Патент на изобретение №2181501
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ВЗАИМНОЙ КОРРЕЛЯЦИИ СЛУЧАЙНЫХ СИГНАЛОВ
(57) Реферат: Изобретение относится к области вычислительной техники и может быть использовано для определения оценок коэффициента корреляции. Техническим результатом является повышение точности. Устройство содержит блок выделения знака, входные блоки, блок умножения, блок усреднения, генератор вспомогательного случайного сигнала, линейный усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, блок регулировки коэффициента усиления и блок сравнения. 1 з.п. ф-лы, 2 ил. Изобретение относится к специализированным средствам вычислительной и измерительной техники и может быть использовано для определения оценок нормированного значения коэффициента взаимной корреляции двух случайных сигналов. Известно устройство, работающее по принципу вычисления коэффициента взаимной корреляции сигналов и содержащее два входных блока, входы которых являются входами устройства, а выходы соединены с входами соответственно первой и второй формирующих цепей, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами каскада совпадений, выход которого соединен с входом индикатора (Галахова О.П., Колтик Е.Д., Кравченко С.А. Основы фазометрии. – Л.: Энергия, 1976. – С.135, рис.4-6, в). Недостатком этого устройства является низкая точность определения коэффициента взаимной корреляции из-за большой статистической погрешности, которая обусловлена знаковым методом измерения без применения вспомогательных сигналов. Отсутствие вспомогательных сигналов ведет также к неинвариантности измерения по отношению к законам распределения анализируемых сигналов, что ограничивает область применения данного устройства только для исследования сигналов с нормальным законом распределения. Кроме того, устройство не позволяет определять нормированное значение коэффициента взаимной корреляции. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство для вычисления коэффициента взаимной корреляции узкополосных процессов, содержащее первый и второй входные блоки, генератор гармонических сигналов, восемь блоков умножения, четыре блока усреднения, сумматор, блок регистрации, блок выделения знака и блок вычитания, причем входы устройства соединены с входами соответственно первого и второго входных блоков, выходы которых соединены с соответствующими первыми входами первого, второго, третьего и четвертого блоков умножения, вторые входы которых соединены с соответствующими выходами генератора гармонических сигналов, выходы первого, второго, третьего и четвертого блоков умножения соединены с входами соответствующих блоков усреднения, входы пятого блока умножения соединены с выходами первого и второго блоков усреднения, выход пятого блока умножения соединен с первым входом сумматора, второй вход которого соединен с выходом шестого блока умножения, входы которого соединены с выходами третьего и четвертого блоков усреднения, входы седьмого блока умножения соединены с выходами первого и четвертого блоков усреднения, входы восьмого блока умножения соединены с выходами второго и третьего блоков усреднения, выходы седьмого и восьмого блоков умножения соединены с входами блока вычитания, выход которого соединен с входом блока выделения знака, выход которого соединен с дополнительным входом блока регистрации, вход которого соединен с выходом сумматора (А.С. СССР 947873, МКИ G 06 G 7/19, БИ 28, 1982). Недостатком данного устройства является низкая точность определения коэффициента взаимной корреляции из-за погрешностей, вносимых восемью аналоговыми блоками умножения. Кроме того, как и в первом случае, данное устройство не позволяет определять нормированное значение коэффициента взаимной корреляции. Целью изобретения является повышение точности определения коэффициента взаимной корреляции случайных сигналов и упрощение устройства. Указанная цель достигается тем, что в устройство для определения коэффициента взаимной корреляции случайных сигналов, содержащее блок выделения знака, первый и второй входные блоки, входы которых являются соответственно первым и вторым входами устройства, блок умножения, выход которого соединен с входом блока усреднения, введены генератор вспомогательного случайного сигнала, линейный усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, блок регулировки коэффициента усиления и блок сравнения, причем выход генератора вспомогательного случайного сигнала соединен с информационным входом линейного усилителя с регулируемым коэффициентом усиления и с первым входом блока регулировки коэффициента усиления, выход первого входного блока соединен с первым входом блока сравнения, второй вход которого подключен к выходу линейного усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, выход блока сравнения соединен с первым входом блока умножения и с вторым входом блока регулировки коэффициента усиления, выход которого соединен с управляющим входом линейного усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, выход второго входного блока соединен с входом блока выделения знака, выход которого соединен с вторым входом блока умножения, выход блока усреднения является выходом устройства. Блок регулировки коэффициента усиления содержит блок выделения знака, блок умножения и блок усреднения, причем вход блока выделения знака является первым входом блока регулировки коэффициента усиления, а выход соединен с первым входом блока умножения, второй вход которого является вторым входом блока регулировки коэффициента усиления, выход блока умножения соединен с входом блока усреднения, выход которого является выходом блока регулировки коэффициента усиления. На фиг.1 представлена структурная схема устройства для определения коэффициента взаимной корреляции случайных сигналов; на фиг.2 – структурная схема блока регулировки коэффициента усиления. Устройство для определения коэффициента взаимной корреляции случайных сигналов содержит первый 1 и второй 2 входные блоки, генератор 3 вспомогательного случайного сигнала, линейный усилитель 4 с регулируемым коэффициентом усиления, блок 5 регулировки коэффициента усиления, блок 6 сравнения, блок 7 выделения знака, блок 8 умножения и блок 9 усреднения. Блок 5 регулировки коэффициента усиления содержит блок 10 выделения знака, блок 11 умножения и блок 12 усреднения. Входы первого 1 и второго 2 входных блоков являются соответственно первым и вторым входами устройства, а выходы соединены соответственно с первым входом блока 6 сравнения и с входом блока 7 выделения знака, выход генератора 3 вспомогательного случайного сигнала соединен с информационным входом линейного усилителя 4 с регулируемым коэффициентом усиления и с первым входом блока 5 регулировки коэффициента усиления, выход которого соединен с управляющим входом линейного усилителя 4 с регулируемым коэффициентом усиления, выход которого соединен с вторым входом блока 6 сравнения, выход которого соединен с первым входом блока 8 умножения и с вторым входом блока 5 регулировки коэффициента усиления, выход блока 7 выделения знака соединен с вторым входом блока 8 умножения, выход которого соединен с входом блока 9 усреднения, выход которого является выходом устройства. Первым входом блока 5 регулировки коэффициента усиления является вход блока 10 выделения знака, выход которого соединен с первым входом блока 11 умножения, второй вход которого является вторым входом блока 5 регулировки коэффициента усиления, выход блока 11 умножения соединен с входом блока 12 усреднения, выход которого является выходом блока 5 регулировки коэффициента усиления. Устройство работает следующим образом. Исследуемые сигналы x(t) и y(t) подаются соответственно на первый и второй входы устройства, то есть на входы соответственно первого 1 и второго 2 входных блоков. Первый 1 и второй 2 входные блоки осуществляют центрирование сигналов x(t) и y(t). Для этого в их составе используются центрирующие схемы. (В качестве центрирующих схем можно использовать фильтры верхних частот. См. , например, схему ВЧ-звена в книге: Справочник по расчету и проектированию ARC-схем / Букашкин С.А., Власов В.П., Змий Б.Ф. и др. – М.: Радио и связь, 1984. – С.196. Таблица 4.17.) Центрированные сигналы ![]() ![]() ![]() ![]() При этом величина А должна удовлетворять условию ![]() ![]() ![]() ![]() Сигнал ![]() ![]() ![]() где k – коэффициент усиления линейного усилителя 4 с регулируемым коэффициентом усиления. Коэффициент усиления k линейного усилителя 4 с регулируемым коэффициентом усиления изменяется по линейному закону под действием сигнала, поступающего на его управляющий вход с выхода блока 5 регулировки коэффициента усиления. (Линейный усилитель 4 с регулируемым коэффициентом усиления может быть выполнен на основе схемы, приведенной в книге: Применение прецизионных аналоговых микросхем / А.Г. Алексенко, Е.А. Коломбет, Г.И. Стародуб. – М.: Радио и связь, 1985, с. 93, рис. 2.11.) Сигнал ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() где Sgn{…} – оператор знаковой функции. Сигнал z1(t) с выхода блока 6 сравнения поступает на первый вход блока 8 умножения, на второй вход которого поступает сигнал с выхода блока 7 выделения знака ![]() При технической реализации устройства в качестве блока 6 сравнения и блока 7 выделения знака можно использовать интегральные компараторы (см. Нефедов А.В. Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги: Справочник. Т.5. – М.: КУбК-а, 1997. – С.113-119). В этом случае уровни логической единицы на выходах этих блоков будут соответствовать значению “+1” знаковых сигналов z1(t) и z2(t), а уровни логического нуля будут соответствовать значению “-1” этих сигналов. Сигнал с выхода блока 8 умножения, соответствующий произведению знаковых сигналов z1(t) и z2(t), поступает на вход блока 9 усреднения, который осуществляет оценку математического ожидания следующего вида ![]() где M[…] – оператор определения математического ожидания. Переходя в соотношении (6) от операторной формы к интегральной форме представления математического ожидания и принимая во внимание выражение (3), а также то, что вспомогательный сигнал ![]() ![]() ![]() где fxy(x,y) – совместная плотность распределения вероятностей сигналов ![]() ![]() Подставляя результат интегрирования (8) в выражение (7) и переходя обратно от интегральной к операторной форме представления математического ожидания, получаем, что математическое ожидание (6) будет равно ![]() Коэффициент усиления k линейного усилителя 4 с регулируемым коэффициентом усиления регулируется сигналом с выхода блока 5 регулировки коэффициента усиления. Рассмотрим более подробно работу блока 5 регулировки коэффициента усиления. На первый и второй входы блока 5 регулировки коэффициента усиления поступают соответственно сигналы ![]() ![]() z3(t) = Sgn{ ![]() При технической реализации устройства блок 10 выделения знака, входящий в состав блока 5 регулировки коэффициента усиления, так же как и блок 7 выделения знака, может быть реализован с использованием интегрального компаратора. Тогда уровень логической единицы на выход блока 10 выделения знака будет соответствовать значению “+1” знакового сигнала z3(t), а уровень логического нуля будет соответствовать значению “-1” этого сигнала. Сигнал z3(t) с выхода блока 10 выделения знака поступает на первый вход блока 11 умножения, на второй вход которого поступает сигнал z1(t). Сигнал с выхода блока 11 умножения, соответствующий произведению знаковых сигналов z1(t) и z3(t), поступает на вход блока 12 усреднения, который осуществляет оценку математического ожидания следующего вида ![]() Переходя в соотношении (11) от операторной формы к интегральной форме представления математического ожидания и принимая во внимание выражение (3), а также то, что вспомогательный сигнал ![]() ![]() ![]() где fx(x) – плотность распределения вероятностей сигнала ![]() ![]() Подставляя результат интегрирования (13) в выражение (12) и переходя обратно от интегральной к операторной форме представления математического ожидания, получаем, что математическое ожидание (11) будет равно ![]() Работа блока 8 умножения и аналогичного блока 11 умножения, входящего в состав блока 5 регулировки коэффициента усиления, сводится к произведению знаков, которое легко реализуется с помощью логической схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ (см. Макс Ж. Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях. М. : Мир, 1983. Том 1. С.154). Тогда в качестве блока 9 усреднения и аналогичного блока 12 усреднения, входящего в состав блока 5 регулировки коэффициента усиления, целесообразно использовать реверсивные счетчики с генератором счетных импульсов (см. Мирский Г.Я. Характеристики стохастической взаимосвязи и их измерения. – М.: Энергоиздат, 1982. С.197). В этом случае управление коэффициентом усиления k линейного усилителя 4 с регулируемым коэффициентом усиления будет осуществляться с помощью двоичного кода, который следует преобразовать в аналоговый сигнал. Для этого на выходе в схеме блока 5 регулировки коэффициента усиления необходимо предусмотреть применение цифроаналогового преобразователя (см. Применение прецизионных аналоговых микросхем / А. Г. Алексенко, Е.А. Коломбет, Г.И. Стародуб. – М.: Радио и связь, 1985, с. 91, 13-я строка сверху). Сигнал, описываемый выражением (14), с выхода блока 5 регулировки коэффициента усиления поступает на управляющий вход линейного усилителя 4 с регулируемым коэффициентом усиления. Под воздействием этого сигнала коэффициент усиления k линейного усилителя 4 с регулируемым коэффициентом усиления изменяется до тех пор, пока сигнал (14) на выходе блока 12 усреднения, входящего в состав блока 5 регулировки коэффициента усиления, не станет равным нулю. Практически это означает, что числитель выражения (14) будет равен нулю, то есть ![]() Отсюда следует, что ![]() Подставляя kA из выражения (16) в выражение (9), получаем, что в установившемся режиме работы на выходе блока 9 усреднения будем иметь оценку, соответствующую математическому ожиданию следующего вида ![]() Принимая во внимание, что ![]() получаем ![]() Нетрудно видеть, что величина (19) является оценкой ![]() ![]() ![]() Действительно, полученная оценка (20) нормированного коэффициента взаимной корреляции является безразмерной величиной и изменяется в пределах ![]() Приведенное описание показывает, что введение указанных блоков с новыми связями выгодно отличает предлагаемое устройство от устройства-прототипа. Сведение аналоговых операций умножения к произведению знаков позволяет существенно упростить устройство и уменьшить аппаратную погрешность. Все это позволяет повысить эффективность и точность определения коэффициента взаимной корреляции случайных сигналов, благодаря чему и достигается положительный эффект. Реализуется устройство на простых элементах, широко известных и применяемых в современной технике. Более того при современном уровне технологии разработки и производства интегральных микросхем в перспективе подобное устройство или отдельные его блоки могут быть реализованы в виде интегральных схем. Формула изобретения
РИСУНКИ
MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе
Дата прекращения действия патента: 28.03.2005
Извещение опубликовано: 20.02.2006 БИ: 05/2006
|
||||||||||||||||||||||||||