Устройство для классификации сигналов

(19) (11) я)5 606 К ОБРЕТЕН И ИЕ СВИД ЛЬСТВУ ТОРСК дствен- ашиноштейн й. Вассе льство ССС9/37, 1987льство ССС900, 1987,гИ)Г 4 ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(71) Воронежское науное объединение упастроения(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ КЛАССИФИКАЦИИ СИГНАЛОВ(57) Изобретение относится к автоматике и вычислительной техникеи может быть использовано для классификации электрических сигналов. Устройство содержит усилитель 1, интегратор 2, блок 3 задания весовых коэффициентов, формирователи 4 уровня сигнала, элемент ИЛИ 5, триггер 6, первый, второй и третий элементы И, дешифратор 9, счетчики 10,11, генератор 12, блок 13 отображения, пороговый. элемент .14, элемент 15 НЕ. 3 ил,Изобретение относится к автоматике и пы. Одним из недостатков указанного уствычислительной технике иможет быть ис- ройства является то, что оно может быть пользовано для классйфикации электриче- использовано только для классификации ских сигналов. . объектов, которые характеризуются дискИзвестно устройство для классифика ретными сигналами (признаками). Поэтому ции объектов, содержащее первый регистр, это устройство обладает ограниченными входы которого являются первым и вторым функциональными возможностями, Кроме входами устройства, а выход подключен к того, этоустройствообладаетнизкойточноодному входу первого дешифратора, другой стью классификации объектов, поскольку вход которого является вторым входом уст при классификации объектов не учитываетройства, второй и третий регистры, входы ся влияние аддитивных помех, которые, как которых соединены с- соответствующими правило, присутствуют на входе устройства выходами первого дешифратора и элемен- классификации.. тов ИЛИ первой группы, входы которых яв- Наиболее близким по технической сущля ются первым и третьим входами 15 ностик предлагаемому устройству является устройства, а выходы второго и третьего ре- устройство, содержащее последовательно -гистров подключены к одним входам перво- соединенные усилитель и блок задания вего коммутатора, другие входы которого" совых коэффициентов, М формирователей соединены с выходами счетчика и делителя уровня сигнала, элемент ИЛИ, триггер, гечастоты, первый блок памяти, один вход ко нератор импульсов и последовательно соеторогоявляется первым входомустройства, диненные первый элемент И, счетчик, другие подключены к соответствующим вы- дешйфратор и блок отображения, первый и ходам первого дешифратора; первого ком- . второй входы первого элемента И соединемутатора иключей первой группы, авыход - ны с выходом генератора импульсов и с пря-.соединейсоднимвходомпервогорегистра 25 мым выходом триггера, прямой вход сдвига, другой вход которого-подключен к которого является входом "Пуск" устройстгенератору импульсов, выход которого сое- ва, а инверсный вход является входом "Осдинен с входом делителя частоты, выходтанов" устройства, третий вход элемента И которого подключен к входу счетчика, и вто- соединен с выходом элемента ИЛИ, входы рую группу элементов ИЛИ, второй блок ЗО которого соединены с первыми выходамипамяти, один вход которого является пер- формирователей уровня сигнала, первыевым входом устройства, другие подключены входы которых соединены с выходами блока к соответствующим выходам первого де- заданий весовых коэффициентов, второй шифратора, первого коммутатора и ключей вход Ц-го формирователя уровня сигнала первой группы, второй регистр сдвига, вхо соединен с вторым выходом И)-го форми: ды которого соединены с выходами генера- рователя уровня сигнала.тора ймпульсов и второго блока памяти, Этоустройствоимеетдва недостатка.четвертый.и пятый регистры, одни входы Первым недостатком является то, что которыхявляются первым входомустройст- оно обладает низкой точностью классифива, другие подключены к соответствующим 40 кации сигналов,так как в нем неучитываетвйходам первого дешифратора, а выход чет- ся воздействие помех и ри классификации вертого регистра соединен с входами клю- сигналов, Под воздействием помех искажачей первой группы, второй коммутатор,. ется огибающая сигнала, а, следовательно, входы которого подключены к выходам эле- искажается и амплитуда сигнала. С по- ментов ИЛИ первой группы, первого и вто мощью блока задания весовых коэффициенрого блоков памяти, а выходы соединены с тов пороговые элементы настраиваются на ; одним входом элементов ИЛИ второй груп-, искаженный амплитудный уровень сигнала пы, выход которых является первым вйхо- и дальнейшая обработка искаженного сигдом устройства, вторую группу ключей, нала сказывается и на результаты классифивходы которых подключены к выходам пято кации сигналов.го регистра и первого и второго регистров 8 торым недостатком устройства явля- сдвига, а выход является вторым выходом ется то, что устройство не обеспечивает выустройства, и последовательно соединен деление информативных признаков по ные шестой регистр, вход которого подклю-амплитуде при поступлении сложных сигначен к выходу второго коммутатора, второй 55 лов на вход устройства. К сложным сигна дешифратор, счетчйк первой группы, компа- . лам можно отнести сигналы, имеющиератор, управляющий вход которогО являет- изменяющуюся со временем амплитуду, Нася вторым входом устройства, и счетчики пример, сигналы, имеющие нарастающую второй группы, выход которых подключен к со временем амплитуду, устанавливающую- другим входам элементов ИЛИ второй, груп- ся через определенное время до определен10 15 20 30 35 40 45 50 55 ной величины, Другой разновидностью таких сигналов являются сигналы, имеющие примерно постоянную амплитуду, а через определенное время амплитуда их убывает до нуля. Анализ таких сигналов показывает, что при классификации их можно использо вать информацию о сигнале на всем интервале времени существования его, как это делается в известном устройстве, а можно использовать при классификации только участки сигнала с меняющейся амплитудой или сигналы, имеющие только постоянную амплитуду, Информативность признаков, выделенных с различных участков или участка за время существования сигнала, будет различной. В связи с этим возникает задача выбора наиболее информативного признака (участка) сигнала для проведения классификации. Выбор наиболее информативных признаков (участков) из имеющихся обеспечит повышение точности классификации сигналов.Таким образом, это.устройство обладает низкой точностью классификации сигналов, т,к. при синтезе этого устройства не учтено воздействие помех на его входе И не обеспечивается выделение наиболее информативных признаков при классификации сложности сигналов; Целью изобретения является повышение точности устройства, Поставленная цель достигается тем, что в устройство; содержащее усилитель, блок задания весовых коэффициентов, формирователи уровня сигнала, элемент ИЛИ,триггер, генератор импульсов и последовательно соединенные первый элемент И,счетчик, дешифратор и блок отображения,вторрй вход первого элемента И соединен с прямым выходом, прямой вход которого является входом "Пуск" устройства, а инверсный вход является входом "Останов" устройства, третий вход первого элемента И соединен с выходом элемента ИЛИ, входы которого соединены с первыми выходами формирователей уровня сигнала, первые входы которых соединены с выходами блока задания весовых коэффициентов, второй вход каждого формирователя уровня сигнала соединен с вторым выходом предыдущего формирователя уровня сигналавведены интегратор, дополнительный счетчик и третий элемент И, причем вход интегратора соединен с выходом усилителя, а выход соединен с входом блока задания весовых коэффициентов, вход дополнительного счетчика и первый вход третьего элемента И соединены с выхбдом генератора импульсов, второй вход третьего элемента И и второй вход усилителя соединены с выходом дополнительного счетчика, выход третьегоэлемента И соединен с первым входом первого элемента И, прямой вход триггера соединен с входом генератора импульсов.Введение вустройстводля классификацйй сигналов йнтегратора","дбйолнительного счетчика и третьего элемента И позволяет .повысить точность классификации сигналовза счет устранения аддитивных поясах после усиления входных сигналов и выделениянаиболее информативных. признаков приклассификации сложных сигналов,На фиг, 1 представлена блок-схема устройства для классификации сигналов; нафиг. 2 а - эпюры сигналов с выхода усилителя 1 и с выхода интегратора 2 соответственно; на фиг, 2 б - эпюры сигналов;х(т) - сигналы с одинаковой амплитудой;х (с) - сигналы с нарастающей амплитудой;х (т) - сигналы с убывающей амплитудой.На фиг. 3 представлен формировательуро,вня,Устройство для классификации сигналов содержит усилитель 1, интегратор 2,блок 3 задания весовых коэффициентов,формирователи 4 уровня сигнала, элементИЛИ 5, триггер 6, первый элемент И 7, третий элемент И 8, дешифратор 9, счетчик 10,дополнительный счетчик 11, генератор 12импульсов, блок 13 отображения, причемвыход усилителя 1 соединен с входом интегратора 2, выход которого соединен с входомблока 3 задания весовых коэффициентов,выходы которого соедийены с входами формйрователей 4 уровня сигнала, первые выходы которых соединены с входамиэлемента ИЛИ, выход которого соединен стретьим входом первогоэлемента И 7, второй вход которого соединен С выходом триггера 6; прямой вход которого являетсявходом "Пуск" устройства, а инверсный входявляется входом "Останов" устройства, выход генератора 12 импульсов соединен свходом дополнительного Счетчика 11 и первым входом третьего элемента И 8, второйвход которого соединен с выходом дополнительного счетчика 11, к которому присоединен второй вход усилителя 1, выход третьегоэлемента И 8 соединен с первым входом .первого элемента И 7, последовательно соединены первый элемент И 7, счетчик 10,дешифратор 9 и блок 13 отображения, второй вход М-го формирователя уровня сигнала соединен с вторым выходом (И)-гоформирователя уровня сигнала, прямойвход триггера 6 соединен с входом генератора 12.фикации, т,е, существенно может быть снижена точность классификации сигналов, го Формирователь уровня содержит пороговый элемент 14; элемент НЕ 15 и второйэлемент И 16 (см, фиг, 3).Классификация сигналов по классампроизводится после того, когда исследователем устанавливается, по каким сигналам(х(т) или х (т), или х (т), (см, фиг. 2 б) должнапроизводиться классификация. Это осуществляется путем установления времени начала классификации сигналов на 10дополнительном счетчике 11. Классифика-ция сигналов йо классам заключается, как ив известном устройстве, в определениисреднего времейи нахождения данных сигналов на одйом или нескольких информативных уровнях. По значению данноговремени, котороеявляется информативнымпрйзнаком определенногокласса, производится классификация,Информативный уровень (или .уровни) 20определяется на стадии обучения, При этомв зависимости от исследуемых сигналов х(т)или х (т), или х (т), по которым должна осуществляться классификация сигналов, производится обучение устройства по 25изменяющимся участкам сигналов х(с) илихф или по установившимся участкам техже сигналов х(т) или х (т), или сигнала х(т),или по всем участкам существованйя входныхсигналов х(с), хп(т). В любом случае выбирается уровень, который несетнаибольшую информацию о различимостисигн алой,Устройство работает. следующим образом," ., 35Перед началом работы устройства дополнительный счетчик 11 устанавливается внеобходимое положение в зависимости отклассифицируемых сигналов, т,е. в зависимости от имеющихся априорных сведений о 40входных сигналах, поступающих на вход у:тройства, При этом при поступлении сигналов х(т) классификация (обучениеклассификации) производится с момента0. При поступлении сигналов видов х(1) и 45хф(т) классификация (обучение) может проводиться (в зависимостиот постановки за- .дачи исследователя) по ситналам сустановившейся амплитудой (для х(т) с мо мента времени т=0 до момента времени т 1 и 50Йосигналам с изменяющейся амплитудой(для х(т) с момента времени т= до моментавремени 1=11, а для сигналов х (т) с моментавремени т=и).При классификации (обучении) по сигналам вида х(т) или х (т) нарушение указанных выше временных соотношений может привеСти к существенным ошибкам классиПусть для определенности входной сигнал имеет вид х(т) (см, фиг. 2 б), тогда допол-. нительный счетчик 11 устанавливается в "0" состояние, что соответствует тому, что клас- сификация (обучение) должна проводиться с момента поступления сигнала на вход устройства, т.е. момента времени 1=0. В этом случае выходной сигнал с этого счетчика в виде высокого потенциала поступает на второй вход усилителя 1 и на первый вход третьего элемента И 8, Усилитель 1 и третий элемент И 8 подготовлены к работе.Входной сигнал х(т), подлежащий классификации, усиливается входным усилителем 1 до необходимого значения и подается через интегратор 2, где сигнал, фильтруется, устраняя аддитивную помеху(см, фиг. 2 а), и через блок 3 задания весовых коэффициентов подается на все пороговые элементы 14 формирователей 4 уровня одновременно, С помощью блока 3 задания весовых коэффициентов пороговые элементы 14 настраиваются на определенный амплитудный урОвень сигнала х(т), После команды "Пуск" с триггера 6 на второй вход элемента И 7 вйдается сигнал. При нахождении исследуемого сигнала х(т) на первом уровне срабатывает пороговый элемент 1.4 и выдает сигнал на второй вход элемента И 16, Так как пороговый элемент 14, настроенный на второй уровень, еще не сработал, на его выаоде сигнал отсутствует и с выхода элемента НЕ 15 подается сигнал на третий вход элемента И 16; При наличии сигнала на первом входе элемента И 16 с его выхода выдается сигналчерез элемент ИЛИ 5 на третий вход элемента И 7, Импульсы с кварцованного генератора 12 через элементы И 8 и И 7 начинают поступать на счетчик 10 импульсов. Наличие сигнала на первом входе эле- . мента И 16 обусловливает измерение времени нахождения исследуемого сигнала х(т) на соответствующем амплитудном уровне, Отсутствие сигнала исключает данные измерения.При достижений сигналом х(т) второго ампдитудного уровня срабатывает порого-. вый элемент И 14 и на его выходе появляет-. ся сигнал, закрывающий через элемент НЕ 15 элемент И 16, на выходе которого сигнал исчезает, Отсутствие сигнала на выходе элемента И 16 йрйводит к закрытию элемента И 7, Импульсы с кварцованного генератора 12 не поступают на счетчик 10. Количество импульсов, подсчитанных счетчиком 10; пропорционально времени нахождения исследуемого сигнала х(т) на первом амплитудном уровне.Появление сигнала на выходе пороговоэлемента 14 открывает элемент И 16 при10 1785013 25 30 35 40 45 50 наличии на его первом входе сигнала. На третьем входе элемента И 16 сигнал есть, так как пороговый элемент 14, настроенный на третий уровень, не сработал и на выходе элемента НЕ 15 сигнал имеется, С выхода элемента И 16 сигнал через элемент ИЛИ 5 поступает на третий вход первого элемента И 7, Первый элемент И 7 открывается и счетчик 10 производит подсчет импульсов, поступающих с кварцованного 10 генератора 12. При достижении сигналом х(т) третьего амплитудного уровня срабатывает пороговый элемент 14 и сигнал на его выходе через элемент НЕ 15 закрывает соответствующий 15элемент И 16 и открывает соответствующий элемент И 16. Далее все происходит аналогично рассмотренному. Процесс происходит до тех пор. пока амплитуда исследуемого сигнала х(т) не снижается; Тог да на выходе определенного порогового элемента сигнал исчезает и тем самым обес- печивает закрытие соответствующего ему элемента И 16 и открытие элемента И 16 в формирователе уровня, настроенного на нижестоящий амплитудный уровень, Все операции повторяются до тех пор, пока не поступает команда "Останов" на триггер 6,Измерение времени пребывания исследуемого сигнала х(т) на определенном амплитудном уровне происходит лишь тогда, когда на первый вход элемента И 16 соответствующего формирователя уровня подан сигнал, Таким образом, сигнал у(т)=р хЩ,где у (х) - оператор преобразования, определяемый совокупностью сигналов на первых входах элементов И 16, преобразуется в импульсы, подсчитываемые счетчиком 10,По значению количества импульсов можно судить о номере класса предъявляемого сигнала. Число импульсов, подсчитанных счетчиком 10, через дешифратор 9 высвечивается на цифровом табло,13, Оператор преобразования р(х) запоминается в виде комбинации сигналов на первых входах элементов И 16. Адаптация устройства производится на этапе обучения и заканчивается в подборе такого оператора преобразования у (х), который обеспечивает правильную классификацию данной совокупности сигналов.Устройство на стадии обучения работает следующим образом, Исследуемые сигналы х(т) разбиваются по амплитуде при помощи блока 3 задания весовых коэффициентов на и уровней,Путем последовательной подачи единичного потенциала на установочные входы (первые входы элемента И 16) формирователей уровня, что соответствует выделению из сигнала только соответствующего уровня, последовательно находят среднее значение времени нахождения исследуемого сигнала на каждом амплитудном уровне, Для этого подают сигнал "Пуск" на триггер 6. Импульсы с кварцованного генератора 12 не проходят через элемент И 7 на счетчик 10, так как на элементе И 7 отсутствует сигнал на третьем входе, При достижении исследуемым сигналом х(т), снимаемым с.интегратора 2 и проходящим через блок 3 задания весовых коэффициейтов, уровня амплитуды, на который настроен соответствующий формирователь уровня, с последнего выдается сигнал через элемент ИЛИ 5, который начинает . пропускать импульсы с кварцованного генератора 12 на счетчик 10 импульсов,При достижении исследуемым сигналом уровня амплитуды, на который настроен следующий формирователь уровня (И+1), сигнал с выхода формирователя (М) исчезает, элемент И 7 запирается и импульсы с кварцованного генератора 12 перестают п 6- ступать на счетчик 10. При снижении амплитуды исследуемого сигнала всепроисходит аналогично, но в обратном порядке. Счетчик 10 суммирует импульсы за время нахождения исследуемого сигнала на выбранном уровне до прихода команды "Останов" на триггер 6, т.е, за строго фиксированный промежуток времени 1, В результате на цифровом табло 10 высвечивается число импульсов, пропорциональное времени нахождения исследуемого сигнала на -выбранном уровне за период Т (вк), Аналогичные операции проводятся и на других уровнях, Все операции по нахождению информативного уровня являются обучающими процедурами и проводятся один раз для неизвестных сигналов, принадлежащих равным классам. В зависимостиот найденного информативного уровня(ей) подается единичный потенциал на установочный вход(ы) соответствующего(щих)формирователя(ей) уровня, а установочные входы других формирователей уровня заземляются.При этом этап обучения устройства заканчивается.Формула изобретения Устройство для классификации сигналов, содержащее усилитель, блок задания весовых коэффициентов, формирователи уровней сигналов, первые входы которых соединены с выходами блока задания весовых коэффициентов, а второй вход каждого формирователя уровня сигнала подключен к первому выходу предыдущего формирователя уровня сигнала, элемент ИЛИ, соответствующие входы которого соединены с11 1785013 вторыми выходами формирователей уровней сигнала, триггер, прямой и инверсный входы которого являются входами "Пуск" и "Останов" устройства, первый элемент И, первыйи второй входы которого подключе ны соответственно к выходам триггера и элемента ИЛИ, генератор и последовательно соединенные счетчик,дешифратор и блок отобра)кения,:причем вход счетчика подключен к выходу первого. элемента И, 10 о т л и 4 а ю щ е е с я тем;что;с цельюповышения точности устройства, в него введейы ийтегратор, входкоторогосоединен с вы, дй/ ходом усилителя, а выход - с входом блока задания весовых коэффициентов, дополнительный счетчик, установочный вход которого является установочным входом устройства, и третий элемент И, первый вход которого и информационный вход дополнительного счетчика подключены к выходу генератора, второй вход третьего элемента И и второй вход усилителя подключенй к выходу дополнительного счетчика, а выход третьего элемента И соединен с третьим входом первого элемента И. а иг,ЗСоставйтель.В.АлешинаТехред М.Моргентал К ектор М.Керецм актор Н.Коляд Заказ 4367 ВНИИПИ Г Тираж Подписноедарственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101