Дифференцирующе-сглаживающее устройство

(бе) Дополнительное к авт. санд ву явлено 0303,7 Гооударстееиимй иомит Совета Ииииотров ССС оо долам изобретеиий(43) Опубликовано 05.06.78.Бюллете1 (45) Дата опубликовании описеииа Г 53) УДК 6 5.5 отирыти 88.8) 72) Авторы нзобретенн Г. Н, Воробьев, Е. С. Потапов и В. В. Сюэ Ю. мн овское Ордена Ленина н Ордена Т высшее техническое учнпнще и ЕЕ УСТРОЯСТВО Е ЖИ ДИФФЕРЕНЦИ рядность входной информации н постояннымножителей соответственно) н и-разрядный регистр. Недостатками данного устройства являются: ограннченные функциональные возможностн, так как оно предназначено только для сглаживания случайных помех во входном снгнале и не вцчнсляет первую н вторую производные от входного сигнала, н низкая точность вцчнслення, нз-за отсутстг,ня компенсацнй по первой н второй пронзводных прн снгналах, полезная составляющая которых описывается полнномом первой н второй степеней в функции времени.Из известных устройств наиболее близким по технической сущности к изобретению является дифференцнрующе-сглажнвающее устройство (З, предназначенное для вычислении сглаженных значений первой производной изме. ряемого сигнала с наложеннон аддитнвной некоррелированной случайной помехой.Это устройство содержит блок оператнвной пзмятн, блок вычисления спектральных козффнцнентов фурье - Радемахера, сдвнговый регистр, сумматор н блок управления, Вход устройства подсоедннен к первому ннформационному входу блока оперативной памяти, вы. ход которого подключен к первому входу блока Изобретение относится к области вычислитедьной техники н предназначене для нспользовання в приборах н системах управлення различными объектами.Известно устройство для днфференцнровання, содержащее генератор опорной частоты, пить счетчиков, делитель, счетчик результата, триггер, четыре группы схем запрета (элементов И) н одну схему запрета (элемент И), Это устройство предназначено для вцчнслення производной обратной величины от входного кода. Прн добавлении одного дополннтельного счетчика результата н повторении цикла преобразования устройство может быть нспользовано для дифференцирования .входного снг. нала.Однако функциональные возможности уст о ройства ограничены, так как оно не позволяет вычислять вторую производную. Ннзкое быстро действие устройства обусловлено необходнмость двухкратного преобразовання кода во временной нятервал (для каждого отсчета входной последовательности), а ннзкая точность - тем, что дифференцирование осуществляется без сглажнвания случайных ошибок.Известно цифровое сглаживающее устройство (2), содержащее два накапливающих сумматора по 2"разрядов каждый (п н гп раз ового Крвсноое ЗнамеИйН. Э. Баумана1 чму и четвертому входам блока вычисления спектральных коэффициентов Фурье - Радемахера. 1 О второй производной при сигнале, полезная составляющая которого описывается полиномом второй степени.30Целью изобретения является расширение функционааьных возможностей устройства, повышение быстродействия и точности его работыПоставленная цель достигается тем, что в предложенное диффереццирующе-сглаживающее устройство введены блоки суммирования 35 по модулю два, формирования адресов, коммутации, две схемы сравнения. Выходы блока управления с шестого по десятый подключены соответственно к пяти входам блока формирования адресов, два выхода которого подключены соответственно к двум управляющим входам блока оперативной памяти, второй информаци. онный вход которого подсоединен к выходу сумматора, а выход - к второму выходу устройствычисления спектральных коэффццицтов Фу. рье Радемахера, первый выход которого цод ключ н к первому входу сдвцгового регистра, Выход сдвигового регистра подсоединен к первому входу сумматора, выход которого подключен к первому выходу устройства, выходы блока управления с первого по цятьй подклю. чены соответственно к вторым входам сумматора, сдвигового регистра и ко второму, третьеОднако с помощью этого устройства можно определить сглаженное зцачеее первой производной входного сигнала без динам ической ошибки только для случая, когда полезная составляющая описывается полицомом первой степени, Устройство це предназначено для вычисления текущих сглаженных значений входного сигнала и его второй производной.Кроме того, в устройстве каждому рабочему циклу вычисления производной предшествует этап обновления выборки входного сигнала, заключающийся в последовательном сдвиге информации в блоке оперативной памяти 10 П) на одну ячейку, что приводит к 2 М-кратному выполнению операций обращения к ОП (1 Ч - обьем входной выборки, обьем ОП) и понижению быстродействия устройства.В таком устройстве точность вычислений понижеца за счет отсутствия компенсации по ва. Одиннадцатый выход блока управления под. ключен к пятому входу блока вычисления спектральных коэффициентов Фурье - Радемахера, второй выход которого через блок суммирования по модулю два подключен к первому входу блока коммутации, прямой и инверсный выходы которого подключены соответственно к шестому и седьмому входам блока вычисления спектральных коэффициентов фурье - Раде- махера, Второй вход блока коммутации подключен к двенадцатому выходу блока управления, три входа которого подключены соответственно к выходам двух схем сравнения и третьему выходу блока вычисления спектральных коэффициентов Фурье - Радемахера, первый выход которого подключен к входам двух схем сравнения.Кроме того, в устройстве блок суммирования по модулю два содержит (п - 1) групп 5 20 гз 45 % 55 сумматоров цо модулю два, причем первы входы сумматоров по модулю два каждой группы объедннець и подклкгчены соответственно к одному из первых (и1) разрядов и-разрядного входа блока. Вторые входы сумматоров цо модулю два каждой группы подключены соответственно к одному из разрядов п-раз. рядцого входа блока, начиная с разряда, номер которого на единицу превышает номер группы. Выход каждого сумматора по модулю два подключен к одному из гп разрядов выхода блока.Блок коммутации устройства содержит гп элементов И, элементы ИЛИ, НЕ. 11 ервые входы элементов И подключены к и разрядам первого входа блока коммутации. Вторые входы элементов И подключены к гп разрядам второго входа блока, выход каждого элемента и соединен с соответствующим входом элемента ИЛИ, выход которого подключен соответственно к прямому выходу блока и входу элемента НЕ, выход которого подключен к инверсному выходу блока.Блок формирования адресов в устройстве содержит счетчик, реверсивный счетчик, дешиф. ратор и триггер, Счетный вход счетчика, счетный и управляющий входы реверсивного счетчи. ка, единичный и нулевой входы триггера подключены соответственно к пяти входам блока. Выходы счетчика и реверсивного счетчика подключены соответственно к первому и второму входам дешифратора. Единичный выход триггера и выход дешифратора подключены соответственно к первому и второму выходам блока формирования адресов.Блок вычисления спектральных коэффициентов Фурье - Радемахера содержит сумматор-вычитатель, генератор функций Радемахера, коммутатор, элементы И, элементы ИЛИ, один из которых подключен между прямым выходом коммутатора и первым входом. первого элемента И, второй элемент ИЛИ - между инверсным выходом коммутат 0 ра и первым входом второго элемента И. Вторые входы элементов И соединены с третьим входом блока, выходы под. ключены соответственно к первому и второму входам сумматора-вычитателя, третий и четвертый входы которого подключены соответственно к первому и пятому входам блока, первый и второй выходы - соответственно к первому и третьему .выходам блока. Четвертый вход блока соединен со входом генератора функций Радемахера, выход которого подключен ко второму выходу блока и первому входу коммута. тора, второй вход коммутатора соединен со вторым входом блока, шестой и седьмой входы которого подключены соответственно ко вторым входам первого и второго элементов ИЛИ.На фиг. 1 представлена структурная схема дифференцирующе-сглаживающего устройства, содержащего блокоперативной памяти, блок 2 вычисления спектральных коэффициентов Фурье-Радемахера, сдвиговый регистр 3, сумматор 4, блок 5 управления. Вход 6 устройства подключен к первому информационному входу блока 1 оперативной памяти, первый выход 7 - к выходу сумматора 4. Кроме того, устройство содержит блок 8 суммирования подля вычисления спектральных коэффициентов Уолша нулевого, первого и второго рангов, причем значение функций Уолша первого ранга (функций Радемахера) вырабатывается с помощью генератора 28 функций Радемахера, а значение функций Уолша второго ранга - с помощью блока 8 суммирования по модулю два,Дифференцирующе-сглаживающее устройство работает следующим образом.Блок 5 управления вырабатывает сигналначальной установки, который обнуляет содержимое генератора 28, сумматора-вычитателя 27, сдвигового регистра 3, сумматора 4 и счетчиков )6 и 17 (шины обнуления иа чертежах не показаны). По выполнении начальных установок устройство переходит к режиму накопления входной выборки. В этом режиме сигналом из блока 5 управления триггер )9 устанавливается в единичное состояние и в ячейки блока 1 оперативной памяти, адреса которых фор. мируются в счетчике 17 блока 9 формирования адресов, заносятся текущие координаты 2 О входного сигнала, поступающие на вход 6 устройства. Указанная последовательность действий повторяется И раз, после чего устройство переходит к установившемуся режиму.В начале каждаго цикла установившегося режима (за исключением первого) сигнал из 25 блока 5 управления, поступающий на счетный вход счетчика 7 блока 9 формирования адре. сов, устанавливает в счетчике адрес начальной точки сдвинутой выборки, По этому адресу в блок 1 оперативной памяти заносится посту. пающее на его первый вход текущее значение входного сигнала. При этом новая выборка сформирована (эта операция на первом цикле не выполняется, так как выборка для первого цикла подготавливается на этапе накопления выборки). После этого устройство переходит к Зз расчету спектральных коэффициентов. На этом этапе блок 5 управления выдает управляющие сигналы на которой вход блока 10 коммутации и с его помощью подключает первый выход (выход функции Уолша второго ранга %) бло. ка 8 суммирования по модулю два через эле. 4 О менты ИЛИ 32 и 33 к первым входам элементов И 30 и 31. Затем блок 5 управления начинает синхронно подавать сигналы управления соответственно на счетный вход счетчика 17, установленного предварительно в режим вычи тания, на вход генератора 28 и на вторые входы элементов И 31, 30, При этом выходной сигнал триггера 19 и содержимое счетчика 17 через .дешифратор 18 поступают на первый и второй управляющие входы блока 1 оперативной памяти в виде адреса ячейки. 50 Информация нз блока 1 оперативной памяти подается на третий вход сумматора-вычитателя 27. Если значение функции Уолша +1 (что соответствует логической единице на инверсном выходе блока 10 коммутации), то импульс управления проходит через открытый элемент И 31 на второйвход сумматора-вы. читателя 27 и поступающая информация суммируется с содержимым сумматора-вычитателя 27, Если значение функции Уолша - 1, от- вф крыт элемент И 30 и на сумматоре-вычитателе 27 выполняется операция вычитания, По истечении Х тактов на сумматоре-вычнтателе 27 сформирован спектральный коэффициент Сэ, ко. торый поступает на входы схем сравнения 1 и 12. В случае если на выходе схемы сравнения 12 сформирована логическая единица (т,е. величина спектрального коэффициента С 3 больше порога П 2), устройство продолжает расчет второй производной в соответствии с уравнением (3). При.этом содержимое сумма. тора-вычитателя 27 передается в сдвиговый регистр 3, сам сумматор-вычитатель 27 обнуляется, а по сигналу с блока 5 управления к входам элементов И 30 и 3 подключается с помощью блока 10 коммутации следующий разряд а-разрядного выхода блока 8 суммирования по модулю два (выход следующей функции Уолша второго ранга). На сумматоре-вычитателе 27 формируется следующий спектральный коэффициент второго ранга С, Параллельно с этим на сдвиговом регистре 3 получают величину С 32-, которая суммируется с содержимым сумматора 4, В дальнейшем на сумматоре-вычитателе 27 формируется очередной спектральный коэффициент, а на сдвиговом регистре 3 и сумматоре 4 накапливается сумма сдвинутых на соответствующее число разрядов (формула (3 величин трансформант второго ранга, После завершения расчета в соответствии с формулой (3) иа сумматоре 4 будет сформирован двоичный код числа с точностью до постоянного коэффициента (который может быть учтен путем масштабирования), равного сглаженному значению второй производной входного сигнала. После того как расчет второй производной заканчивается, блок 5 управления выдает сигнал на нулевой вход триггера и устанавливает его в нулевое состояние, тем самым включая в работу зону памяти, отведенную для хранения конечных результатов. Содержимое сумматора 4 записывается в ячейку блока 1 оперативной памяти с адресом, сформированным из нулевого состояния триггера 9 и нулевого содержимого счетчика 6,В случае если на выходе схемы сравнения 12 появляется логический нуль (т.е. вторая производная равна нулю), устройство сразу переходит к процедуре записи нулевого содержимого сумматора 4 в блок оперативной памяти 1.После записи результата сумматор 4, сдвиговый регистр 3 и сумматор-вычитатель 27 обнуляются, в триггер 19 заносится единица, и устройство переходит к вычислению первой про. изводной. При этом блок 5 управления выдает сигналы на второй вход коммутатора 29 и с его помощью через элементы ИЛИ 32 и 33 подключает выходы соответствующих функций Уолша первого ранга (функций Радемахера) ко входам элементов И 30 и 31. Расчет начинается со спектрального коэффициента С. В блоке 5 управления в этом случае анализируется выход схемы сравнения 11, и по его состоянию определяется дальнейшая последовательность действий.При появлении на выходе схемы сравнения 11 сигнала, соответствующего логической единице, устройство вычисляет сглаженное значение параметра т,(1) в соответствии с формулой (2). При этом на сумматоре-вычитателе27 производится расчет спектральных коэффициентов (первого ранга), на сдвиговом регистре 3 осуществляется их сдвиг на требуемоечисло разрядов, а на сумматоре 4 - накопление сдвинутых трансформант, Процесс заканчивается расчетом последнего п-ого спектрального коэффициента и учетом его в общей сумме. Го окончании расчета на сумматоре 4 сформирован двоичный код сглаженной первой производной. В случае, если величина С не превысила установленного порога (на выходе схемы сравнения 1 логический нуль) за величину параметра х (1) принимается нулевое содержимое сумматора 4, а вычисление остальныхспектральных коэффи ци енто в первого ра ига непроизводится,Определив значение параметра у(1), устройство переходит к учету компенсации по второй производной, Для этой цели сдвиговыйрегистр 3, сумматор-вычитатель 27 и триггер 19обнуляются и из блока оперативной памяти 1вызывается на сумматор-вычитатель 27 величина второй производной. После этого блок 5управления подает сигнал на счетный вход 2счетчика 16 и изменяет его состояние на 1,а содержимое сумматора-вычитателя 27 передается в сдвиговцй регистр 3.По адресу, соответствующему данному состоянию счетчика 16, из блока 1 оперативной,Опамяти на сумматор-вычитатель 27 вызываетсязначение записанной там ранее константы компенсации по второй производной. Устройствопереходит к выполнению операции умножения,причем роль второго сдвнгового регистра играет сумматор-вычнтатель 27. В устройстве ис 35пользуется алгоритм умножения со сдвигоммножителя старшими раэрядамн вперед. Сдвигсодержимого в сумматоре-вцчитателе 27 осуществляется по сигналам из блока 5 управления, поступающим на четвертый вход сумма.тора-вычитателя 27. По значению старшегоразряда сумматора-вычитателя 27, поступающему в блок 5 у равления, последний вырабатывает сигналы управления, поступающиена шину сложения сумматора 4. Го окончзнииоперации умножения на сумматоре 4 форми. 4руется сглаженное значение первой производ.ной. Последняя записывается в ячейку блока 1оперативной памяти, адрес которой формируется на счетчике 16.На последнем этапе данного цикла устройство вычисляет сглаженное значение входного Осигнала. При этом сигналы управления с коммутатора 29 снимаются. В результате генератор 28 отключается от входов элементов И 30и 31, а на прямом н инверсном выходах блокакоммутации 1 О и коммутатора 29 устанавливаются уровни, соответственно равные логическому нулю и логической единице. В соответствии с этим на элементе И 31 устанавливаетсяпостоянное разрешение, и сигнал управления,поступаюгций на первые входы элементов И 30и 31, проходит только на шину суммирования 60 сумматора-вычнтателя 27. В блоке 9 формиро. вания адресов триггер 19 устанавливается в единичное положение, и устройство начинает вычислять спектральный коэффициент нулево. го ранга Со, После завершения процесса расчета (после М тактов), устройство учитывает компенсацию по первой и второй производным, н полученное сглаженное значение входного сигнала подается в блок 1 оперативной памяти, Соответствующие адреса формируются на счетчике 16 блока 9 формирования адресов.В последующих циклах диффереицирующесглаживающее устройство работает аналогично.Использование устройства позволяет вычислять сглаженные значения входного сигнала и его первых двух производных. Наряду с этим учет компенсации по более высоким пронзвод. ным позволяет получать сглаженные значения входного сигнала и его первой производной без динамической ошибки. Выполнение анализа входного сигнала ие по самим величинам первой и второй производных, а по соответствующим спектральным коэффициентам (т.е, до полного вычисления первой и второй производных) и практическое исключение сдвига выборки в блоке оперативной памяти за счет принятой системы адресации позволяет повысить быстродействие работы днфференцирующе-сглаживающего устройства. формула изобретения1. Дифференцирующе-сглаживающее устройство, содержащее блок оперативной памяти, блок вычисления спектральных коэффициентов Фурье Радемахера, сдвиговцй регистр, сумматор и блок управления, причем вход устройства подсоединен к первому информационному входу блока оперативной памяти, выход которого подключен к первому входу блока вычисления спектральных коэффициентов фурье.Радемахера, первый выход которого подключен к первому входу сдвигового регистра, выход сдвнгового регистра подсоединен к первому входу сумматора, выход которого подключен к первому выходу устройства, выходы блока управления с первого по пятый подключены соответственно к вторым входам сумматора, сдвигового регистра и ко второму, третьему . н четвертому входам блока вычисления спектральных коэффициентов фурье-Радемахера, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, повышения быстродействия и точности работы, в него введены блоки. суммирования по модулю два, формирования адресов, коммутьдии, две схемы сравнения; причем выходы блока управления с шестого по десятый подключены соответственно к пяти входам блока формирования адресов, два выхода которого подключены соответственно к двум управляющим входам блока оперативной памяти, второй информацирн. нцй вход которого подсоединен к выходу сум. матора, а выход - к второму выходу устройст ва; одиннадцатый выход блока управления под. ключен к пятому входу блока вцчисленияспект.ральных коэффициентов. Фурье-Ради мд хера,второй выход которого через блок суммирова.ния по молулэо лва подключен к первому входублока коммутации, примой и энверсный выхо.ды которого подключены соответственно к цэес Этому н сельмому вхолам блока вычисленияспектральных коэффициентов Фурье-Ралемахе.ра; второй вход блока коммутации подключенк двенадцатому выходу блока управления, тривхода которого полключены соответственно квыхолам лвух схем сравнения и третьему выхо.Рлу блока вычисления спектральных коэффи.циентов Фурье-Радемахера, первый выход которого подключен к входам двух схем срав.нения.2, Устройство по и. 1, отличающееся тем, что 1блок суммирования по модулю два содержит(и - 1) групп сумматоров по модулю два;причем первые входы сумматоров по модулюдва каждой группы объединены и подключенысоответственно к одному из первых (п - )разрядов и-разрядного входа блока, вторые овходы сумматоров по модулю лва каждой группы подключены соответственно к одному изразрядов и-разрядного входа блока, начинаяс разряда, номер которого на единицу превышает номер группы; выход каждого сумматорапо модулю два подключен к одному из а разрядов выхода блока.3. Устройство по п. 1, отличающееся тем,что блок коммутации содержит гп элементов И,элементы ИЛИ, НЕ; причем первые входы элементов И подключены к гп разрядам первого щвхода блока коммутации; вторые входы элементов И подключены к в разрядам второго входа блока; выход каждого элемента И соединенс соответствующим входом элемента ИЛИ, выход которого подключен соответственно к прямому выходу блока и входу элемента НЕ, выход Зкоторого подключен к инверсному выходу блока,4. Устройство по п. 1, отличающееся тем,что блок формирования адресов содержит счетчик, реверсивный счетчик, дешифратор и триг. гер; причем счетный вхол счетчика, счетный иуправляющий входи реверсивного счетчика,единичный и нулевой входы триггера подключены соответственно к пяти входам блока; вы.ходы счетчика и реверсквного счетчика подключены соответственно к первому и второмувходам лешнфратора; елккичный выход триггера и выход дешифратора подключены соответственно к первому и второму выходам блока формирования адресов,5, Устройство по п. 1, отличающееся тем,что блок вычисления спектральных коэффициентов Фурье-Радемахера содержит сумматор-вычитатель, генератор функций Радемахера, коммутатор, элементы И, элементы ИЛИ,один из которых подключен между прямым выходом коммутатора и первым входом первого элемента И, второй элемент ИЛИ - междуинверсным выходом коммутатора и первым-вхо-.дом второго элемента И; вторые входы элементов И соединены с третьим входом блока, выходы подключены соответственно к первому ивторому входам сумматора-вычитателя, третийи четвертый входы которого подключены соответСтвенно к первому и пятому входам блока, -первый и второй выходы - соответственно к первому и третьему выходам блока, чет.вертый вход которогб соединен со входом генератора функций Радемахера, выход когорогоподключен ко второму выходу блока и первомувходу коммутатора, второй вход которого соединен со вторым входом блока, шестой и седьмой входы которого подключены соответственно ко вторым входам первого и второго элейентов ИЛИ,Источнкки информации, принятые во анима.ние при экспертизе:. Авторское свидетельство СССР М 3556 8,М,кл, С 06 1 7/38, 16.03.71,2. Авторское свидетельство СССР % 377785,М.кл. С 0615/32, 05.08.70,3. Заявка 2007207/24, М.кл. С 06 Г 15/32,20,03.74, по которой вынесено решение о выдаче авторского свидетельства.сударственного компо делам изобрет 5, Мо ква, Ж 35, 111 И Патент, г. сга Совета Министний и открытийРву шская наб., д.Ужгород, ул.роек