ого шага, на котором производится вычисление произведения хт,;л„ и накопление его j раз на интеграторе блока 5 памяти. По каждому из m шагов цикла происходит также накопгение в регистре блока 1 (не показан) значений ординат процесса, что позволяет вычислять функцию математического ожидания процесса x(t) и использовать его в дальнейших вычислениях К1 . Тот же процесс накопления значений ординат процесса z(t) осуществляется в блоке 2 вероятностного 32500 10 2S 36 ° ф о б5 5В 9 9 ,кодирования. Ilo окончании L циклов, кратных степени 2, блоки 1 и 2 формируют на своих выходах оценки функций математических ожиданий процессов x(t) и z(t). Второй (в общем случае, каждый следующий) цикл начинается с приема в+1 (в общем случае, 1+1) ординаты процесса x(t) блоком I и приема второй (в общем случае, i+2-m) орди наты процесса z(t) блоком 2. По ко-; мандам с блока 9 управления блок 7 сдвигающих регистров осуществляет циклический сдвиг информации так, что первая ордината процесса х() исключается, ее место замещает вторая ордината, место второй ординаты замещает третья и так далее. Место m- îé ординаты замещается принятой во втором цикле (в+1)-ой ординатой. Далее происходит вычисление корреляционных произведений и их накопление в ячейках блока 5 памяти по рассмотренной выше схеме. По окончании приема й-QN ординаты процесса z(t) (т.е. по завершении й-oro цикла ординат) в блоке 5 памяти оказываются значения накопленных сумм, которые после нормализации (сдвига) с учетом заданной кратности кодирования выступают как оценки ор" динат взаимокорреляционной функции Кх(у. Ю При вычислении амплитудно-фазовых характеристик процесса x(t) на вход z(t) устройства поступает нормализованный процесс z(t), так что А" 2, где P - целое положительtrna@ ное. число. Указанное условие облег" чает получение А1, которое, как видно из вышеприведенной формулы, сводится к сдвигу значения К1 ф (1) в сторону младших разрядов на Р, либ к съему информации с (P+1) и более старших разрядов ячеек блока 5 памяти, что и реализовано в предлагаемом устройстве. Отличие в функционировании устройства при совместном вычислении взаимокорреляционной функции и амплитудно-фазовых характеристик гармонической составляющей (например, процесса x(t) состоит в следующем, Как и при вычислении корреляционных функций, первые m значений процесса x(t) заносятся в блок 7 сдвигающих регистров, но в каждом из и циклов последовательного вычисления рдинат Кт(„ дополнительно проиавводятся следующие действия. Каждой из значений z случайного процесса z(t) сравнивается со значением, содержащимся в регистре 11. Сравнение осуществляется в блоке вероятностного кодирования по одному иэ .известных алгоритмов, например, по методу вычитания. Блок 10 анализа результатов сравнения принимает с блоком 2 код результата сравнения и, если .й „ъ л „, то блок 12 элементов И открывается, и занесенное в i-ом цикле в блок 2 вероятностного кодирования л е переписывается в регистр 11, а в счетчик 8 по инверсному входу записывается 1 8 противном случае, т.е. если; г Блок 10 анализа результата сравнения прекращает перебор г, при выявлении .+ т„„ „ (предполагается, что z(t) - монотонно меняющийся случайный процесс), в результате чего в регистре 11 оказывается число z „, а в счетчике 8 - значение номера максимальной ординаты mfz (t.)1 . Дальнейшие в(*як1„(йЦ -й Циклы вычисления осуществляются по описанной выше типовой схеме. По окончании процесса вычисле" ния вэаимокорреляционной функции производится вычисление амплитудного значения периодической составляющей, что реализуется путем перебора значений ординат взаимокорреляционной функции К р и выявле(КХФ )ââîÕ Для этого значения ординат К 11 поступают последовательно иэ блока 5 памяти в блок 2, где сравниваются с содержимым регистра 11 (предварительно, по команде с блока 9 управления регистр 11 устанавливается в нулевое состояние). В результате S циклов сравнения (Scm) в регистре 11 оказывается значение (К )як1, сДвинУтое на P РазРЯДов, отображение которого и есть значение А1 . Параллельно с нахождением (К ) блок 10 анализа результата сравйения записывает в каждом цикле сравнения "1нр по прямому входу счетчика 8, так, что к концу циклов сравнения в счетчике фор9325 11 мируется разность Fy=m(z (t))-m ((Кх/у) о ) характеризующая фазовый сдвиг процесса x(t) по сравнению с процессом г(й). Истинное значение фазового сдвига S 9y определяется умножением полученного в счетчике 8 значения на априорно известные значения CN и 6.t. Работа блока 9 управления заключается в следующем. î Для органиэации суммирования х и промежуточного итога х1 .ф вырабатывается управляющий сигнал с элемента И 26 после прихода сигнала "Начало цикла",. Сигнал "Начало цикла И это синхронный сигнал конца преобразования аналого-цифрового преобразователя (не показан). На второй вход элемента И 26 подан сигнал с выхода триггера 29. Триггер 29 подготавли- в вается после прихода в схему сигнала "Пуск" из внешнего устройства (не указано) и сбрасывается либо сигналом начальной установки с того же внешнего устройства или сигналом. "Конец режима" с выхода элемента И 27. Сигнал с выхода элемента И 26 подготавливает .(взводит в единичное состояние) триггер 22, взводит формирователь 16 и приходит в коррелометр. Для органиэации центрирования ординаты управляющий сигнал, являю3$ щийся первым по времени тактовым сигналом с генератора 17, проходит через подготовленный элемент И 18 и формирователь 16 одиночного импульса в схему коррелометра на вход блока 1 вероятностного кодирования. После прохождения элемента 19 задержки этот сигнал поступает на счетный вход счетчика 14, с выходов которого вырабатываются сигналы. 43 сдвига генератора 3 псевдослучайных чисел (фиг, 1) и организации вероятностного кодирования входных значений иа блоках 1 и 2. После исчерпания кратности стохастического сравнения сигнал с выхода последнего разряда счетчика 14 посту. пает на счет в счетчик 13 шагов. При изменении состояния счетчика 13 организуется синхронный сдвиг блока 7 сдвигающих регистров и блока 5 памяти. Далее продолжается управление, организуемое со счетчика 14 кра"ности. После переполнения счетчи00 12 ка 13 и переполнения счетчика 14 с выхода элемента И 20 организуется счет счетчика 15, сброс триггера 22 и стробирование схемы анализа для счетчика временных интервалов. После того, как сброшен триггер 22, запрещен проход тактовых сигналов из генератора 17 через элементы 16, 1S на счетчик 14. Работа этих элементов начинается после прихода сле-. дующего сигнала "Начало цикла", Выдача сигналов "Начало цикла" организуется после выработки сигнала конца временного интервала со схемы анализа. Этот сигнал организует объем информации с аналого-цифрового преобразователя (не показан). При изменении содержимого счетчика 15 циклов происходит анализ его содержимого на кратность числа циклов некоторому числу r, определяющему границу участка стационарности на выборке ординат случайного процесса. Если вновь образуемое число на счетчике 15 не кратно r, то ничего более не происходит в данном цикле.: Если же число кратно r, то на выходе схемы анализа образуется сигнал, который организует замену величины Ф1 на новое - в +" х ч Режим заканчивается после достижения содержимого счетчика 15 заданному числу й, что выявляется на схеме 24 анализа. Сигнал с выхода схемы 24 сбрасывает счетчик 15 и стробирует один вход конъюнктора (элемента) 27. После переполнения счетчика 13 в этом цикле режим заканчивается и сбрасывается триггер 29. Если z „y z z то на. установочный вход трйггера 34 поступает код "1", триггер 34 меняет свое состояние на противоположное, и с его единичного "выхода на входах счетчика 30 и элемента И 3I,Ф збуждается сигнал, который йередается через формирователь 36 на управляющий вход блока 12 элементов И; Последний открывается, и занесенное в 1-ом цикле в блок 2 г переписывается в регистр 11. Одновременно через элемент И 32 на инверсный вход счетчика 8 поступает "1". По окончании прохождения указанных сигналов на нулевой вход триггера 34 приходит с элемента 37 сигнал, который устанавливает триггер 34 в нулевое (начальное) положение, подготавливая, таким об932 Формула изобретения 1. Вероятностный коррелометр, содержащий два блока элементов И, регистр, счетчик, первый и второй блоки вероятностного кодирования, 13 разом, блок IO анализа результатов к. новому такту сравнивания. Если же z 34 в единичное положение не устанавливается, и блок 12 элементов И ока- З зывается закрытым. В то же время запись н1" по инверсному входу счет-, чика 8 осуществляется и в этом случае. По окончании процесса вычисления z ä„по сигналу переполнения счетчика 30 триггер 35 устанавливается в единичное положение, при этом элемент. И 33.открывается и блок 10 .анализа результата сравнения подго- 1з тавливается к вычислению фазового сдвига. Последнее осуществляется параллельно с нахождением KX)g „ и реализуется путем записывания 1" 2е через конъюнктор 33 по прямому входу счетчика 8, так что к концу 5 циклов сравнения в счетчике 8 формируется разность Fx +fzinclcl- !Kx ) Расвирение функциональных возмож- 2S ностей за счет выявления периодической составляющей случайного процесса и определения ее амплитудно-фазовых характеристик не снижает его техникоэкономических показателей, в частнос" щ ти быстродействия и степени сложности устройства (по сравнению с известным устройством).. Предлагаемое устройство вычисляет фазу и амплитуду периодической сос- тавляощей в реальном масвтабе време" ни, причем введение новых функциональных блоков не сужает частотных границ исследуемого случайного процесса. Это объясняется тем, что вы" числение вспомогательных .величин, а именно eP ) и m ÊX/> )осуществляется соответственно в начале и в конце основного процесса - вычисления взаимокорреляционной функ" ции. Общие затраты мавинного времени на вычисление укаэанных параметров составляют доли процентов от мащинного времени, потребного для вычисления взаймокорреляционной функции. 500 первые входы которых являются соответственно первым и вторым входами коррелометра, а вторые и третьи входы блока вероятностного кодирования соединены соответственно с соответствующими выходами генератора псевдослучайных чисел и с первым и вторым выходом блока управления, выход первого блока вероятностного кодирования 1 подключен к первым входам первого блока элементов И и блока умножения, выход которого соединен с первым входом блока памяти, второй вход которого объединен с вторым входом блока умножения и подключен к первому выходу второго блока вероятностного кодирования, четвертый вход которого соединен с выходом блока памяти, выход первого блока элементов И через блок сдвигающих регистров подключен к четвертому входу первого блока ве" роятностного кодирования, управляющие входы первого блока элементов И, блока умножения, блока сдвигающих регистров, генератора псевдослучайных чисел и блока памяти соединены .соответственно с третьим, четвертым, пятым, шестым и седьмым выходами блока управления, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью расщирения функциональных возможностей за счет определения периодической составляющей входного процесса и определения ее амплитудно-фазовых характеристик, в коррелометр введен блок анализа результатов сравнения, вход которого соединен с вторым выходом второго блока вероятностного кодирования, а выходы подключены соответственно к суммирующему и вычитающему входам счетчика и к первому входу второго блока элементов И, второй вход которого подключен к третьему выходу второго блока вероятностного кодирования, выход второго блока элементов И подключен к входу регистра, выход которого подключен к пятому входу второго блока вероятностного кодирования. 2. Коррелометр по и. 1, о т л и— ч à ю шийся тем, что блок анализа результатов сравнения содержит три элемента И,. счетчик, формирователь импульсов, два триггера и элемент задержки, первый вход первого триггера, первые входы первого и второго элементов И и вход счетчика объединены и являются входом блока анализа результатов сравяения, вы15 932500 16 ходами которого являются соответст- рым входом первого элемента И, втовенно выходы первого и второго эле- рой выход формирователя импульсов чементов И и формирователя импульсов, рез элемент задержки соединен с втовход которого подключен к выходу рым входом первого триггера. третьего элемента И, входы которого 5 подключены соответственно к первым Источники информации, выходам первого и второго триггеров, принятые во внимание при экспертизе вход второго триггера подключен к Техническое описание корреловыходу счетчика, а второй выход метра Х 6-4. г. Каунас. 1975, л. 20. второго триггера подключен к второму 1В 2. Авторское свидетельство СССР входу второго элемента И, первый вы- по заявке У 2723023/18-24, ход второго триггера соединен с вто- кл. G 06 F 15/336, 1978 (прототип). 61 Ъ 1 4 1 Составитель В. Жовинский Редактор E. Ilann Техред А. Ач Корректор С. Шекмар Заказ 37 5/ 9 Тираж 732 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий ll3035, Москва, N-35 Раушская наб., д. 4/5 илиал ППП Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 
