Устройство для определения характеристик случайных процессов

(51) 4 С 06 Р 15/36 Т 4 ь 4 ь ГОСУДАРСТ 8 ЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТ ОПИСАНИЕ ИЗОБ АВТОРСКОМУ С 8 ИДЕТЕЛЬСТ(56) Авторское свидетельство СССР В 744606, .кл. С 06 Р 15/36, 1980.Авторское свидетельство СССР В 1043665, кл. С 06 Р 15/36, 1983, (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК СЛУЧАЙНЫХ ПРОЦЕССОВ (57) Изобретение относится к специализированным средствам вычислитель ной техники и предназначено для определения квантилей случайных процессов (СП). Цель изобретения " пов шение быстродействия и расширение функциональных возможностей за счет обеспечения возможности анализа не- стационарных случайных процессов. Устройство содержит щ-сдвиговый регистр объемом И+1 разряд, группу блоков формирования порядковых статистик, группу блоков шинных формирователей, группу блоков интерполяции, блок сравнения кодов, синхро,.8014448 генератор. Блок формирования порядковой статистики содержит регистр, два компаратора,. коммутатор кодов, два элемента И, три элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, два элемента ИЛИ.. В щ-сдвиговый регистр заносится М щ-разрядных отсчетов измерений СП в порядке их поступления на вход устройства, а в регистрах находятся значения порядковых статистик этой совокупности измерений. Величины ко" дов, записанных в регистры, поступаюшие на выходы устройства с известными номерами, являются квантилями СП. На других выходах устройства находятся квантили, значения которых не определяются как точные значения порядковых статистик, а вычисляются путем интерполяции. При поступлении очередного отсчета СП (Х) устройством за три такта работы синхрогенератора определяются значения квантилей для нового интервала анализа, При этом наиболее раннее измерение (Х) исключается из анализа. 1 з.п. ф-лы, 1444823Изобретение относится к специализированным средствам вычислительной техники и может найти применение приопределении статистических характе 5 ристик случайных величин, а именно для определения квантилей при произ; вольном неизвестном распределении случайных величин.Целью изобретения является повышение быстродействия и расширение функциональных возможностей за счет обеспечения возможности анализа не- стационарного случайного процесса,На Фиг. 1 представлена блок-схема 15 устройства; на фиг. 2 - структурная схема блока Формирования порядковой статистики.Устройство содержит ш-сдвиговый 1 регистр, вход 2 которого является 20 информационным входом устройства, группу блоков 3 формирования порядковых статистик, первые и вторые ин" формационные входы которых соединены соответственно с выходами первых 25 и (И+1)-х разрядов ш-сдвигового регистра 1 и с первым и вторым входами блока 4 сравнения кодов, группу шинных формирователей 5, входы которых соединены с информационными выхода ми блоков 3 группы, а выходы являются первой группой информационных выходов 6 устройства, группу блоков 7 интерполяции, выходы которых являются второй группой информационных выходов 8 устройства, блок 9 генератора синхроимпульсов, первый выход которого соединен с управляющим входом тп-сдвигового регистра 1. Информационный выход первого блока 3 соединен 40 с третьим информационным входом вто-рого блока 3 формирования порядковой . статистики, инФормационный выход -го блока 3 (1 = 2, И) соединен с третьим информационным входом (+1) "го 45 ;-лоха 3 и с четвертым информационным входом (1"1)-го блока 3, информационный выход последнего И-го блока 3 соединен с четвертьм информационным входом (И)-го блока 3. Первые уп 50 равляющие входы блоков формирьвания порядковых статистик группы соединены с выходом блока 4 сравнения кодов, вторые управляющие входы блоков 3 соединены с.третьим управляющим вхо" дом первого блока 3 и подключены к второму выходу блока 9 генератора синхроимпульсов, Выход неравнозначности первого блока 3 соединен с третьим тактовым входом второго блока 3, выход неравнозначности -го блока 3 (1 = 2, И) соединен с четвертым тактовым входом (-1)-го блока 3 и с третьим тактовым входом (.+1)-го блока 3, выход неравнозначности Ы-го блока 3 соединен с четвер" тым тактовым входом (И)-го блока 3, четвертый тактовый вход И-го блока 3 соединен с объединенными тактовыми входами блоков 5 и подключен к третьему выходу блока 9 генератора синхроимпульсов.Блок 3 Формирования порядковой статистики содержит первыи 10 и второй 11 цифровые кожараторы, первые входы которых являются соответственно первым и вторым информационными входами блока, а вторые входы объеди" иены и соединены с выходом регистра 12, являющимся информационным ьыходом блока, первый 13, второй 14 и третий 15 элементы ИСКЛМЧАЮЩЕЕ. ИЛИ, первые входы которых соединены с выходом неравнозначности первого цифрового компаратора 10, являющимся тактовым выходом блока, первый 16 и второй 17 элементы И, первые входы которых являются соответственно первым и вторым тактовыми входами блока, первый 18 и второй 19 элементы ИЛИ. Второй вход первого элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 13 соединен с выходом "Неравнозначность" второго 11 цифрового компаратора 11, а его выход соединен с первым входом первого элемента ИЛИ 18. Выход "Равнозначностьф второго 11 цифрового компаратора 11 соединен с вторым входом первого элемента И 16, выход которого соединен с вторым входом первого элемента ИЛИ. Выход первого элемента ИЛИ 18 соединен с вторым входом второго элемента И 17, выход которого соединен с входом записи регистра 12. Выходы второго 14 и третьего 15 элементов ИСКЛЯЧАИЩЕЕ ИЛИ соединены соответственно с первым и вторым входами второго элемента,ИЛИ 19, а их вторые входы являются соответственно третьям и четвертым тактовыми входами блока. Первый разряд адресного входа коммутатора 20 кодов соединен с первым входом первого элемента И 16, а его второй разряд соединен с выходом второго элемента ИЛИ 19.Устройство реализует следующий алгоритм определения квантилей.3 14448В щ-сдвиговом регистре объемомИ+1 разряд записаны И разрядныхотсчетов измерений случайного процесса Х; в порядке поступления их5на вход 2 устройства, т.е. число,записанное в И-х разрядах щ-сдвигового регистра 1 (Хч) соответствуетотсчету (измерению) случайного процесса в начале интервала анализа 10(самое старое измерение), а число,записанное в первых разрядах щ-сдвигового регистра 1, соответствует измерению в конце интервала анализа(последнее текущее измерение), Количество разрядов И регистра 1 определяет величину интервала анализа, илиразмер выборки исследуемого случайного процесса.В регистрах 12 блоков 3 записаны 20коды порядковых статистик Х, чисел,хранящихся в щ-сдвиговом регистре 1.(Здесь и далее отсчеты выборки случайного процесса обозначаются Х1где- номер разряда щ-сдвиговогорегистра 1, а члены ранжированногоряда значений Х - порядковые стати ,стики Х , где- номер члена ранжированного ряда),Известно, что порядковые статистики обладают таким свойством, чтономер члена порядковой статистикипозволяет заранее, не зная конкретного значения этого члена и видафункции распределения случайной величины Р(х,1, достаточно точно оценить соответствующую ему величину"Р(Х ) = Р по выражению1лГ(х. ) = Р. = /И+1. 40Таким образом, номера блоков 3и величины кодов в регистрах 12 этихблоков обеспечивают всей необходимойинформацией для формирования кван 45тилей.Заранее определив номера блоков 3,регистрируя величины кодов в регистрах 12 этих блоков, получаем значения величины квантиля Р как содержи 50мое регистра 12 (х+1)-го блока 3.Если искомый квантиль не определяется как точное значение регистра 12блока 3, то более точное значениеможно найти путем интерполяции зна"чений двух ближайших соседних кван 55тилейф большего и меньшего заданного.Если на вход устройства поступает очередной отсчет случайного про 23цесса, то это соответствует тому, что интервал анализа сместился на один отсчет вправо и имеет место новая выборка случайного процесса, отличающаяся от старой заменой значения ХИ на новое значение Х. В предлагаемом устройстве старое значение Х переходит в (И+1)-й разряд щ-сдвигового регистра 1, т.е. старое Х = Х,исключается из анализа и вносится новое Х 1Для получения ранжированного ряда этой новой выборки необходимо номера порядковых статистик старой выборки, значения которых лежат в интервале Х Х и 1, увеличить на единицу при ХХ, или уменьшить на единицу пРи Х 1 ) Хк, а на освободитипе гя место ранжированного ряда занести значение Х 1Остальные члены ранжированного ряда остаются на своих местах.В предлагаемом устройстве изменение номеров порядковых статистик модифицируемой части ранжированного ряда производится путем одновременной перезаписи значений порядковых статистик, записанных в регистрах 12 блоков, в соседние блоки 3, т.е. осуществляя сдвиг значений порядковых статистик влево или вправо. Определив освободившиеся места в ранжированном ряде, в него записывается значение Х,. Используя логику связей элементов блоков 3, эти операции в устройстве происходят эа один такт.С приходом нового отсчета описанные операции повторяются, обеспечивая таким образом непрерывное измерение характеристик случайного процесса на скользящем интервале измерений.Устройство работает следующим образом.В исходном состоянии в щ-сдвиговом регистре 1 записаны коды произвольно выбранных И щ-разрядных чисел, а в регистрах 12 блоков 3 - порядковые статистики этих чисел, в част-ности, это могут быть нули. Перед началом работы содержимое щ-сдвигового регистра 1 и регистров 12 блоков 13 обнуляется (на фиг. 1 и 2 цепи обнуления не показаны).Устройство работает в три такта.Во время первого такта синхроимпульс с первого выхода блока 3 генератора синхроимпульсов поступает на управляющий вход щ-сдвигового регист 5 144 ра 1. Все отсчеты сдвигаются на одну позицию вправо, Старое значение Х окажется в (И+1)-х разрядах, а в первые разряды запишется первый отсчет случайного процесса.После первого такта работы усто ройства на первые и вторые информационные входы блоков 3, являющиеся первыми входами первого 10 и второго 11 цифровых компараторов,.поступают коды чисел Хи Х 1,. Коды этих же чисел поступают также на блок 4 сравнения кодов, на выходе которого формируется логическая единица при Х +, ) Х и нулевой уровень приВ блоках 3 величины Х и Х+, поступающие на первые входы цифровых компараторов 10 и 11, сравниваются с величинами порядковых статистик, хранящихся в регистрах 12 этих блоков, Если их значения удовлетворяют условию Х,Х с Х+, или Х,(Х с . Х;, то на выходах "Неравнозначность" цифровых компараторов 10 и 11 формируются противоположные логичес" кие уровни и, следовательно, на выходах первого элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 13 такого блока 3 появляется логическая единица. Дпя остальных бло" 1 ков 3 на выходе этого элемента будет нуль.Во время второго такта с второго выхода блока 9 генератора синхроимпульсов поступает синхроимпульс на вторые тактовые входы блоков 3. При этом для всех блоков 3, у которых на выходе первого элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 13 установлена единица, с выхода второго элемента И 17 поступает логическая единица, разрешающая запись информации с выхода коммутатора 20 кодов в регистр 12. Для случая ХХ 1 это же разрешение запиби в регистр 12 появляется также в блоке 3, для которого значения Х и Х 1, совпадают, так как в этом блоке 3 на выходе "Равнозначность" второго цифрового компаратора 11 (вто" рой вход второго элемента И 17) и в цепи первого разряда адресного входа коммутатора 20 кодов (первый вход второго элемента И 17) будут единицы.Вид цепи, подключаемой коммутатором 20 кодов к информационному входу записи регистра 12 блока 3, определяетсязначением кода на его адрес 4823 6 5 10(Х;, ), а при кодах "10" и "11" подключаются первые разряды ш-сдвигового регистра 1.15 Значение первого разряда адресного кода формируется блоком 4 сравнения кодов и определяется знакомразности величин.При Х м+, Х на выходе блока 4 20 сравнения кодов устанавливается единица, в противном случае нуль. Значение кода второго разряда определяется уровнем выхода второго элементаИЛИ 19, являющегося логической сум мой уровней выхода второго и третьего элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 14 и15. Наличие единицы на выходе вто 30 35 аО а 5 ном входе. Входные цепи к коммутатору 20 кодов подключены таким образом, что при адресном коде "00" онсоединяет с информационным входомзаписи регистра 12 1-го блока 3 информационный выход (+1)-го блока 3(Х+, ). Адресный код "01" вызываетподключение к информационному входузаписи регистра 12 х-го блока 3 информационный выход (1-1)-го блока 3 рого элемента ИЛИ 19 в одном из блоков 3 свидетельствует о том, что он первый, в котором изменился знак разности Х - Х (выход первого циф 1рового компаратора 10). Всего может быть два блока 3, в которых это наблюдается, так как фиксируется смена знака при просмотре ряда значений слева направо и справа налево, но учитывая, что разрешающий упровень записи на управляющих входах регистров 12 блоков 3 появляется при выполнении условий описанных вышее, код Х запишется в регистр 12 только одного блока 3. После перезаписи в регист" ры 12 блоков 3 новых значений кодов заканчивается второй такт работы устройства. Ранжированжпл ряд новой выборки сформирован. Присоединение третьего тактового входа первого блока 3 к второму, а четвертого тактового входа И-го блока 3 к третьему выходам блока 9 генератора синхроимпульсов обеспечивает во время второго такта работы устройства наличие на них соответственно единицы и нуля что позволяет правильно заносить новое значение Х, в ранжированный ряд, если новое значение Х 1 является наименьшим или наибольшим для новой выборки.44823 5 1 О 15 20 25 30 7 14При поступлении синхроимпульса с третьего выхода блока 9 генератора синхроимпульсов на тактовые входы блоков 5 на выходах этих блоков формируются порядковые статистики выборки исследуемого случайного процесса. Искомые значения квантилей считываются либо непосредственно с выходов 6 с известными номерами, либо после интерполирования блокамис выходов Я.С поступлением на вход 2 ш-сдвигового регистра 1 нового отсчета случайного процесса, синхронизированного с работой блока 9 генератора синхроимпульсов, цикл формирования порядковых статистик для новой совокупности значений отсчетов, описанный выше, повторяется. После поступления И отсчетов в блоках 3 формируются порядковые статистики, состав" ленные только из отсчетов измеряемого случайного процесса. На выходе устройства находятся квантили случайного процесса для интервала от 1 до И отсчетов. После поступления (И+1)-го отсчета на выходе устрой" ства находятся квантили для интервала от 2 до И+1 отсчетов, т,е. устройство измеряет квантили, двигаясь по реализации случайного процесса скользящим окномДля определения квантилей случайного процесса при поступлении очередного отсчета устройству необходимо проделать три операции на интервале в Н отсчетов, в то время как для построения квантилей прототипу необходимо в среднем И /4 + И операций, т.е. предлагаемое устройство об" ладает значительно большим быстродействием. Равное число операций при обработке поступления очередного отсчета позволяет легко реализовать режим измерения в реальном масштабе времени. Непрерывное измерение характеристик случайного процесса "скользящим окном" дает возможность измерения характеристик нестационарных процессов, что существенно расширяет Функциональные возможности устройства по сравнению с прототипом. Формула изобретения 1. Устройство для определения характеристик случайных процессов, содержащее сдвиговый регистр, тактовый вход которого подключен к первомувыходу генератора синхроимпульсов,группу шинных формирователей, выходыкоторых являются первой группой информационных выходов устройства,группу блоков интерполяции, первыйи второй информационные входы каждого 1-го блока интерполяции (1 = 1,И) соединены соответственно с выходами 1-го и (+1)-го шинных Формирователей, выходы блоков интерполяцииявляются соответственно второй группой информационных выходов устройства, информационный вход сдвиговогорегистра является информационным входом устройства, блок сравнения кодов,о т л и ч а ю щ е е с я тем, что,с целью повышения быстродействия ирасширения функциональных возможностей за счет обеспечения возможностианализа нестационарных случайныхпроцессов, в него введена группа блоков формирования порядковых статистик, первые и вторые информационныевходи которых соединены с выходамипервого и (М+1)-го разрядов сдвигового регистра, подключенными соответственно к первому и второму входам блока сравнения кодов, информационные выходы блоков формированияпорядковых статистик группы соединены соответственно с входами шинныхФормирователей, информационный выход первого блока формирования порядковой статистики соединены с третьим информационным входом второгоблока Формирования порядковой статистики, информационный выход -го 40 блока Формирования порядковой статистики (1 = 2, К) соединен с четвертым информационным входом (-1)-гоблока Формирования порядковой статистики и третьим информационным входом 45 (1+1)-го блока формирования порядковой статистики, информационный выходпоследнего И-го блока формированияпорядковой статистики соединен с информационным входом (М)-го блокаформирования порядковой статистики,первые тактовые входы блоков Формирования порядковых статистик объединены и соединены с выходами блокасравнения кодов, вторые тактовые вхо ды всех блоков формирования порядковых статистик и третий тактовый входпервого блока формирования порядковой статистики объединены и подключены к второму выходу генераторасинхроимпульсов, выход неравнозначности первого блока формирования порядковой статистики соединен с третьим тактовым входом второго блока формирования порядковой статистики, выход неравнозначности х-го блока формирования порядковой статистики (1 = 3, М) соединен с четвертым тактовым входом (х)-го блока формирования порядковой статистики и с третьим тактовым входом (+1)-го блока формирования порядковой статистики, выход неравнозначности И-го блока формирования порядковой статистики соединен с четвертым тактовым входом (И)-го блока формирования порядковой статистики, четвертый тактовый вход И-го блока формирования порядковой статистики объединен с тактовыми входами шинных формирователей и подключен к третьему выходу генератора синхроимпульсов.2. Устройство по п. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что блок формирования порядковой статистики содержит два цифровых компаратора, три элемента ИСКЛ 10 ЧАЮЩЕЕ ИЛИ, два элемента И, два элемента ИЛИ, регистр, коммутатор кодов, причем первые входы первого и второго цифровых компараторов являются соответственно первым и вторым информационными входами блока, вторые информационные входы которых соединены с выходом регистра, являющегося информационным выходом блока, выходы неравенства первого и второго цифровых компараторов соединены с первым и вторым входами первого элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ,выход которого соединен с первымвходом пер вог о элемента ИЛИ, первыйинформационный вход коммутатора кодов соединен с первым входом первогоцифрового компаратора, второй и третий информационные входы коммутатора являются соответственно третьими четвертым информационными входами 10 блока, первый разряд адресного входакоммутатора кодов, являющийся первымтактовым входом блока, соединен спервым входом первого элемента И,второй вход которого соединен с вы ходом Равнозначностьч второго цифрового компаратора, второй разряд адресного входа коммутатора кодов соединен с выходом второго элементаИЛИ, выход коммутатора кодов соеди нен с информационным входом регистра, вход управления записью которогосоединен с выходом второго элемента И, первый вход второго элемента Иявляется вторым тактовым входом бло ка, второй вход первого элемента Исоединен с выходом первого элементаИЛИ, второй вход первого элементаИЛИ соединен с выходом первого элемента И, вьмод первого цифрового ком паратора соединен с первыми входамивторого и третьего элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выходы которых соединеныс первым и вторым входами второгоэлемента ИЛИ, вторые входы второго 5 и третьего элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИявляются соответственно третьим ичетвертым управляющими входами блока,выход первого цифрового компаратораявляется тактовым выходом блока.401444823 еце, Л / -1 ХМ итель Л.Григорьян-Чт М,Дидык орректор Н Королl актор М. Циткин е Заказ 6509/ Подпис Тираж 7 комитет ВНИИПИ Государственног по делам изобретений13035, Москва, Ж, Рауш открытийая наб. д. 4/5 Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4