Устройство для классификации шумов с произвольной спектральной плотностью

Ыттт ОПИ НИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ 0) 59575 тт Союз Советских Социалистических Рвсгоблик(51) М. Кл. С 06 К 9,заявки М Государственный к 3) Приорит итет вета Министров СС) Опубликова 2.78. Бюллстснь8ия описания 22.03.78 елам изобретений и открытий 5) Дата опублпкова Авторыизобретения Емельянов,авриков и Э. Н, Замано 71) Заявитель овгородский политехнический инсгиту(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ КЛАССИФИКАЦИИ ЫУМОВ С ПРОИЗВОЛЬНОЙ СПЕКТРАЛЬНОЙ ПЛОТНОСТЪЮ 2 Изобретение оустройствам дляции данных.Известны различныества для распознаваниярукописных цифр 1, 2),дискриминаторы, блокиции. тносится к выч распознавания и лительным тассификаройков, 5 ные распознающизображен содержащи управления ие уст й, зна лине и инд а,итхр,ллл , жс о т 2 Т,т о - 11 гп оценки зтпх составляюпх ляют.я ко гнататпи век ора л/Известные устроиства относительно сложны.Наиболее близким техническим решением к 10 данному изобретению является устройство для классификации шумов с произвольной спектральной плотностью, содержащее линейные дискриминаторы, первые выходы которых соединены с соответствующими входами блока 15 управления и индикации 13.Недостатком прототипа является недостаточно высокая точность.Целью изобретения является повышение точности работы устройства, 20Поставленная цель достигается тем, что устройство содержит блок выделения признаков, вход которого является входом устройства, а выходы соединены со входами соответствующих линейных дискриминаторов, н блок пере стройки структуры, два входа которого соединены с выходами блока управления и индикации, а группа входов и выходов подключены к соответствующим выходам и входам линейных дискриминаторов. 30 Такое устропство точнее прототипа.На чертеже представлена функциональная схема устройства. Устройство классификации шумов содержит блок выделения признаков 1, вход которого подключается к входу устройства, а выходы параллельно подключаотся к соответствующим входам линейных дискриминаторов 2, образующих однослойную сеть. Выходы дискриминаторов 2 подключаются ко входам блока управления и индикации 3, выхо,ы которого подключаются к выходному разъему. К блокам 2 и 3 подключастся блок перестройки структуры 4.Структура олока выделения признаков 1 реалгзует с заданной точностью математическую опсрацшо получения составляющих спектральной плотности мощности сигнала л (Г) в частотных интервалах Л)3Б,ок выделения признаков 1 содержит: комрсссор 5 для сжатия входного динампчекого диапазона шумового сигнала х(с) и 22 канала получения оценок дс (с= 1, 2, , Лс; ,Ч= - 22) в / октави.1 х частотных интервалах Л 151, Лс 2 Лс 22 в полосе частот 40 - :2500 гц. Каждый канал имеет узкополосчсый высскодобротпый ЯС-фильтр 6, квадратичный детектор 7 и интегратор 8,Блок перестройки структуры 4 по сигналам управления пз блока 3 организует работу 12 липсйпых дискриминаторов 2 в одном из режимов линейной или кусочно-линейной классификации.Прп линейной классификации па два класса (Л и Р 2) реализована дискримипантцая функция вида: 0(6) = У с 2 сссс:с где Рс - весовые коэффициенты,6 - расширенный (Лс+1) -ой координатой вектор 6, т. е. -ь / / О Компонента д,с+ вырабатывается в вычисли тельном блоке 9 по выражению:д,: - Р Дс. Решающее правило имеет вид:) 1.с (6) - .=+ ох, = 1, если 6 Я Я, 0(6) . - о, х, =О 66 с 9- " - 1.с (6) (+- зона неопределенности, где Со( - порог срабатывания порогового элемента 1 О.Гри линейной классификации Eа несколько классов использованы дискриминантыс функции для отделения смежных классов следующего вида: 0(6) =121 сЯсс=1 где Юв, - весовые коэффициенты с- о прп знака, 5-ой пары смежных классов;Р 5 = 1, 2., ф Я =, о, ,(2 .=- К (Я - 1)/2л=со, , =1, если п - , то =О, и=т,Решающее правило представляется совокуп ностью булевых функций: (Р. = /(хх, х,)с,./ где 1=1, 2, , Р - номер класса. 3 ачс 1 п 51 А: пол 1 аотся о Г 1 рсВи,у двухи, ассового, ицсйного клс 1 гг 1:фкаторз.1 рп кусочно линейноп к.сассификапи пспользуется вспомогательная дискриминантнаяс 1 пкция в ак - м 1Ок (6/) . ч, ьссй о.С:=1где Й 5 с,с - весовые коэффициенты с-го клас(к)са и К-го подкласса.Реша 1 ощее правило состоит и отысканиимаксимальнойОс (6) = гпах,О, (6) 5с =.11К=11,Ягде 1 = 1, 2,1.,;Я - число классов;201., - число подклассов внутри класса с.Оно рсализуется блоком выбора максимума11, работающего по принципу сравнения напряжения 1/с с выходов сумматоров 12 линейных дискриминаторов 2. Прп этом сумматорыс меньшими выходными напряжениями выводятся в режим пасыпения. Таким образом, решающее правило преобразуется к виду:Ос, (6 ) (1, хс, -= Х 1 К, 1,если 6 Я классу си подклассу КРс с с,= + Е У хс с= О, если66 классу с - ,- с, и подклассу К Кдс Со -- помер дискриминатора, напряжениеEа выходе которого оказалось максимальным;4 о К; - уровень срабатывания пороговогоэлсмспта 10 в режие кусови 1-лспейнойклассификации.Решение о принадлежности вектора 6 кклассу со и подклассу Кп принимается по равенству (1) булевых функцииР 1,-(ХО с, Х 10 2.Хо 11 ф)Кфункция номера класса и5 О Фк, -- г (х, к х, к хл, к,)- функция номера подкласса.Таким образом линейный дискриминатор 2содержит сумматор 12 на 23 входа с весовыми 55 потенциометрами (для умножения на и 2 сс) ипороговый элемент 10 для получения значения логической переменной хь Блок перестройки структуры 4 содержит блок выборамаксимума 11 и блок пороговых потенциа лов 13.Блок управления и индикации 3 содержитпульт управления 14, вырабатывающий потенциалы управления режимамп работы устройства; логический решающий блок 15, выраба тывающпй результат классификации в виде со 5957515вокупностей сигналов (ЕД и (Ф); блок индикации 16, который обеспечивает как мпогоклассовую цифровую индикацию результата классификаций (Унл -- 1, 2 5; Жпкл = 1, 2,6), так и обобщенную двухклассовую индикацию путем разбиения совокупности (РД на две (Р;), и (РД; блок выставления коэффициентов 17, представляющий собой трехдекадный делитель эталонного напряжения с цепями сравнения.Набор перечисленных блоков в соответствии с приведенными алгоритмами реализует 9 режимов работы устройства классификации;. рсжим линейной классификации нд 2 класса;2, то же на 3 класса (Я=З);3, то же на 4 класса Я=6);4, то же на 5 классов (Я=10);5. режим кусочно-линейной классификации на 2 класса (0=2) и 6 подклассов (1=У 2= =6);6. то же на 3 класса (Р=З) и 4 подкласса (1 =Е,=Е,=4);7. то же на 4 класса (Я=4) и 3 подкласса (1=а=з=4=3)18. режим выставления весовых коэффициентов и установки нуля суммирующих усилителей линейных дискриминаторов;9. режим измерения спектральных компонентов с целью последующего преобразования их на АЦП и ввода ЦВМ,Устройство может быть использовано в функциях классификации любых объектов, описываемых набором медленно меняющихся напряжений с амплитудой 0 - :1 вольт, поступающих по входным шинам, общим количеством не более 22. При этом не используется блок 1.- )Весовые векторы Кя для всех режимов классификации получаются в процессе обучения на универсальной ЦВМ по известным алгоритмам на основании статистики, характеризующей об ьскты, подлежащие классификации.Устройство работает следующим образом.Исследуемый шумовой сигнал поступает на вход блока выделения признаков 1, Динамический диапазон входного сигнала предварительно сжимается до 3 дб с помощью компрессора 5. Затем шумовой сигнал разветвляется на 22 канала, где после обработки (путем фильтрации, квадратичного детектирования и интегрирования в каждом из каналов) формируется многомерный вектор, состоящий из 22-х непрерывных компонент. Напряжение положительной полярности с выхода каждого канала является медленно-изменяющимся случайным процессом. После формирования пороговой 23-й компоненты (суммирование напряжений всех 22-х компонент) в блоке 9 расширенный непрерывный вектор спектральной плотности мощности входного сигнала по 23-м каналам поступает па входы линейных дискриминаторов 2.При организации различных режимов клас 5 1 О 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 с 1 1 ик;.;ип шсло линейных дискримпндторог мо.с. выбира;-ься от 1 до 12. Сеть липейпы., дискриминаторов представлена в:выбором сменных плат, аналогичных по структуре. Необходимые линейные дискриминаторы 2 настраиваются в соответствии с полученными при обучении весовыми коэффициентами, которые выставляются с помощью точных потснциометров нд каждом входе сумматора 12. Напряжение (1 с выходов сумматоров линейных дискриминаторов поступает а пороговые элементы 10. В зависимости от того, линейныс илн кусочно-линейные режимы классификации используются, блок пороговых потенциалов 13 вырабатывает двд эталонных напряжения сравнения, соответственно 0 и +5 вольт. Выходные напряжения У, с выходов пороговых элементов линейных дискриминаторов 2 с амплитудой - 8 вольт (сигнал логической 1) и +10 вольт (сигнал логического О) поступает в блок индикации и управления 3, После преобразования в систему электрических напряжений логических микросхем (+5 вольт - сигнал логической 1 и 0 вольт - сигнал логического 0) напряжения, соответствующие логическим переменным (хь х х,Д подвергдются логическому анализу в логическом блоке 15 с целью выработки потенциалов номеров клдссд и подкласса, к которым относятся шумовой сигнал, действующий на входе устройства в данный момент времени. В процессе работы классификатора происходит непрерывное определение номеров класса и подкласса. Отображение результатов классификации в блоке индикации 16 производится также непрерывно, в соответствии с потенциалами номеров класса и подклассов, выработанных в логическом блоке 15. В пульте управления 14 с помощью набора клавишных переключателей вырабатываются управляющие потенциалы для организации одного нз режимов работы классификатора.При выработке одного из потснцидов кусочно-линейного режима классификацип блоком 11 организуется блок выбора максимального напряжения с выходов сумматоров линейных дискриминаторов. В этом случдс все выходы сумматоров подключаются через диоды к общей точке, к которой также подключаются все сопротивления обратной связи операционных усилителей сумматоров (нд чертеже не показаны). Таким образом осуществляется автоматическая коммутация цепей ООС усилителей, посредством чего все усилители кроме одного, имеющего максимальное алгебраическое значение выходного напряжения, выводятся в реяпме положительного насыщения (т. е. Ут - .+1 О В). Одновременно пороговые элементы 10 вырабатывают соответствующие логические потенциалы путем сравнения выходных напряжений сумматоров с пороговым потенциалом У,=+5 вольт.Все элементы индикации вынесены на пульт управления,иселев рректоры: Е. Мохова и Л. Денискина ак Заказ 114/16Н 110 Г Изд. ЛЪ 286 осударственного комитет по делам изобретен 113035, Москва, Ж, РТираж 841Совета Министоой и открытийЕнскаи наб, д. 425 ПодписиСССР пография, пр. Сапунова, 2 Потенциалы всех режимов работы, а также потенциалы параллельного двоичного кода номеров классов и подклассов выведены на выходной разъем и могут быть использованы устройством автоматической регистрации результатов классификации без присутствия оператора.Конструктивно устройство выполнено в виде 4 автономных блоков: два блока выделения признаков 1 (по 11 измерительных каналов в каждом), блок 2, соединяющий набор линейных дискриминаторов 2 и блоки 11, 13 и блок управления и индикации 3, содержащий блоки 14, 15, 16 и 17. В качестве цифровых индикаторов использованы светодиодные индикаторы в микросхемном исполнении. Габариты устройства ЗЗОХ 270 Х 420, вес не более 8 кг, потребляемая мощность не более 20 ва.Устройство позволяет успешно решать задачи классификации шумов, различных по природе происхождения, Испытания, проведенные с одним известным классом шумовых сигналов, показали, что вероятность правильной классификации может достигать значений 0,8 - 0,9.Устройство позволяет решать задачи классификации, возникающие в технической и медицинской диагностике, гидроакустике, в распознавании букв и знаков. Формула изобретения 5 Устройство для классификации шумов с произвольной спектральной плотностью, содержащее линейные дискриенинаторы, первые выходы которых соединены с соответствующими входами блока управления и индикации, от личающееся тем, что, с целью повышенияточности работы устройства, оно содержит блок выделения признаков, вход которого является входом устройства, а выходы соединены со входами соответствующих линейных Гб дискриминаторов, и блок перестройки структуры, два входа которого соединены с выходами блока управления и индикации, а группа входов и выходов подключена к соответствующим выходам и входам линейных дискриминаторов,ИстоЕники еЕеформ 1 цни,принятые во внимание при экспертизе1, Авторское свидетельство СССР389671, кл. Сд 06 К 9/00, 1973.2. Авторское свидетельство СССР 431524 кл. Се 06 К 9/00, 1974,3. Авторское свидетельство СССР 371596 кл. Се 06 К 9,00, 1973,