955087 - Адаптивный вероятностный спектрокоррелятор

Адаптивный вероятностный спектрокоррелятор

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Союз Советскик

Социалистическиа

Республик

О П И С А Н И Е ()955087

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (б! } Дополнительное к авт. свид-вувЂ” (22)Заявлено 12.11 ° 79 (21) 2869204/18-24 с присоединением заявки.% (23) Приоритет Опубликовано30.08.82. Бюллетень ¹32

Дата опубликования описания 30 (51)M. Кл.

G 06 F 15/336

3Ьеударсткнный кемнтет

СССР по делам изобретений н открытий (53) УДК681 ° 323 (088. 8) 1

В. Г. Корчагин, Л. Я. Кравцов, Д. Е. Лфкийчук, Ю. Б. Садомов и Л. М, Хохлов

1 °

Государственное союзное конструкторск -технологическое ,бюро по проектированию счетных машин и Опытный=завод-- вЂ” вЂ” (72) Авторы изобретения (7<) Заявители (54) АДАПТИВНЫЙ ВЕРОЯТНОСТНЫЙ СПЕКТРОКОРРЕЛЯТОР

Изобретение относится к вычислительной технике и предназначено для статистической обработки информации в реальном времени, используемой для решения большого класса научно-тех.5 нических задач, Известен вероятностный спектрокоррелятор, используемый для вычис,ления статистических характеристик(1) .

Основным недостатком этого устрой- 1, ства являются значительные затраты времени, возникающие вследствие последовательности процесса вычисления статистических характеристик: вначале корреляционной функции, а затем спектральной плотности мощности на основе Фурье вЂ” преобразования кор реляционной функции, при вычислении которой необходимо многократно вероятностно кодировать как значения 2о корреляционной функции, так и значения косинуса, При этом для достижения удовлетворительной точности вычисления спектральной плотности мощности требуется кратность кодирования., в сотни раз превышающая кратность кодирования при вычислении корреляционной функции.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является известный вероятностный спектрокоррелометр, реализующий вычисление текущего спектра мощности в реальном масштабе времени.

Этот вероятностный спектрокоррелометр содержит блок центрирования, первый вход которого является входом спектрокоррелометра, а выход подключен к первому входу первого блока элементов И, выход которого соединен с первым входом блока вероятностного округления, выход которого соединен с входом динамического регистра, охваченного обратной связью, вы" ход которого подключен к первому входу регистра числа, первый вы" ход которого соединен с первым входом первого блока сравнения, вАод го -анализа быстротекущих процессов, например в биологии клетки, где получить большие значения N не удается вследствие малого времени существования самого процесса. В подобных ситуациях для получения удовлетворительных значений вычислительной погрешности определения статистических характеристик приходится увеличивать величину до требуемых значений, что нежелательно, так как увевЂ” личение 3 в К раз соответствует

К-кратному уменьшению быстродействия вероятностного спектрокоррелятора.

Для повышения точности вычисления статистических характеристик можно использовать метод многосимвольного (трех- и более символьного) вероятностного кодирования исходной информации. При этом точность вычислений по сравнению с двухсимвольным вероят ностным кодированием, реализованным в прототипе увеличивается не менее т чем в Ке-М/К рав, где К вЂ” кспиеество выбираемых символов при кодировании (К= 3,4,5...). Вместе с тем ре,ализация К-символьного кодирования входной информации сопряжена со значительными затратами оборудования по сравнению с двухсимвольным кодированием, так как разрядность выходной памяти r в этом случае определяется величиной /=log N+K-1, в то время

2 как при двухсимвольном кодировании разрядность определяется величиной

Q=1og N, Поэтому перспективным направлением в развитии вероятностных измерительных устройств является реализация адаптивной процедуры вычисления статистических характеристик, при которой для выборки объемом N из диапазона,N М Мщц„, f (() ( где N - максимальный объем выборки, на которую рассчитано проектируемое устройство, реализуется двухсимвольное кодирование, для выборки объемом и, N М, -N реализуется трехсмивольное кодирование (К=Я и . так далее до выполнения равенства

° Y= hf2, где n - разрядность входной информации устройства, (Для наиболее распространенного случая, когда n=8, максимальное значение К=4). При этом величины Й ", 1=1,2,3..., соответствующие выбранному К вЂ” символьному кодированию, выбираются таким образом, чтобы разрядность выходной памяти устройства лютветствовала разрядности. необходимой при реализа! 955087

4 которого подключен к: первому входу блока вероятностного умножения, второй вход которого подключен к выходу второго блока сравнения, а выход соединен с информационным входом блока памяти, первый выход которого подключен к второму входу блока центрирования, второй - через блок on"" ределения коэффициента масштаба соединен с вторым входом первого блока to элементов И, второй вход блока веро". . ятностного округления, второй вход, первого и первый вход второго блоков сравнения соединены соответственно с первым, вторым и третьим выходами 3$ генератдра случайных чисел, второй вход второго блока сравнения подключен к выходу блока вероятностного округления, управляющие входы первого блока элементов И динамического регистра, блока памяти и регистра числа соединены соответственно с первыми четырьмя выходами блока управления, первый и второй входы второго блока элементов И подключены к выходу генератора гармонических функций и к второму выходу регистра числа, а управляющий вход блока элементов И соединен с пятым выходом блока управления, выход второго блока элементов И подключен к третьему ввходу второго блока сравнения, третий выход блока памяти соединен с вторым входом регистра числа (2J .Недостатком известного вероятност- ного спектрокоррелометра, как впрочем и всех вероятностных устройств аналогичного назначения, реализующих двухсимвольный вероятностный метод преобразования информации, 40 является наличие квадратической зависимости между временем и точностью вычислений, Погрешность вычислений в этом случае изменяется по закону 1/"5, где N вЂ” длина выборки анализируемого СП, 36 - кратность ! вероятностного преобразования .инфор. мации, непосредственно определяющая время вычислений,.

Это не является сколько-нибудь ограничивающим фактором при достаточ- 5О но длинных выборках случайных процес. сов (например, при И ) 10000), так как в этом случае вычислительная пог решность значительно меньше статистической погрешности вычисляемой оценки статистической характеристики, Однако в ряде случаев возникает необходимость в проведении оперативно9550 ции,двухсимвольного кодирования, при максимальном объеме выборки Мш „ т.е. выполняется равенство 1о9 М

И) 2 ФОМ

=log М +К-l. Таким образом без до2 полнительных затрат оборудования до- 5 стигается повышение точности вычисления статистических характеристик при выборках Nt й@ „при сохранении быстродействия.

Цель изобретения вЂ” повышение точности при работе с малыми выборками.

Поставленная цель достигается тем, что в вероятностный спектрокоррелятор, содержащий блок центрирования, вход которого является первым входом спектрокоррелятора, второй вход соединен с .первым выходом блока памяти, а выход подключен к первому входу первого блока элементов И, выход которого соединен с первым вхо- 20 дом блока вероятностного округления, выход которого соединен первым входом первого блока сравнения и с входом кольцевого динамического регистра, охваченного обратной связью, вы- 25 ход которого подключен к первому вхо ду регистра числа, первый выход которого соединен с первым входом второго блока сравнения, выход которого подключен к первому входу блока зр вероятностного умножения, второй

:вход которого подключен к выходу первого блока сравнения, выход блока вероятностного умножения соединен с. информационным входом блока памяти, второй выход блока памяти через блок масштабирования соединен с вторым входом первого блока элементов И, вто рой swoop блока вероятностного округления соединен с первым выходом генератора случайных чисел, управляющие входы первого блока элементов

И, динамического регистра, регистра числа соединены соответственно с первыми тремя выходами блока управления, управляющие входы блока памяти и первый вход второго блока элементов И соединены с четвертым выходом блока управления, второй вход второго блока элементов И соединен с вторым выходом регистра числа, третий вход второго блока элементов И . соединен с выходом генератора гармонических функций, выход второго блока элементов И соединен с первым входом первого блока сравнения; введеSS ны два блока анализа вида кодирования, первый вход первого блока ана-, лиза соединен со вторым выходом re87 d нератора случайных чисел, второй вход первого блока анализа соединен с первым выходом регистра числа, третий вход первого и первый вход второго блока анализа соединены с вторым входом спектрокоррелятора, первый выход первого блока анализа соединен с вторым входом второго блока сравнения, второй выход первого блока анализа вида кодирования соединен с третьим входом блока вероятностного умножения, второй вход второго блока анализа вида кодирования соединен с третьим выходом генератора. случайных чисел, третий вход второго блока анализа соединен с выходом второго блока элементов И, первый выход второго блока анализа соединен с третьим входом первого блока сравнения, второй выход второго блока анализа соединен с четвертым входом блока вероятностного умножения.

Блок анализа вида кодирования содержит преобразователь двоичнаo кб= да в унитарный код, три группы элементов И по четыре элемента И в каждой и две группы элементов ИЛИ, в первой из которых три, а во второй четыре элемента ИЛИ, первые входы элементов И второй группы являются первым входом блока анализа, первые входы элементов И первой группы объединены попарно с первыми входами соответствующих элементов И третьей группы и являются вторым входом блока анализа, третьим входом которого является вход преобразователя двоичного кода в унитарный код, первы0 и

I вторые входы элементов ИЛИ первой

Ф группы соответственно объединены и соединены соответственно с первым и вторым выходами преобразователя двоичного кода в унитарный код, третьи входы второго и третьего элементов

ИЛИ первой группы объединены и подключены к третьему выходу ° преобразователя двоичного кода в унитарный код, четвертый выход которого подключен к четвертому входу третьего элемента ИЛИ первой группы, инверсные вторые входы соответствующих элементов И первой и третьей групп объединены с вторыми входами соответствующих элементов И второй. группы и подключены соответственно к первому . входу преобразователя двоичного кода в унитарный код, к выходам первого, второго и третьего элементов ИЛИ

7 95 первой группы, выходы элементов И третьей и второй группы подключены соответственно к первому и второму входам соответствующих элементов ИЛИ второй группы, выходы которых являются первым выходом блока анализа, вторым выходом которого являются выходы соответствующих элементов И первой группы.

На фиг. 1 представлена блок-схема адаптивного вероятностного спектрокоррелятора; на фиг. 2 -- функциональ ная принципиальная схема анализатора кода.

Адаптивный вероятностный спектрокоррелятор содержит блок 1 центрирования, блок 2 элементов И, блок 3 вероятностного округления, динамический (сдвигающий) регистр 4, регистр

5 числа, блок 6 управления, блоки

7 и 8 сравнения, блок 9 вероятностного умножения, блок 10 памяти, блок

11 масштабирования, генератор 12 случайных чисел, генератор 13 гармонических функций, блок 14 элементов И, первый блок 15 анализа вида кодирования, второй блок 16 анализа вида кодирования.

Работу адаптивного вероятностного спектрокоррелятора рассмотрим на примере вычисления ординат а токорреляционной функции, Перед началом работы по команде

"Начальная установка" происходит установка всех блоков устройства в исходное состояние и заносится код числа ординат. По этому ходу М чис

l ла ординат определяется в устройстве вид кодирования для достижения заданной точности Я .

При йщд /4(N М„; „в спектрокорреляторе при вычислейии корреляцион ной функции и периодограмм текущего спектра реализуется двухсимвольный вероятностный метод кодирования информации.

Цикл вычисления промежуточных итогов при приеме ординаты будет заключаться в следующем: ордината случай.ного процесса х, со входа устрой" ства 1 в виде дискретного m-разрядного кода поступает через блок 1 центрирования и первый блок 2 элементов И на вход блока 4 динамических сдвигающих регистров и через второй блок 14 элементов И на вход Ълока 8 сравнения с выхода блока 4 дина мических сдвигающих регистров центрированные ординатн случайного про5087 8

3 есса в следующем порядке х„ о х„,„...х„ „, х„, где x„центри.рованная величина i-ой ординаты случайного процесса; q - число вычисляемых ординат корреляционной и спектральной функций, и одновременно число запоминаемых ординат в блоке 4 динамических регистров по управляющим сигналам из блока 6 управления пос1О тупают последовательно на регистр 5 числа. После записи каждой центрированной ординаты организуется сравнение содержимого регистра 5 на блоке 7 срав1$ нения и содержимого блока 1 центрирования на блоке 8 сравнения с содержимым или частью содержимого генератора 12.

Результаты сравнения с блоков 7 и щ,8 сравнения, а также старшие разряды с регистра 5 через блок 15 анализа и с блока 14 элементов И через блок

16 анализа поступают на блок 9 умножения. В зависимости от того, в каур ком коде работает адаптивный спектрокоррелятор и в зависимости от результатов кодирования, содержимое соответствующей ячейки блока памяти, являющейся промежуточным значением величины ординаты корреляционной функции, Й(х„) ;Ех„ х; ...Zx,„. „ .Адрес блока 10 памяти меняется синхронно со сдвигом блока 4 динамического регистра по управляющим сигналам из бло35 ,ка 6 управления. Изменение адреса блока 10 памяти и сдвиг в блоке 4 динамических сдвигающих регистров производится q раз, Процесс вычисления корреляционной функции закончится после исчер" пания требуемого числа ординат.

В случае, если заданное число ординат процесса и „/Ясй И,„/4, то производится трехсимвольное кодирование.

Работа в этом .случае отличается лишь тем, что блок 9 вероятностного умножения настроен посредством блоков 15 и 16 анализа кодом числа ор. динат как блок трехсимвольного умножения f ñì. табл.2). При Н/32И M/f6 производится четырехсимвольное кодирование (см.табл.3/. Работа блоков

15 и 16 (они одинаковы) анализа вида кодирования будет понята при рассмотрении принципиальнойй схемы 1фиг.2/, Основные функциональные узлы блока анализа вида кодирования имеют следующие обозначения: преобразователь

10 символьного (п(2 -кратного) аида ко" дирования.

В табл. 4 представлены подмножества для двух-, трех- и четырехсимвольного вида кодирования.

Таблица!

Таблица мгновенных значений вероятности при перемножении двух чисел

Х и У, представленных двухсимвольными кодами.

Р(1 ) Р (ХЧ) Таблица 2

Таблица мгновенных значений веро- ятности при перемножении двух чисел

Х и У, представленных трехсимвольммми кодами

Н стР P(X) стР Р(Ч) P(XY) и/и Х Y

1 О О О

2 О . О О

0 О

1 О

О О

1 О

3 О О 1

4 О О 1

О О

1 О,В

О 1 О

0 1 О

О 0,25

1 0,5

О О

7, .О

8 0

1 1

О О

1 025

0 О

О 0,25

1 0,5

О О

1 0,5

О Ое5

1 1,О

О 1

) О

1 О

1 1

9 95508

17 двоичного кода в позиционный унитарный код (элемент К155 ИД 4-17), элементы ИЛИ 18-20 первой группы, элементы И 21-32, элементы ИЛИ 33-36 второй группы 33-36.

Работа блока будет ясна при рассмотрении одного из случаев кодирования. Пусть в устройстве используется трехсимвольный код. Тогда расшифрованный вид кодирования на пре- 10 обраэователе 17 возбудит соответствующий выход. Будет подан высокий по- < . Р(Х) тенциал через элементы 18-20 на вторые входы элементов 29-32, и вы- 1 О сокий потенциал на инверсные вторые 15 входы элементов 22,23,24,26,27,28, 2 О который закроет их. При поступлении четырех старших разрядов числа в 3 1 блок 9 (для блока 15 анализа вида кодирования это информация из реги- 2о 4 стра 5, для блока 16 анализа вида кодирования это информация из блока

14) поступит один старший разряд с элемента 21, в блок 7(8) сравнения поступят разряды 2-4, идущие из бло- 2s

isa 12 через элементы 26,34,27,35,28, 36, и первый разряд числа через .элементы 29,33.

При разных видах кодирования на блок 9 умножения подается разное количество старших разрядов перемножаемых чисел. При двухсиывольномвЂ” не подается ни один разряд (N =N ).

@ОХ

При трехсимвольном вЂ” подаются по одному старшему разряду чисел из регистра 5 и блока 14. При четырехсимвольном кодировании вЂ” по два старших разряда чисел. .5

Соответственно с подачей старшего разряда перемножаемых чисел на вторые входы блоков сравнений подается и-К разрядов содержимого генератора 12, где К вЂ” число некодируемых разрядов перемножаемых чисел, а n вЂ” разрядность чисел в генерато9 ре 12 и разрядность обрабатываемых чисел. 10 1

Старшие разряды чисел из генератора заменяются старшими, некоди.- )1 1 руемыми разрядами перемножаемых чи50 сел для того, чтобы обеспечить неизменность работы блоков 7 и 8 сравнения при разных видах кодирования, 13

Следует отметить, что наиболее простая техническая реализация бло- 14 1 ка 9 вероятностного умножения - это матрица постоянного запоминающего 15 1 1 устройства, где разные виды кодирования являются подмножествами много16

955087

Nt 1-й (стар) 2-й раэ- Р(Х) 1"й(стар) 2-й раэ- P (V) пп разряд Х ряд Х разряд ряд

P(X, Y) 0 0

0 0

О О

0 О

О 1

2 0

4 О

5 О

6 О

8 О, 9 О

10 0

11 О

1.2 О

13 О

14 О

15 О

16 О

17 О

18 О

19 О

20 О

21 0

22 О

23 О

24 О

25 О

О 1

1 О

О, 0625

0,6225

О, I 25

0,125

0,1875

1 1

0,1875

1 1

0,25

0,0625

0,125

0,1875

О, 1875

0,25

11 12

Таблица 3

Таблица мгновенных значений вероятности при перемножении двух чисел

X и У, представленных многосимвольным (четырехсимвольным) кодами

13. 955087

l -й (стар) разряд Х

Р(Х,Y) 0,125

0,125

0,25

0,375

0,5

О О

0,125

О, 125

0 О

О О

0,25

О,?5

О, 375

О .1

0 1

1 О

0,375

О ° 5

0,1875

0,375

44 1

О 375

45 1

0,5625

46 1

47 1

48 1

49 1

50 1

51 . 1

52 1

0,75

0,1875

0,375

О О

26 О

27 О

28 О

30 О

31 0

32 О . 33

34 1

37 1

38 1

39 1

40 1

4l 1

42 1

2-й раз- Р(Х) ряд Х

Продолжение табл.3.

1-й (стар) 2-й раз- Р (1) разряд Ряд

1 - 0,1875

955087

Продолжение табл ° 3 (v) Р(х,v) 1-й (стаР) 2-й Раз- P (X) 1-й (стар) 2-й р„разряд Х ряд Х разряд ряд

Ol пп

0 1

1 0

0,375

0,5625

0,5625.55

0,75

0,25

1 0

1 1

0,5

1 1

0,75

1 1

„) 1,0

e e в ое

Строка таблицы

Т а б л и ц а 4

Таблица соответствия значений вероятности и и аэных ви ах ко и ования

955087

Продолжение табл. 4

Строка таблицы

С уменьшением выборки и соответственно увеличивается величина 1<, определяющая количество символов в

К-символьном кодировании входной ин20 формации. Этот процесс проистекает по закону; К - символьное кодирова"щак ние информации используется при "(aN вЂ” „„и заканчивается при К= /2, и max 2"

Где и вЂ” раз рядност ь входных чисел, N à„ /2

Вычисление ординат текущего спектра производится аналогично описанному в практике с учетом способов кбдирования, описанных выше при рас30 смотрении размена корреляции.

Отсюда следует, что применение предлагаемого спектрокоррелятора позволит увеличить точность при малых выборках вследствие многосимвольного (до Ь/2 символьного ) кодирования при N N д„. Использование адаптивности вида кодирования от величины выборки и позволит не увеличивать обьем блока памяти на бит инфор 1. к мации или на величину оборудования /(x 0

«К/2ш, где K - количество слоев в применяемых элементах памяти, m - разрядность применяемых элементов памяти.

Формула изобретения

1. Адаптивный вероятностный спектрокоррелятор, содержащий блок цент- 50 рирования, первый вход которого является первым входом спектрокоррелятора, а второй вход соединен с первым выходом блока памяти, а выход подключен к первому входу первого 55 блока элементов И, выход которого соединен с первым входом блока вероятностного округления, выход кото1 рого соединен с первым входом первого блока сравнения и с входом кольцевого динамического регистра, выход которого подключен к первому входу регистра числа, первый выход которого соединен с первым входом второго блока сравнения, выход которого подключен к первому входу блока вероятностного умножения, второй вход которого подключен к выходу пер. вого блока сравнения, выход блока вероятностного умножения соединен с информационным входом блока памяти, а второй выход блока памяти через блок масштабирования соединен с вторым входом первого блока элементов

И, второй вход блока--вероятностного округления соединен с первым выходом генератора случайных чисел, управляю" щие входы первого блока элементов И, динамического регистра,. регистра числа соединены соответственно с flep» выми тремя выходами блока управления, управляющие входы блока памяти и.первМЙ вход второго блока элементов И соединены с четвертым выходом блока управления, второй вход второго блока элементов И соединен с вторым выходом регистра числа, третий вход второго блока элементов И соединен с выходом генератора гармонических функций, выход второго блока элементов И соединен с первым входом пер.,вого блока сравнения, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью повы шения точности при работе с малыми выборками, в адаптивный вероятностный спектрокоррелятор введены два блока анализа вида кодирования, первый вход первого блока анализа соединен с вторым выходом генератора случайных чисел, второй вход первого блока анализа соединен с пер

19 955087 вым выходом регистра числа, третий вход первого и первый вход второго блока анализа соединены с вторым вхо" дом спектрокоррелятора, первый выход первого блока анализа соединен з с вторым входом второго блока срав" нения, второй выход первого блока анализа соединен с третьим входом блока вероятностного умножения, второй вход второго блока анализа соеди-,>4 нен с третьим выходом генератора слу- чайных чисел, третий вход второго блока анализа соединен с выходом второго блока элементов И, первый выход второго блояа анализа соединен с тре- JS тьим входом первого блока сравнения, второй выход второго блока анализа соединен с четвертым входом блока вероятностного умножения.

2. Устройство по и 1, о т л и - 20. ч а ю щ е е с я тем, что блок анализа, вида кодирования содержит пре:.образователь двоичного кода в унитарный код, три группы элементов И по четыре элемента в каждой группе и И две группы элементов ИЛИ, в первой из которых три, а во второй четыре элемента ИЛИ, первые входы элементов

И второй группы являются первым . входом блока анализа, первые Входы электр ментов И первой группы объедиуены попарно с первйми. входами соответствующих элементов И третвей группы и является вторым входом блока анализа, третьим входом которого является вход преобразователя двоичного кода

20. в унитарный код, первые и вторые входы элементов ИЛИ первой группы соответственно объединены и соединены соответственно с первым и вторым выходами преобразователя двоичного кода в унитарный код, третьи входы второго и третьего элементов ИЛИ первой группы объединены и подключены к третьему выходу преобразователя двоичного кода в унитарный код, четвертыи выход которого подключен к четвертому входу третьего элемента ИЛИ первой группы, инверсные вторые вхо" ды соответствующих элементов И первой и третьей групп объединены с вторыми входами соответствующих элементов И второй группы и подключены соответственно к первому входу преобразователя двоичного кода в унитарный код, к выходам первого, второго и третьеro элементов ИЛИ первой группы, выходы элементов И, третьей и второй групп подключены соответственно к первому и второму входам со" ответствующих элементов ИЛИ второй группы, выходы которых являются первым выходом блока анализа, вторым выХОДОМ КОТОРОГО ЯВЛЯЮТСЯ ВЫХОДЫ СООТветствующих элементов И первой группы.

ИстОчники информдЦиир принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

И 432509, кл. G 06 F 15/34, 1974.

2. Авторское свидетельство СССР и 636618, кл. 6 06 F 15/34, 1977.

955087

Составитель В. Жовинскии

Редактор С. Тараненко Техред N,Tåïåð Корректор А. Гриценко

Заказ 6439/55 Тираж 731 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

1l3035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

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

Адаптивный вероятностный спектрокоррелятор

Патент 955087