Устройство для анализа случайных процессов

 

О П И С А Н И Е 955089

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советскик

Социалистические

Республик (6! ) Дополнительное к авт. свид-ву (22) ЗаЯвлено 02,07,80 (2! } 2952171/18- 24 с присоединением заявки № (5I)M. Кл.

Q 06F 15/36

3Ьеудеретюны!! комитет

СССР по леаем пзееретеннй н открытей (23) Приоритет

Опубликовано 30.08.82. Бюллетень № 32 (53) УДК 681. ..3(088. 8) Дата опубликования описания 30.08.82 (72) Автор изобретения

P. Э. Гут (7!) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ПЛЯ АНАЛИЗА СЛУЧАЙНЫХ

ПРОЦЕССОВ!

Изобретение относится к специализи- рованным средствам вычислительной техники и может быть использовано для получения функции распределения и плотности распределения последовательностей

5 случайных величин.

Известно многоканальное устройство для анализа случайных процессов (последовательности случайных величин), предн назначенное для экспериментального определения функции распределения и функ- . ции плотности случайных процессов, содержащее входной селектор, накапливающие узлы (счетчики импульсов), подключенные к выходам селектора, генератор тактовых импульсов (11

Наиболее близким к изобретению являвгся устройство для анализа случайных процессов, содержащее входной селектор, выполненный в виде блока схем 20 сравнения, блока логических схем и регистра уровней анализа, связанных между собой. Выходы селектора подклю- . чены к накопительным блокам (накопите2 лям). Каждый из накопителей выполнен в виде счетчика импульсов, а все счетчики обьединены в блок счетчика резуль тата. Устройство содержит также гет.е ратор тактовых импульсов, блок элементОв

И (блок вентилей списывания), входы ко торого подключены к выходам накопителей и через счетчик нормирования результатов к выходу генератора тактовых им пульсов, f2)

В устройстве осуществляется ввод значений исследуемого процесса по мере поступления импульсов от генератора тактовых импульсов таким образом, что при появлении каждого импульса в устройство вводится очередное значение процесса. Требуемое количество таких значений (обьем выборки) определяется счетч;иком нормирования резулигата. П ри заполнении счетчика нормирования он подает сигнал на блок элементов И (вентили списывания), через которые производится вывод резулнгата, полученного в ивнакопительных блоках, 3 9550

Таким образом, в устройстве время анализа фиксировено и определяется частотой импульсной последовательности, поступающей от генератора тактовых импульсов, и объема счетчика нормирования результата. Поэтому, если отрезки реализации исследуемого случайного процесса меньше, чем рассчитанное время анализа, то указанное устройство не сможет вообще выдать никакого результата. )0

Наконец, в случае, если исследуемый случайный процесс таков, что его закон распределения эволюционирует во времени, устройство получит результат анализа со значительными ошибками, так как !5 оно в равной мере учитывает все значения процесса, полученные в процессе анализа, в том Числе и те, которые к моменту выдачи результата уже устарели. 20

Таким образом, устройс гво имеет следующие недосгатки. "строгая фиксироьвнность времени анализа, что не позволяет получить сведение -о ходе статистического эксперимента в процессе его проведения; недостаточная точность при анализе процессов, законы распределения которых эволюционируют во времени.

Цель изобретения — повышение точности анализа нестационарных процессов и повышение быстродействия устщэйства, Э гв цель достигается тем, что уст,ройство, содержащее входной амплитудный селектор, вход которого является входом устройства, а ироды соединены

35 соответственно с информационными вхо. дами блоков канальных накопителей группы, генервтор импульсов, ключ и группу элементов И, дополнительно содержит узел формирования весовых коэффициентов,, рвспределитель импульсов и элемент

ИЛИ-HF., а каждый из группы блоков канальных накопителей содержит накапливающий сумматор, регистр сдвига и три группы элементов И, причем выход !

5 генератора импульсов подключен к тактовым входам распределителя импульсов, и регистров сдвига каждого блока канальных накопителей группы, нулевой выход распределителя импульсов соединен с входами сброса накапливающих сумма50 торов и с упрввляюшими входами третьих групп элементов И каждого блока канальных накопителей и через ключ — с информационным входом узла формирования весовых коэффнци<:нтов, входы К-го Ъле55 мента (E<=-1.п) группы элементов И подключены сооткчгственно к К-му выходу рвспр jè нп ел» н,.а ульсов и К-му выходу

89 ф узла формирования весовых коэффициентов, выход К-ro элемента И группы элементов

И соединен с К-м управляющим входом первых групп элемен гов И каждого блока канальных накопителей и с К-м входом элемента ИЛИ-НЕ, выход которого подключен к управляющим входам элементов И второй группы всех блоков канальных накопителей группы, выходы первой группы элементов И каждого блока канальных накопителей группы соединены с разрядными входами накапливающего сумматора того >ке блока канальных накопителей соответственно, разрядные выходы регистра сдвига в каждом блоке канальных накопителей подключены к соответствующим разрядным входам накапливающего сумматора через вторую группу элементов И, а разрядные выходы накапливающего сумматора соединены с соответствуюшими разрядными входами регистра сдвига через третью группу элементов И.

Узел формирования весовых коэффициентов содержит последовательно соединенные счетчик импульсов, вход которого является входом узла, умножитель и элемент сравнения, первый и второй выходы которого подключены к первым входам первого и второго элементов И, вторые входы которых соединены с выходом генератора импульсов, а выходы подключены соответственно к суммирующему и вычитаюшему входам реверсивного счетчика импульсов, разрядные выходы которого являются соответствук шими выходвми узла формироввния весовых коэффициентов, информвциониый выход реверсивного счетчика подключен к другому входу умно>кителя.

На фиг. 1 приведена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 — схема узла формироввния весовых коэффициентов; н в фиг; 3 — временные диаграммы работы устройства.

Устройство содержит входной амплитуд пай селектор 1, имеюший Й (по числу каналов) выходов 2, группу канальных накопительных блоков 3, узел 4 веса, блок элементов И 5„элемент ИЛИ-НЕ

6, распределитель 7 импульсов, генератор 8 импульсов, .ключ 9.

Каждый канальный накопительный блок 3 содержит накапливаюший сумма.тор 10, регистр 11 сдвига и три блока элементов И 12-14 с упрввляюшими входами 15-17 соответственно. Узел

4 формирования весорых коэффициентов содержит счетчик 19 -импульсов, умно5 9550 житель 20, элемент 21 сравнения, реверсивный счетчик 22, элемент И 23, генератор 24 импульсов. Каждый из выходов 2 селектора 1 подключен к входу 15 соответствующего этому выходу канального блока 3.

Выход генератора 8 импульсов подключен к тактовому входу 11 регистра

11 сдвига каждого из канальных бпокок и к входу распределителя 7. 1О

Количество разрядов узла 4 и распределителя 7 одинаково и на единицу больше числа элементов И в блоке 5.

Выходы каждого из разрядов узла 4 и распределителя 7 соединены с входами 1$ соответствующего этому разряду элемента И блока 5.

Число элементов блока 5 равно числу входов в первой группе элементов И

12 каждого из блоков.3. Через группу zo элементов И 12 выход каждого из элементов И блока 5 подключен к входу соответствующего разряда Накапливаюше— го сумматора 10. Это подключение выполнено таким образом, что элеменг блока д

5, соответствующий второму по старшинству (второму слева по схеме) разряду узла 4, через соответствуюший элемент

И 12 соединен с вторым по старшинству (вторым слева) разрядом накапли- зо ваюшего сумматора 10 и т.д. Лля удоб- ства изображения на чертеже выходы элементов блока 5 обьединены в "жгуг и загем разветвлены по входам элементов И 12. Выходы элементов И блока

5 подключены также к входам элемента

ИЛИ-НЕ 6, выход которого подключен, к управляющему входу 16 второй группы элементов И 13 каждого из блоков 3.

Через элементы 13 разряды регистра 11 сдвига подключены к одноименным разрядам накапливающего сумматора 10.

Выход начального (крайнего левого) разряда распределителя 7 подключен к управ- ляюшему входу 17трегьей группы элементов И 14 каждого из блоков 3. Через него выходы каждого из разрядов накапливаюшего сумматора 10 подключены к входам соответствующих им разрядов регистра 11 сдвига. Кроме того, выход начальной позиции распределителя 7 подключен к входам 18 сброса накапливаюшего сумматора 10 и через ключ 9— к входу узла 4.

Узел 4 выполнен в виде счетчика обратного числа, который по мере поступ$$ пения импульсов на его aroä, формирует в двоичном коде число, обратное количеству поступивших импульсов. Так, ес89 d ли на вход поступило и импульсов, то в реверсивном счетчике 22 должно быть записано число х=-" в виде двоичной дроби.

Старший левый разряд счетчика 22 имеет вес 2, следующий (второй слева) разряд имеет вес 2 и т,д. Поэтому, если, например, N =4, то = 0,010, 1 т.е. в старшем (нулевом) -разряде узпа

4 будет записан нуль, в следующем разряде (единично) также нудь и только в двоичном разряде (имеющем вес 2 ) записана единица.

Счетчик 19 фиксирует двоичное представление числа поступивших импульсов а, а реверсивный счетчик 22 фиксирует число . Числа rrl u g поступают на умножитель 20, а полученное в нем произведение поступает на элемент 21 сравнения, который сравнивает величину произведений с единицей. Если щт. о 1, то открывается тот элемент И 23, через который импульсы поступак г на вход вычитания реверсивного счетчика 22, уменьшая величину записанного в нем числа.

Если же Ф <1, то открывается Ap é элемент И 23 и импульсы аг генератора

2 поступают на суммирукиций вход, увеличивая число Z,.Таким образом,,число, фиксируемое в реверсивном счетчике, всегда оказывается равным у — и при изменении м оно также меняется.

Работа устройства иллюстрируется временными диаграммами (фиг. 3).

В рассматриваемом устройстве область возможных значений анализируемого случайного процесса Х (t) подаваемого на об ций. вход, разбивается на 1 1

"коридоров". Если, например, процес .

K(t) может принимать лишь неотрицмельнже значения, то в первьгй коридор значение процесса попадает, если 0 Х<Х во второй, если Х< Хс Х> и т.д., где величины Хп вводятся в селектор заранее.

Каждому коридору соответствует свой канальный блок 3.

Описание работы устройства удобно начать не с исходного состояния, когда все регистры блоков 3 и узла 4 пусты (в них записаны нули), а с некоторого промежуточного момента, когда с начала работы устройства уже прошел некоторый отрезок времени.

Будем считать, что в рассматриваемйй момент времени значение процесса Х(Цтеково, что оно попало в коридор, соответствуккций верхнему канальному блоку

3, к этому моменту на устройство было мента будет также единичным. Следовательно, на один из входов элемента

ИЛИ-НЕ 6 от указанного элемента И поступает единичный сигнал, выходной сигнал элемента 6 будет нулевым. Этот сигнел поступает на входы 16 блоков 3, однако вследствие того, что он снимет нулевое значение, элементы И 13 не подают число из регистра 11 в сумматор 10. Одновременно единичный сигнал с выхода второго слева- элемента

И блока 5 поступает на второй слева вход первых элементов И 12 всех блоков

3. По предположению, значение входного процесса X (63 в рассматриваемый момент времени находится в пределах первого коридора, соответствующего первому канальному блоку 3. Поэтому единичный сигнал будет иметь место лишь на том выходе 2 селектора 1, который соответствует этому блоку 3. Этот сигнал поступает на управляющий вход

16 группы элементов И 12 только первого блока 3. Поэтому единичный сигнал, поступивший не второй слева вход элементов И 12 всех блоков 3, поступит на третий слева разряд накапливающего сумматора 10 только первого блока 3.

Поскольку этот разряд, как и в узле весе и в регистре ll. имеет вес 2, это равносильно введению в накапливающем сумматоре числа 0,01.

Следующий импульс с выхода генератора 8 вновь вызывает сдвиг числа в регистре 11 на один разряд вправо, перенос единицы в распределителе 7 нв одну позицию вправо и ввод числа!эщ /8 из регистра 11 через узел 13 вводв в накеппиваюпптй сумматор 10.

Указанный процесс продолжается до тех пор, пока единица в распределителе

7 не достигает последней (крайней правой) позиции. При этом на позициях распредеиителя 7, которые. соответствуют тем разрядам узла 4 веса, в которых записаны единицы, в накапливающий сумматор10 через элементы И 12 будет введена единица с соответствующим весом. . Так, если в узле 4 в К-м разряде (K=O,1, К) записана единица, то в сумматор 10 будет введено число1/Z . Ha остальных позициях, т.е. тех, где в узле

4 веса записаны нули, в сумматор -10 через узел 13 вводится число из регист ра 11 с весом, равным номеру этой позиции. Так, если в узле 4 в ) -м разряде записан нуль, то в сумматор 10 иэ регистра 11 будет введено число5 д ./2

7 958089 8 подано уже tn вa ы б о р оaк, твк что в узле

4 записано число Z, —, в сумматоре

10 - нулевое число, а в регистре 11 записано в двоичном коде некоторое числоб„,,т, Для примера будем считать, что m 4, так что г, --, =0,010...

К началу очередного цикла измерений единица записана в исходной (крайней левой) позиции распределителя 7.

Очередной цикл работы устройства 10 начинается с того, что с выхода генератора 8 импульсов начинает поступать последовательность импульсов, ПервЫЙ импульс этой последовательности, поступая нв входы блоков 3, осуществляет сдвигг звлисанного к этому моменту в регистрах 11 числа на одну позицию вправо, т.е. в сторону младших разрядов, что эквивалентно уменьшению содержимого регистров 11 вдвое (деление на двв}.

Таким образом, после поступления первого импульса последовательности с выхода генератора 8 в регистре ll перво-о блока 3 окажется записанным число 5п1 „/2, 25

Этот же первый импульс с выхода генератора 8 поступает на вход распределителя 7. Это приводит к тому, что единица перемещается из исходной (левой} позиции в следующую (вторую слева) позицию распределителя 7.

Кек условлено, в единичном (втором слева) разряде узла 4 записан нуль. Поэтому на выходе первого элемента И блока 5 имеет место нулевой сигнал.

„35

Поскольку в остальных позициях распреде.

„лителя 7 записаны нули, все остальные элементы И блока 5 также имеют на своих выходах нулевые сигналы. Следовательно, на выходе элемента ИЛИ-НЕ 6 возникает единичный сигнал, который поступает на управляющий вход 16 второго узла. 13 ввода всех блоков. В результате содержимое регистров 11 записывается в накапливатощий сумматор .

10 и запоминается в нем. В частности, в сумматоре 10 первого блока 3 окажется записанным число бттт, f 2 °

Следуктпий импульс с выхода генератора 8 вновь сдвинет число в регистре

11 на одну позицию вправо (т.е. число, записанное в нем, теперь окажется равным5„„„/4), передвинет единицу в распределителе 7 еще на одну позицию вправо. Поскольку в третьем слева разряде .узла 4 записана единица, соответствующий этой позиции элемент И блока 5 будет иметь на своих входах единичные ,сигналы и иыходной сигнал этого элеС« 955089 10

Очередной импульс с выхода генератора

8 перемещает единицу в распределителе

7 вновь в исходное состояние (в нулевую позицию). Единичный сигнал, который появился на выходе нулевой позиции, пос- тупает на вход узла 4. Поскольку к данному моменту на вход узла 4 веса уже поступило щ импульсов, вновь поступающий импульс будет («п +1)-м и в узле

4 образуется число z,п1- — „„

1 1О

Этот же импульс с выхода нулевой позиции распределителя 7 поступает на управляющий вход 17 элементов И 14 каждого из блоков 3 и числа 5>, записанные теперь в накапливающих сумматорах 10, переписывак тся в регистры

11 сдвига. Тот же сигнал с нулевой позиции распределителя 7, поступая на входы 18, сбрасывает все накапливающие сумматоры в нулевое состояние. На атом очередной Ф-й цикл работы устройства заканчивается и начинается следующий (N+1)-й цикл.

Поскольку в узле 4 к началу щ-го цикла записано в виде двоичной дроби число Ел,= 3f rq, то в первом из блоков 3 вычисляется выражение

5 3 Z, +5«„«1-7.„„- —,1- «(rn-<1 Ь„„(г«-«)+

Ф 5-«= "и, г

В остальных блоках 3 вместо единицы узел 12 вводит в сумматор нуль, так

S ««(,nl-1)ФО что для них. g N тп

К началу работы устройства в регистрах

11 и сумматорах 10 всех блоков 3 записаны числа 5о=д. Из приведенного соотношения следует, что к концу первого цикла (m=1) в регистре 9 одного из бло40 ков окажется записанным число 5= «, а . в остальных «о„=О. После второго цикла (m=2), если процесс останется в том же коридоре, то, в соответствии с приведен ным соотношением, в том же блоке 3

«ь,i3< 1ik „, a в остальных

2 2

P, x:P{x; „»x(wxj,jix;), SS

«p," "Если же процесс перейдет

7 в другой коридор, то в первом коридоре Б = — = — a в другом вновь за 1 1«-О

2 2

3 Qi) 1 нятом коридоре 2, " = > в осталь

4 OiO

НЫХ 7 = =О.

Таким образом, к концу очередного цикла в регистрах 1 L каждого из блоков

3 будут записаны текущие значения относительно времени пребывания анализируемого случайного процесса в коридоре, соответс гвующем данному канальному блоку 3 с точностью до длительности цикла.

Указанный режим работы устройства рационально использовать при анализе случайных процессов, статистические

:свойства которых со временем не изменяются. Устройство в этом случае позволяет использовать все доступное для анализа время и в каждый момент времени иметь текущую оценку относительно времени пребывания процесса в соответствующем коридоре. При этом вся информация о процессе за все время анализа (как прошлое, так и в настоящее) используется с равной точностью. Вместе с тем для процессов, статистические свойства которых во времени меняются, такой равномерный учет всего допустимого прошлого исследуемого процесса может существенно исказить ийформацию о статистических свойствах процесса1 имею- ,щего место в настоящий момент.

Для повышения точности анализа в том случае в узел 4 записывается некоторое число z c 1, а ключ 9 размыка.. ! ется. Поскольку при этом размыкается связь между распределителем 7 и узлом

4, число, «, записанное в узле 4, оказывается постоянным.

Прослеживая работу устройства, получаем, что после,rA -го цикла для канала, в чьем коридоре находится исследуемый процесс, имеем 5„„= Z, 1 «- (<- p ) 5 щ «, а для остальных каналов5щ-7, О+ (1 7,).

"5„, «. Обозначим вероятность попад ния процесса K(4) в « -ый коридор на pl -м ц%кле через Р„,,, получим

Ф где аФ, - длительность одного цикла. Тогда

„»7,К „«-(1-7,)бщ «=7,Х„+Z,(1-71 "р««««(-7)

«5„, =2Х„,+Е(l-z Õ ««Е(4-2) Õ„„ Ô...+ х„«(1- 7,1 О.

При атом для рассматриваемого « -го канала величина Мщ с вероятностью Р« щ равна единице, и с вероятнос гью (; равна нулю. Поскольку к, то (1-2)+1 и, следовательно, чем дальше от рассматриваемого момента t, »«иа отстоит отсчет Х, тем с меньшим becoM он учитывается. Б отличие от предыдущего случая -полученная информация здесь ис11 9550 пользуется нераВномерно — чем "свежее" информация, тем с большим весом она учитывается. Поэтому в данном режиме происходит "забывание информации, тем сильнее, чем она старше (раньше полу- 5 чена). Степень забывания может изменяться в зависимости от величины (чем больше,, тем быстрее забывание)

Таким образом, в момент времени, соответствующие окончанию каждого цикла, предлагаемое устройство, содержит в регистре 11 сдвига каждого из накопителей 3 оценку вероятности пребывания процесса в соответствующем коридоре.

В эти моменты результат из регистров может быть выведен на внешние устройства.

Положительный эффект заключается в том, что устройство осуществляет текущую оценку вероятности пребывания процесса в каждом из заданных коридоров и, кроме т го, такое оценивание производит-, ся и для случая .эволюционирующих законов распределения.

89 l2 информационным входом узла формирования весовых коэффициентов, входы К-го элемента (K=1,n) группы элементов И подключены соответственно к К -му выходу распределителя импульсов и К -му выходу узла формирования весовых коэффициентов, выход K -ro eneMem a H группы элементов И соединен с К -м управляющим входом первых групп элементов

И каждого блока канальных накопителей и с К -м входом элемента ИЛИ-НЕ, выход которого подключен к управляющим входам элементов И второй группы всех блоков канальных накопителей группы, выходы первой группы элементов И каждого блока канальных накопителей группы соединены с разрядными входами накапливающего сумматора того же блока канальных накопителей соответственно, раз рядные выходЫ регистра сдвига в каждом блоке канальных накопителей подключены- к соответствующим разрядным входам накапливающего сумматора через вторую группу элементов И, разрядные выходы накапливающего сумматора соединены с соответствующими разрядными входами регистра сдвига через третью группу элементов И, 2. Устройство по. п.1, о т л и ч а— ю щ е е с я тем, что узел формирования весовых коэффициентов содержит последовательно соединенные счетчик импульсов, вход которого является входом узла, умножитель и элемент сравнения, первый и второй выходы которого подключены к первым входам первого и второго элементов И, вторые входы которых соединены с выходом генератора импульсов, а выходы подключены соответственно к суммирующему и вычитаюшему входам реверсивного счетчика импульсов, разрядные выходы которого являк гся соответствующими выходами узла формирования весо- вых коэффициентов, информационный выход реверсивного счетчика подключен к другому входу умножителя.

Формула изобретения

Источники информации, принятые во вин дание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР № 367423, кл. 6 06 Г 15/36, 1969.

2. Авторское свидетельство СССР

¹ 387372, кл. 5 06 Р 15/36, 1970 (прототип) .

1. Устройство для анализа случайных процессов., содержащее входной амплитуд- ЗО ный селектор, вход которого является входом устройства, а выходы соединены соответственно с информационными входамн .блоков канальных накопителей группы, генератор импульсов, ключи и группу 35 элементов И, о т л и ч а ю ш е е с я тем, что, с целью повышения точности анализа нестационарных процессов и повышения быстродействия, в него дополнительно введены узел формирования ве- 40 совых коэффициентов, распределитель, импульсов и элемент ИЛИ-НЕ, а каждый из группы блоков канальных накопителей содержит накапливающий сумматор, регистр сдвига. и три группы элементов И, 45 причем выход генератора импульсов подключен к тактовым входам распределителя импульсов и регистров сдвига каждого блока канальных накопителей группы, нулевой выход распределителя импульсов sa соединен с входами сброса накапливающих. сумматоров и с управляющими входами третьих групп элементов И каждого блока канальных накопителей и через ключ — с