Устройство для определения медианы случайного процесса

(19) (1 А 504 С 06 Р 153 ОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРпО делАм изОБРетений и ОтнРытий О АНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ ЛЬСТ ВТОРСНОМУ СВИД 12495404040954/24-2424.038615. 11.87. Бюл,В.Д.Бабич, А,С.Сендеркин681.3 (088.8)Авторское свид9540, кл, С 06 еделен жидани зобрет енки м тик, в частности для едианы и математич кого Цель случаиных процессо ния - повышение то Р 42Салий, В.С.Салий ости ианы, Цель дос устройство. эл ного реверсивно формирования вр Благодаря этому можность подачи счетчика импуль интервалов.ивается возменны обесп ельство СССР 15/36, 1984 на вход реверсивног(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕДИАНЫ СЛУЧАЙНОГО ПРОЦЕССА ои последовател рой автоматичес сти, частота ко изменяется с по щью дополнительног четчика, при это 57) Изо изирова еверсивногобеспечиваетсо частоте за специа- стройе при для рактеретение относится к ным вычислительным ожет найти применен случайных процессо ия статистических х ть адаптациипульсов при Ж оэмо ени ствам иобработ ении инт зируемого пр предел(61) (21) (22) (46) (72) и С.И (53) игается введениеммента И, дополнительо счетчика и блока вала корреляции аналисса. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.13Изобретение относится к специализированным вычислительным устройствам и может найти применение при обработке случайнь 1 х процессов для определения статистических характеристик, в частности для определения медианы и математического ожидания случайных процессов.Целью изобретения является повышение точности оценки медианы.На Фиг.1 представлена блок-схема предлагаемого устройства, на фиг.2 блок Формирования временных интервалов.Устройство содержит блок 1 сравнения, триггер 2 Шмитта, шесть элементов И 3-8, триггер 9 знака, преобразователь 10 "код - напряжение", первый и второй элементы ИПИ 11 и 12, первый и второй элементы 13 и 14, . первый и второй пороговые элементы 15 и 16, реверсивный счетчик 17, генератор 18 импульсов, КБ-триггер 19, преобразователь 20 "напряжение - код", блок 21 элементов И, дополнительный реверсивный счетчик 22, дополнительно ный элемент И 23, блок 24 формирования временных интервалов.Блок 24 Формирования временных. интервалов содержит первый формирователь 25 импульсов, счетчик 26, первый и второй элементы И 27 и 28, дешифратор 29, второй Формирователь 30 импульсов.Выход блока 1 сравнения подключен к входу триггера 2 Шмитта, прямой и инверсный выходы которого соединены с первыми входами первого и второго элементов И 3 и 4 и с первыми входами четвертого и пятого элементов И 5 и 6, единичный выход триггера 9 знака подключен к первому входу преобразователя 10 Код - напряжение", первый и второй элементы ИЛИ 11-12, выхоц первого элемента ИЗБ 11 соединен с входом первого эле" мента НЕ 13, выход второго элемента НЕ 14 подключен к одному из входов второго элемента ИЛИ 12, другой вход которого соединен с выходом первого порогового элемента 15, выход второго порогового элемента 16 подключен к входу второго элемента НЕ 14, реверсивный счетчик 17, генератор 18, КБ-триггер 19, выходы преобразователя 20 "напряжение - код" соединены с входами блока 21 элементов И, выходы которого подключены к соответст 5502 1 Г) 15 20 30 35 40 45 50 55 вующим старшим разрядам реверсивного счетчика 17, вход сложения дополнительного реверсивного счетчика 22 соединен с выходом дополнительного элемецта И 23, выход дополнительного реверсивного счетчика подключен к тактовому входу блока 24 формирования временных интервалов.Элементы 15 и 16, элементы НЕ 14, ИЛИ 12 и И 8, КБ-триггер 19, преобра. зователь 20 "напряжение - код" и блок 21 элементов И определяют алгоритм работы устройства в начальный момент времени в зависимости от величины абсолютного значения входной случайной величины х(с). Элементы 15 и 16 представляют собой двухпороговый элемент, принцип работы которого определяется выражением где П, - величина порога, котораявыбирается равной напряжению однойступени (шага квантования) преобразования преобразователей 10 и 20,Элементы 15 и 16 могут быть выполнены, например, по схеме, которая содержит последовательно соединенныесхему определения модуля (абсолютного значения напряжения) и пороговоеустройство (с порогом О,),Устройство работает следующимобразом,Случайный сигнал х(с) подается напервый вход блока 1 сравнения, гдепроисходит его сравнение с опорнымнапряжением Ц которое формируетсяпреобразователем 10 "код - напряже,ние". Поскольку в начальный моментвремени с, напряжение на выходе пре -образователя 10 "код - напряжение"равно нулю, то х(с) непосредсгвенноподается на вход триггераШмитта.Входной сигнал х(с) также подаетсяна вход второго элемента 16 нечувствительности и на вход преобразователя 20 "напряжение - код". Для сгре-деленности допустим, что х(г,) в цачапьный момент времени с имеет положительное (отрицательное) значение,тогда на прямом (инверсном) выходетриггера 2 Шмитта появится логическийсигнал "1", который поступает на первый вход эпемента И 3(4). Так как вначальный момент времени реверсивныйсчетчик 17 находится в "нулевом" со 1352502стоянии, то на выходе пятого элемента Иимеется сигнал "1, которыйвместе с сигналом "1" с прямого (инверсного) выхода триггера 2 Шмиттаобеспечивает появление на выходе элемента И 3(4) логической "1", котораяустановит триггер 9 знака в "единичное 11 (" нулевое" ) состояние, В этоже время сигнал "1" с выхода пятогоэлемента И 7 воздействует на К-входКБ-триггера 19, на прямом выходе которого появится "0", а на инверсномвыходе - " 1". Логический сигнал "0",формируемый на прямом выходе КБ-триггера 19, закрывает шестой элемент И8, блокируя подачу импульсов на счетный вход реверсивного счетчика 17от счетчика 22 с управляемым коэффициентом деления. Реверсивный счетчик17 будет сохранять начальное нулевоесостояние. Логический сигнал "1" синверсного выхода КБ-триггера 19 поступает на входы управления блока 21элементов И, открывая его.Процесс установления (который делится с начального момента включенияс до момента времени с,когда реверсивный счетчик 17 начнет заполнятьсяимпульсами) может происходить двояко:в зависимости от величины напряжениявходного сигнала х(г. ) в момент времени с включения устройства. Замеотим, что время установления оченьмало, в предлагаемом устройстве также, как и в прототипе процесс установления происходит практически мгновенно,Рассмотрим первый случай, когдаабсолютное значение напряжение входного сигнала х(с ) оказывается меньше, чем напряжение Н , т,е. 1 х(с )11 . На выходе второго элемента 16появится чО, а на выходе второгоэлемента НЕ 14 возникает сигнал "1",который через второй элемент ИЛИ 12 .воздействует на Б-вход КБ-триггера19 и опрокидывает его. При этом напрямом выходе КБ-триггера 19 появляется "1", которая открывает шестойэлемент И 8, а на инверсном выходеКБ-триггера 19 появляется "0", который.закрывает блок элементов И 21,В другом случае, когда абсолютноезначение напряжения входного сигналах(с, ) оказывается большим или равнымП., т.е. х(с, )1П на выходе второго элемента 16 появится " 1", а навыходе второго элемента НЕ 14 возни 55 Напряжение П, также подается на второй вход блока 1 сравнения, с выхода которого напряжение дх(с)=х(г;)- -П, поступает на вход триггера 2 Шмитта. Предположим (дггя определенности), что в последующий после с момент времени с напряжение дх(с) будет (также как и в начальный мокает сигнал "0". При этом состояние КБ-триггера 19 не изменится, а, следовательно, второй элемент ИЛИ 12 ос.тается закрытым, а блок 21 элементов5И - открытым. В преобразователе 20"напряжение - код" входной сигналх(с ) преобразуется в (гп+1)-разрядный параллельный код, Абсолютное значение напряжения х(г.,) т.е. 1 х(г, )1,при этом определяется 2,3(ш+1)разрядами кода (1-й разряд определяет знак и в работе устройства не используется). Логические сигналы с15 2,3 (гп+1)-разрядных выходов преобразователя 20 "напряжение - код"через открытый блок 21 элементов Ивоздействуют на счетные входы и+1,и+2, , и+гп триггеров реверсивногосчетчика 17, обеспечивая практически мгновенную установку в соответствующие коду состояния. Таким образом,в гп старших разрядах реверсивногосчетчика 17 появится цифра, которая25 соответствует абсолютному значениювходного сигнала х(с,) в начальныймомент. Эта цифра подается на входыпреобразователя 10 "код - напряжение"на выходы которого вырабатываетсяопорное аналоговое напряжение д=(отрицательной) полярности, поскольку первый (знаковый) вход преобразователя 10 подключен к прямому выходу триггера 9 знака. Напряжение Н,35 также поступает на вход первого элемента 15, так как (Н ) Ъ П, то навыходе элемента 15 появится " 1", которая через второй элемент ИЛИ 12воздействует на Б-вход КБ-триггера4019 и переводит его в противоположноесостояние. При этом сигнал "1", появившийся на прямом выходе КБ-тригге.ра 19, открывает элемент И 8, а сигнал 0", появившийся на инверсном45выходеКБ-триггера 19, закрываетблок 21 элементов И, тем самым ис-ключает в дальнейшем его влияние назначение кода гп старших разрядов реверсивного счетчика 17,50поменяет знак, в рассматриваемомслучае станет отрицательным, триггер2 Шмитта изменит противоположноесвое состояние, что приведет к снятию разрешения с элемента И 5(6), свхода элемента ИЛИ 11 и с выходапервого элемента НЕ 13 сигнал "1"подается на вход вычитания реверсивного счетчика 17 и переведет реверсивный счетчик 17 в режим вычитания.Начинается процесс вычитания, который длится до момента времени обнуления и млацших разрядных триггеров ре -версивного счетчика 17. После этого момента с поступлением очередного (вычитающего) импульса на счетный вход реверсивного счетчика 17 произойдетскачок Б, ( а выходе преобразователя 10) вниз на одну ступень Б, и навсех прямых первых п-разрядных выходах появятся "единицы", которые поступают на 2,3(п+1) входы первого дополнительного элемента И 23. Если при этом 1 дх(с)1 О, то на выходе первого элемента НЕ 13 будет "1", поступит на первый вход первого дополнительного элемента И 23, а на его выходе появится "1". Логический сигнал "1" с выхода первого дополнительного элемента И 23 поступает на вход счетчика 22 с управляемьд коэффициентом деления. Зто приведет к увеличению коэффициента деления в 2 раз (например, в 1=2 раза). Коэффициент деления частоты станет равным 1 с =1 1=1=2, при этом частота следования импульсов заполнения реверсивного счетчика 17 уменьшится и станет равной й =Г :Ъ: =Е,:1=1,:2, а время достижения переполнения ревер,с 1 ь 1 сивного счетчика с =2 - =2д е увеличится в 7=2 раза, В дальнейшем с каждым скачком П вниз на одну с упень при выполнении условия лх(с)1 ( 0 на и+1 входах первсго дополнительного элемента И 23 будут появляться 1 и, что будет приводить к увеличению коэффициента деления счетчика 22 в Х , 1 , 1 , , раза,4т.е. частота следования импульсов, заполняющих реверсивный счетчик 17 судет уменьшаться в соответствующее число раз. Процесс автоматической адаптации частоты будет завершен, если будет достигнута необходимая инерционность, При этом значение ус 5 1352502мент) положительным (отрицательным),При этом триггер 2 Шмитта останетсяв прежнем состоянии. К этому времени(как отмечалось выше) триггер 9 зна 5ка находится в "единичном (" нулевом") состоянии и вместе с триггером2 Шмитта, который находится в "единичном" ("нулевом") состоянии образу"ют на выходе элемента И 5(б) сигнал"1", который через элемент ИЛИ 11 подается на вход сложения реверсивногосчетчика 17. В реверсивном счетчике17 устанавливается режим сложения,В начальный момент времени управляющие элементы счетчика-делителя 22находятся в нулевом состоянии (доподачи логических сигналов на первыйи второй управляющие входы), поэтомукоэффициент деления счетчика 22 Ед=,частотой следования Г,=Е с выходагенератора 18 импульсов через счетчик 22 открывает шестой элемент И 8и поступает на счетный вход реверсивного счетчика 17. Первая же записанная в реверсивном счетчике 17 "1".запирает элемент И 17 и снимает разрешение. с первого и второго элементов И 3 и 4, тем самым исключаетсяв дальнейшем влияние на состояниетриггера 9, который предназначен дляхранения знака входного процессах(с),Таким сбразом, в начальный моментработы реверсивного счетчика 17 он35заполняется импульсами, следующими смак имальной ча тотой= =р,гчто сокращает время поиска медианы.Содержимое реверсивного счетчика 17будет возрастать и настудит моментвремени, когда на счетчик 17 поступит 2 импульсов (и - число младшихВ)разрядов) и код (цифра) ш старшихразрядов реверсивного счетчика 17 из 45менится на единицу, что приведет кизменению величины опорного напряжения Б, на величину одной ступениБ,.; Измененное напряжение Б подается на вход блока 1 сравнения. Даль 50нейший процесс продолжается аналогично описанному. Время заполнениямладших разрядов реверсивного счетчика 17 при этом равноИ2559 Л Мин ь м%ксГЪРассмотрим случай, когда 2 Т7 СР . Как только бх(с,=х(с)-П,тановившейся частоты определяется выражением2НОРПосле завершения процесса адаптации(в установившемся режиме) установитсяследующее значение коэффициента де-ления:КОР Гг 1 сд При выполнении последнего условия алгебраическая сумма количества импульсов Ь, поступающих на реверсивный счетчик 17 в режиме сложения и вычитания, будет колебаться в диапазоне 0Ь 2 ", что помещается в и младших разрядах счетчика 17. Содержание ш старших разрядов не будет изменяться и является искомой оценкой значения медианного уровня входного. процесса х(с),Максимально возможное значение коэффициента деления счетчика 22 с управляемым коэффициентом деления и значение частоты следования импульсов Гопределяют максимальное значение интервала корреляции входного случайного процесса, для которого выполняется условиеь 2 1 с макс" коР. макс й г Неравенство будет достаточным, еслипревьппение будет в (5, ,10) раз21 сд макскоР. макс(5е10) 1:Таким образом, последнее выражение определяет верхнее значение диапазона возможных величин интервалов корреляции процессов, анализируемых пред- лагаемым устройством,Если в процессе измерений происходит медленное изменение интервала корреляции КР анализируемого случайного процесса в сторону уменьшения (т,е, процесс становится более быстрым), то в предлагаемом устройстве предусмотрено автоматическое увеличение частоты следования импульсов, которыми заполняется реверсивный счетчик 17. Увеличение частоты достигается уменьшением коэффициента деления 1 сд счетчика 22 с управляемым 52502 8коэффициентом деления. Сигнал, обеспечивающий автоматическое уменьшениекоэффициента деления счетчика 22,формируется в блоке 24 формированиявременных интервалов. Этот блок анализирует количество импульсов, которое размещается в интервалах временипребывания анализируемого процесса 10выше и ниже Б , Если появляется инаьтервал выброс положительный или отрицательный относительно Б), длительность которого меньше или равнаМ Т(где М - заданное число), тодля повышения точности измерейийблок 24 вырабатывает логический сиг 1нал "1". Это сигнал поступает навторой управляющий вход счетчика 22с управляемым коэффициентом деления,вызывая уменьшение коэффициента деления 1 в 1 раз (например, 1=2).. При этом частота следования импульсов на выходе счетчика 22 увеличивается в 1=2 раза. В дальнейшем еслибудут продолжать появляться интервалы времени, длительность которыхменьше или равна М Т, то блок 24будет вырабатывать логические сигналы "1" до тех пор, пока не будетвыполнено условиеЗО(Т Г = - ) 1 коР и д Т и При этом на интервалах времени выбросов будет размещаться более М импульсов, т.е.Т .МНеравенство будет достаточным, если М=5,,О, иногда" КОР 5,,10 45или510 Атг л4 коР 5 О Необходимое значение коэффициента деления определяется выражениемфъс коР55Поскольку минимальное значение коэффициента деления 1 с =1 (при этом Г=Й =Й ) то минимальное значенйег макафинтервала коррегяции входного случай ного процесса, определяется выражением 510ко Р.минг 1352502 10импульсов поступают на второй вход третьего элемента И 28 и на р-вход установки счетчика 26 в нулевое состояние. Так как в момент поступления первого короткого импульса на выходе дешифратора 29 - "0", то этотБлок 24 заданных временных интервалов работает следующим образом. Вначальный момент времени (как отмечалось выше) реверсивный счетчик 17находится в нулевом состоянии, следовательно, на выходе пятого элемента И 7 Формируется "1", которая воздействует на второй вход блока 24или на вход второго формирователяР,30, которая на р-выходах (2 , М) втечение короткого времени (равногодлительности входного импульса) Формирует комбинацию в параллельномдвоичном коде, соответствующую цифреМ, В р-разрядах счетчика 26 появится цифра М, которая в параллельномкоде подается на дешифратор 29, Де-,шифратор 29 представляет собой р-входную схему И-НЕ, прямые и инверсныевходы которой соединены с разряднымивыходами счетчика 26 так, чтобы припоступлении параллельного кода, соответствующего числу М, на выходе формировался "0", Если на вход дешифратора 29 поступает любой другой код(отличный от М), то на выходе дешифратора 29 Формируется "1". Следовательно, в соответствии с алгоритмомработы дешифратора 29 в начальныймомент времени на его выходе появитсясигнал "0", который закрывает элементы И 27 и 28. Таким образом, формирователь 30 обеспечивает первоначальную запись заданного кода М всчетчик 26, .т,е. осуществляет подготовку блока 24 к работе. На вход формирователя 25 импульсов поступаетпоследовательность импульсов с выхода первого элемента НЕ 13. формирователь 25 импульсов осуществляет формированиекоротких импульсов в моменты времени, соответствующие моментамвремени изменения полярности напряжения д х(е)=х(с)-11, или в моменты времени фронтов импульсного напряженияна выходе первого элемента НЕ 13.форми, рователь 25 импульсов может быть выполнен в виде выделителей переднего изаднего фронтов (с помощью дифференциальных элементов), выходы которыхобъединяются элементом ИЛИ. Короткиеимпульсы с выхода формирователя 2550 55 ду двумя соседними импульсами, Формируемыми формирователем 25 импульсов,оказывается меньшей, чем заданная,т.е. если . М Т , то к моменту прихода на второй вход третьего дополнительного элемента И 28 короткогоимпульса на первом его входе (на выходе дешифратора 29) будет сохраняться сигнал "1", Следовательно, на выходе блока 24 появится "1", т.е. будет зафиксирован факт появления временного интервала, длительность которого меньше заданной М Тимпульс на выход блока 24 не пройдет (элемент И 28 закрыт). Импульс, поступающий на К-вход установки счетчика 26 в нулевое состояние, обеспечивает установку всех разрядов счетчика 26 в нулевое состояние. На выходе дешифратора 29 появится "1", которая откроет по первому входу второй дополнительный элемент И 27 (заметим, что этот сигнал "1" появится несколько позже, чем импульс с выхода формирователя 25 импульсов, который не пройдет элемент И 28).На счетный вход счетчика 26 (С- вход) поступают импульсы с выхода делителя 22 частоты через элемент ,И 27. Содержимое счетчика 26 будет увеличиваться. Если в течение времени после появления очередного импульса на выходе формирователя 25 импульсов до появления следующего очередного импульса на счетный вход счетчи.ка 26 поступит М импульсов, то в разрядах счетчика 26 установится код,соответствующий числу М, На выходе дешифратора 29 появится "0", который закроет элементы И 27 и 28. Короткий импульс, Формируемый формирователем З 5 25 импульсов, не пройдет на элементИ 28 и на выходе блока 24 логический сигнал "1" не появится. Это состояние (когда в счетчике 26 записан код "М", на выходе дешифратора 29 - "0", элементы И 27 и 28 закрыты) сохранится до появления очередного импульсана К-входе счетчика 26, который пе- реводит счетчик 26 в нулевое состояние и т,д. Если же длительность меж2 2502 10 15 20 25 30 35 40 510г. .) 50 11135Таким образом, если на вход предлагаемого устройства подать случайный процесс интервал корреляции 7 которого принимает произвольное ОРзначечие и находится в пределах 510 1 ьакс,кор сь сУ то автоматически устанавливается такое значение коэфФициента деления 1 с делителя 22 частоты с управляемым Дкоэффициентом деления (сигналы управления формируются в блоках 23 и 24), чтобы выполнялось следующее условие:ф 1 )кОРсР(5 10) 510 2(5 10) то Численные значения параметров схемы предлагаемого устройства определяются заданным диапазоном величин, которые может принимать интервал корреляции входного процесса (- ). Частота ОР.ИиН . КОР.М С,следования импульсов генератора 18 импульсов определяется формулой Затем определяют требуемое количество младших разрядов п. Для мин коэффициент деленияминимален, т.е.1=1. Представленную Формулу можно записать в таком виде 2 ) (5,,10)Г .,рмииМожно определить значение коэффициента деления Ь )(5 р ее у 10) Е,коРфф:фд макс 2 ф Формула изобретения 1. Устройство для определения медианы случайного процесса по авт. св. Р 1249540, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью повышенияточности оценки медианы, устройствосодержит дополнительный элемент И,дополнительный реверсивный счетчик иблок формирования временных интервалов, при этом первый вход дополнительного элемента И объединен с входом установки в "0" блока формирования временных интервалов и подключенк выходу первого элемента НЕ, выходдополнительного элемента И соединенс входом сложения дополнительного реверсивного счетчика, вход вычитаниякоторого подключен к выходу блокаФормирования временкых интервалов,тактовый вход которого объединен свторым входом шестого элемента И исоединен с выходом дополнительногореверсивного счетчика, информационный вход блока формирования временных интервалов подключен к выходупятого элемента И. 2. Устройство по п, 1, о т л и ч аю щ е е с я тем, что блок формирования временных интервалов содержит два формирователя импульсов, счетчик импульсов, дешифратор, первый и второй элементы И, причем выход первого элемента И подключен к счетному входу счетчика импульсов, вход установки в "0" которого объединен с первым входом второго элемента И и соединен с выходом первого формирователя импульсов, вход которого является входом установки в "О" блока, второй вход второго элемента И объединен с первым входом первого элемента И и подключен к выходу дешифратора, входы которого соединены с выходами соответствующих старших разрядов счетчика импульсов,информациончые входы р-стар 45 ших разрядов которого подключены к соответствующим выходам второго формирователя импульсов, вход которогоявляется информационным водом блока,второй вход первого элемента И является тактовым входом блока, выходвторого элемента И является выходомблока.(ООР, 2итель Л,ГригоМ.Ходанич Сост нц-Чтенц Пилипенк оррект дактор Ю.Се Тираж 671 ВНИИПИ Государственного по делам изобретений 113035, Москва, Ж, Рказ 5567/49 писное омитета СС открытиишская наб., д Производственно-полиграФическое предприятие, г.ужгород, ул.Проектная,