Пристрій для вимірювання коефіцієнтів незалежності відліків випадкових сигналів

Реферат: Пристрій для вимірювання коефіцієнта незалежності відліків випадкових сигналів належить до вимірювальної техніки, зокрема, до багатовимірних вимірювачів стохастичного зв'язку, і може бути використаний для прогнозування, ідентифікації систем, виділення сигналу із шуму. Пристрій містить n шин задання граничних напруг, елемент затримки, вхідну та вихідну шини, n двовходових граничних елементів. Один із входів двовходових граничних елементів підключений до однієї із n шин задання граничних напруг. Виходи граничних елементів об'єднані n-входовим елементом І, до виходу якого підключений основний t-потоковий інтегратор. Між виходом основного t-потокового інтегратора і вихідною шиною включений одним входом двовходовий елемент ділення. До виходів граничних елементів підключені n додаткових t-потокових інтеграторів, виходи яких об'єднані n-входовим перемножувачем, вихід якого підключений до іншого входу елемента ділення. Додатково введені n елементів затримки і n вхідних шин, входи елементів затримки підключені до вхідних шин, а виходи - до других входів двовходових граничних елементів. Технічним результатом є вимірювання коефіцієнта незалежності відліків нестаціонарних неергодичних випадкових сигналів з довільним розподілом імовірностей. UA 101384 C2 (12) UA 101384 C2 UA 101384 C2 5 10 15 20 Винахід належить до області вимірювальної техніки, зокрема до вимірників характеристик стохастичного взаємозв'язку, і може бути використаний для прогнозування, ідентифікації систем, виділення сигналу із шуму. Для визначення характеристик стохастичного взаємозв'язку випадкових процесів використовуються різноманітні принципи і технічні засоби (див., наприклад, книгу Мирский Г.Я. Характеристики стохастической взаимосвязи и их измерения. - М.: Энергоиздат, 1982.-320 с). В основному вони орієнтовані на вимірювання одновимірних розподілів імовірностей випадкових процесів. Для вимірювання багатовимірних розподілів імовірностей випадкових процесів, як правило, припускають їх нормальність, марковість або незалежність відліків. Зв'язано це з тим, що практично єдиним відомим багатовимірним розподілом імовірностей є багатовимірний нормальний розподіл, а припущення про марковість або незалежність відліків випадкового процесу дозволяє замінити багатовимірний розподіл добутком одновимірних розподілів або перехідних імовірностей. Таким чином, для випадкових процесів, що мають довільні розподіли імовірностей, єдиною мірою незалежності їх відліків є виконання умови рівності багатовимірного розподілу імовірностей добуткові відповідних одновимірних розподілів імовірностей (Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. Кн. 1.- М.: Советское радио.-1969.-752 с, на с. 88). Тобто, значення коефіцієнта C Fn x1, t  1;x 2 , t   2 ;...x n, t  n  , n  Fxi, t  i  i 1 де x(t) - аналізований випадковий процес, F(xi, t  i ) , i  1 n - одновимірні функції розподілу , 25 30 35 40 45 50 55 імовірностей відліків x( t  i ),i  1,n , Fn x1, t  1;x 2 , t  2 ;...xn, t  n  - n - вимірна функція розподілу імовірностей відліків процесу x(t) , показує ступінь незалежності відліків. Разом з тим мається досить широке коло задач, для яких припущення, наприклад, про нормальність або про марковість процесу не є коректним (аналіз аудіо- і відеосигналів). Відомий пристрій для вимірювання багатовимірних законів розподілу випадкових процесів, що містить елемент затримки з n виходами, вхід якого з'єднаний із вхідною шиною пристрою, а також вихідну шину, формувачі сигналів, вирішуючий блок, лічильники, елементи І, генератори одиничних імпульсів і експоненціальної напруги, перемножувачі, підсумовувачі, інтегратори, фільтр, індикатори щільності розподілу, функції розподілу і характеристичної функції (див. авт. свид. СССР № 1195363 по кл. G06G 7/52 за 1985 г., БИ №44). При надходженні випадкового процесу на вхід елемента затримки, на його виходах формуються n затриманих на різний час таких же процесів. Ці процеси підсилюються, підсумовуються і нормуються по тривалості. У результаті формуються сигнали подібності. Сигнали подібності цілком визначаються відповідними компонентами суміші розподілів, наприклад гаусовими компонентами суміші, що цілком характеризуються математичними сподіваннями і коваріаційними функціями. З максимальною імовірністю найбільший сигнал виникає на виході того каналу, імпульсна характеристика якого погоджена з реалізаціями відповідної підсукупності досліджуваного процесу. Функції розподілу і характеристична функція виходять інтегруванням підсумованого сигналу. З визначення багатовимірної функції розподілу імовірностей (див., наприклад, книгу Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. Кн. 1.- М.: Советское радио.-1969.752 с, на с. 55-59) видно, що математичне сподівання процесу на виході пристрою збігається з багатовимірною функцією розподілу імовірностей випадкового процесу. Отже, вимірювання багатовимірного розподілу імовірностей випадкового процесу зводиться до статистичного усереднення процесу, наприклад за часом. Недоліком відомого пристрою є те, що він не дозволяє вимірювати коефіцієнт незалежності відліків випадкових процесів. Як прототип вибраний пристрій для вимірювання коефіцієнта незалежності відліків випадкових процесів (див. патент України № 78034, кл. G06G 7/52 (2007/01), G06F 17/18, 2007 р., Бюл. № 2). Пристрій містить елемент затримки з n виходами, вхід якого з'єднаний із вхідною шиною, а також вихідну шину, в який введені n двовходових граничних елементів. Один із входів граничних елементів підключений до одного з виходів елемента затримки, інший вхід - до однієї із n шин задання граничних напруг. Виходи граничних елементів об'єднані n-входовим елементом І, до виходу якого підключений основний t-потоковий інтегратор. Між виходом 1 UA 101384 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 основного t -потокового інтегратора і вихідною шиною включений одним входом двовходовий елемент ділення, до виходів граничних елементів підключені n додаткових t-потокових інтеграторів, виходи яких об'єднані n-входовим перемножувачем, вихід якого підключений до іншого входу елемента ділення. Уведення додаткових t-потокових інтеграторів і перемножувача дозволяє одержати оцінки одновимірних функцій розподілу імовірностей випадкових процесів і добуток цих оцінок, що є необхідними для розрахунку коефіцієнта незалежності відліків випадкових процесів. Статистичне усереднення за часом дозволяє одержати багатовимірну функцію розподілу імовірностей випадкового процесу, а елемент ділення формує значення коефіцієнта незалежності відліків випадкового процесу. Недоліком прототипу є те, що він призначений для вимірювання коефіцієнта незалежності відліків стаціонарних ергодичних випадкових процесів з довільним розподілом імовірностей, які знаходяться по одній реалізації. В основу винаходу поставлена задача створення пристрою для вимірювання коефіцієнта незалежності відліків нестаціонарних неергодичних випадкових сигналів з довільним розподілом імовірностей. Поставлена задача вирішується тим, що у пристрої для вимірювання коефіцієнта незалежності відліків випадкових сигналів, що містить n шин задання граничних напруг, вихідну шину, n двовходових граничних елементів, один із входів яких підключений до однієї із n шин задання граничних напруг, виходи граничних елементів об'єднані n-входовим елементом І, до виходу якого підключений основний t-потоковий інтегратор, а між виходом основного tпотокового інтегратора і вихідною шиною включений одним входом двовходовий елемент ділення, до виходів граничних елементів підключені n додаткових t-потокових інтеграторів, виходи яких об'єднані n-входовим перемножувачем, вихід якого підключений до іншого входу елемента ділення, новим є те, що у нього введені n елементів затримки і n вхідних шин, входи елементів затримки підключені до вхідних шин, а виходи - до других входів двовходових граничних елементів. Уведення додаткових t-потокових інтеграторів і перемножувача дозволяє одержати оцінки одновимірних функцій розподілу імовірностей випадкових сигналів і добуток цих оцінок, що є необхідними для розрахунку коефіцієнта незалежності відліків випадкових сигналів. Статистичне усереднення за ансамблем реалізацій дозволяє одержати багатовимірну функцію розподілу імовірностей випадкового сигналі, а елемент ділення формує значення коефіцієнта незалежності відліків випадкового сигналу. Суть винаходу пояснюється кресленням, де показана структурна схема пристрою для вимірювання коефіцієнта незалежності відліків випадкових сигналів. Пристрій для вимірювання коефіцієнта незалежності відліків випадкових сигналів містить n вхідних шин 1, до яких підключені n елементів затримки 2 (креслення). До кожного виходу елемента затримки 2 підключені одним входом двовходові граничні елементи 3, інші входи яких приєднані до однієї з n шин 4 задання граничних напруг. Виходи граничних елементів 3 об'єднані n-входовим елементом І 5, до виходу якого підключений основний t-потоковий інтегратор 6. До виходу інтегратора 6 підключений одним входом двовходовий елемент ділення 7, вихід якого приєднаний до вихідної шини 8. До виходу кожного граничного елемента 3 підключений додатковий t-потоковий інтегратор 9, виходи яких об'єднані n-входовим перемножувачем 10. Вихід перемножувача 10 приєднаний до іншого входу елемента ділення 7. Реалізації нестаціонарного неергодичного випадкового сигналу xi (t) з довільним розподілом імовірностей, наприклад реалізації аудіо- або відеосигналу, по вхідних шинах 1 надходять на входи елементів затримки 2 (креслення). Затримані на різний час сигнали xi ( t  i ), i  i,n квантуються за рівнем за допомогою граничних елементів 3 (наприклад компараторів) відповідно до правила 50 55 1при x i ( t  i )  x i Xi ( x i , t  i )   , i  1,n. 0 при x i ( t  i )  x i Тобто, якщо миттєві значення затриманих випадкових сигналів менше миттєвих значень граничних напруг, які установлені за допомогою шин 4, то на виході граничних елементів 3 виробляється високий рівень сигналу, у протилежному випадку - низький рівень. Квантовані сигнали, що знімаються з виходів граничних елементів 3, надходять на елемент збігу 15, що формує сигнал Fn x1, t  1;x 2 , t  2 ;...x n, t  n   n  Xi ( x1, t  1). i 1 2 UA 101384 C2 Цей сигнал обробляється основним t-потоковим інтегратором 6, унаслідок чого формується 5 оцінка Fn* ( x1, t  1;x 2 , t   2 ;...x n, t  n ) для тих же затриманих сигналів xi ( t  i ), i  i,n . Принцип роботи t-потокового інтегратора описаний, наприклад, у книзі: Г.Я. Мирский. Апаратурное определение характеристик случайных процессов. - М.: Энергия, 1972.-456 с, на с. 61-76. Сформована в такий спосіб оцінка n-вимірної функції подається на один із входів двовходового елемента ділення 7. Одночасно сигнали, що знімаються з виходів граничних елементів 3 подаються на входи додаткових t-потокових інтеграторів 9. Ці інтегратори формують оцінки , F * (xi, t  i ) , i  1 n одновимірних функцій розподілу імовірностей сигналів 10 x( t  i ),i  1,n . Отримані оцінки F * (xi, t  i ) , i  1 n перемножуються за допомогою n-входового перемножувача , 10, у результаті чого виробляється добуток n Yn* ( x1, t  1;x 2 , t  2 ;...xn, t  n )   F * (xi , t  i ), i 1 який надходить на інший вхід елемента ділення 7. На виході елемента ділення 7 виробляється сигнал, величина якого відображає оцінку коефіцієнта незалежності відліків 15 20 xi ( t  i ), i  i,n вхідного сигналу x(t). Сигнал, що знімається з виходу елемента ділення 7, надходить у вихідну шину 8. З отриманих результатів оцінки коефіцієнта незалежності відліків випливає, що пропонований пристрій досить ефективний і може бути рекомендований для практичного застосування. На відміну від прототипу пропонований пристрій дозволяє вимірити коефіцієнт незалежності відліків для нестаціонарних неергодичних випадкових процесів з довільним розподілом імовірностей. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 25 30 Пристрій для вимірювання коефіцієнта незалежності відліків випадкових сигналів, що містить n шин задання граничних напруг, елемент затримки, вхідну та вихідну шини, n двовходових граничних елементів, один із входів яких підключений до однієї із n шин задання граничних напруг, виходи граничних елементів об'єднані n-входовим елементом І, до виходу якого підключений основний t-потоковий інтегратор, а між виходом основного t-потокового інтегратора і вихідною шиною включений одним входом двовходовий елемент ділення, до виходів граничних елементів підключені n додаткових t-потокових інтеграторів, виходи яких об'єднані nвходовим перемножувачем, вихід якого підключений до іншого входу елемента ділення, який відрізняється тим, що у нього додатково введені n елементів затримки і n вхідних шин, входи елементів затримки підключені до вхідних шин, а виходи - до других входів двовходових граничних елементів. 3 UA 101384 C2 Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4