СИГНАТУРНОЕ ЦИФРОВОЕ СГЛАЖИВАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
SIGNATURE SMOOTHING DIGITAL DEVICE

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в цифровых системах и устройствах для сглаживания стационарных и медленно меняющихся случайных процессов.
Известно адаптивное цифровое сглаживающее устройство (патент РФ №2444123, МПК Н03Н 17/04, 27.02.2012, бюл. №6), содержащее сумматор, два компаратора, блок задания соотношения отклонений, блок управления динамической характеристикой и два реверсивных счетчика. Устройство имеет сложную схему коммутации узлов и большой объем оборудования.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранное в качестве прототипа сигнатурное цифровое сглаживающее устройство (А.с. СССР №1092519, МПК G06F 15/353, 1982), содержащее сумматор, реверсивный счетчик, блок управления режимом работы и блок формирования серий отклонений одного знака подряд. Устройство также имеет относительно большой объем оборудования.
Техническая задача для предлагаемого устройства заключается в упрощении устройства, т.е. снижении аппаратурных затрат при его реализации.
Поэтому в сигнатурном цифровом сглаживающем устройстве, содержащем сумматор, блок приращений из двух элементов И и реверсивного счетчика, информационный вход которого подключен к первому входу сумматора и информационному входу устройства, второй вход сумматора соединен с инверсным выходом реверсивного счетчика; блок управления режимом работы (БУРР), включающий в себя два формирователя импульсов смены знака отклонений, элемент ИЛИ, два элемента И, счетчик отклонений одного знака подряд и триггер, инверсный («0») выход которого заведен на вторые входы обоих элементов И блока приращений, выход второго элемента И БУРР подключен к шине записи реверсивного счетчика, знаковый разряд сумматора напрямую и через ключ (элемент НЕ) подсоединен к соответствующим входам обоих формирователей импульсов БУРР и к первым входам обоих элементов И блока приращений, выходы которых подключены, соответственно, к суммирующему и вычитающему входам реверсивного счетчика; блок формирования серий одного знака подряд, содержащий элемент задержки, компаратор, регистр и элемент И, выход которого заведен на третьи входы обоих элементов И блока приращений, информационный вход регистра является входом задания параметра сглаживания, а выход регистра подключен к первому входу компаратора, для решения поставленной задачи информационный выход счетчика отклонений одного знака подряд БУРР напрямую подключен ко второму входу компаратора блока формирований серий одного знака подряд.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображены: на фиг. 1 - блок-схема устройства; на фиг. 2 - таблицы результатов моделирования работы устройства и прототипа.
Устройство содержит сумматор 1, инвертор 2, блок 3 управления режимом работы, содержащий формирователи импульсов 4, элемент ИЛИ 5, счетчик 6 отклонений одного знака подряд, два элемента И 7.1 и 7.2 и триггер 8, блок приращений 9, содержащий два элемента И 10 и реверсивный счетчик 11, блок 12 формирований серий отклонений, включающий в себя компаратор 13, регистр 14, элемент И 15 и элемент задержки 16, информационный вход 17, вход 18 ввода параметра сглаживания m, информационный выход 19 и тактовый вход 20.
Предложенное устройство, как и прототип, реализует модифицированный сигнатурный рекурсивный алгоритм сглаживания Фабиана (Сенин А.Г. Распознавание случайных сигналов. СО АН СССР, «Наука», 1974):
n
n-1
n
n
n-1
где X и Y - текущие дискреты исходной и сглаженной дискретной последовательности; ΔX=(X-Y) - текущее отклонение от медианы процесса;
m
j=1
n+1-j
n-j
Z=Π  (X-Y), где j=(1÷m), m=(2÷М) - параметр сглаживания или серия отклонений одного знака подряд. Причем функция σ(Z)=1 (истинна), когда текущие отклонения достигают m заданных отклонений одного знака подряд и σ(Z)=0 (ложна) при любом другом сочетании знаков отклонений. В устройстве функция σ(Z) реализуется в блоке 12 формирований серий отклонений.
Принцип сигнатурного сглаживания использует симметричность кривой плотности распределения сглаживаемых случайных процессов, т.е. появление «+» и «-» отклонений текущих дискрет процесса от его медианы для большинства известных законов распределения (нормального, равномерного и др.) равновероятно. Тоже можно утверждать о вероятности появления разнознаковых серий m отклонений одного знака подряд, которая для статистически независимых случайных процессов подчиняется геометрическому закону распределения (Дж. Поллард. Справочник по вычислительным методам статистики. М., «ФС», 1982, § 10.10, стр. 121)
где q=½ - вероятность разнознаковых серий.
n
n-1
Устройство работает в двух режимах. В первом (режим сглаживания) - после образования в первом такте на выходе сумматора 1 знака текущего отклонения (X-Y) тактирующий импульс со входа 20 через блок 12 и разрешения от триггера 8 блока 3 управления режимом работы формирует во втором такте приращение +1 при положительном отклонении (или -1 при отрицательном) в реверсивном счетчике 11 в соответствии с сигнатурной функцией (2).
Второй режим работы - динамический, на который устройство автоматически выходит при возрастании (или убывании), например, почти скачкообразном, медианы входной дискретной последовательности. Момент смены режима наступает при появлении серии из М отклонений одного знака подряд, причем величина М должна исключить появление такой серии на стационарном режиме. Пусть М=8, тогда из (3) имеем вероятность Р(х=М)=1/512≈0.002, т.е. ничтожно мала. Величина М=8 определяет разрядность счетчика 6. При поступлении 8-го подряд импульса со входа 20 в счетчик 6 «1» старшего (4-го) его разряда установит триггер 8 в «1». Последний разрешит запись текущих дискрет со входа устройства в счетчик 11 и блокирует через элементы И 10 работу блока приращений 9. По завершении динамического режима и выхода на стационарный в сумматоре 1 неизбежно возникают отклонения разных знаков, а при смене знака с «+» на «-» (или наоборот) начинают срабатывать формирователи импульсов 4, последние обнуляют счетчик 6 и триггер 8, т.е. устройство опять переходит на стационарный режим сглаживания.
Блок 12 формирования серий m отклонений одного знака подряд работает следующим образом. Со входа 18 в регистр 14 перед началом работы устройства записывается код серии m, определяющий заданную степень сглаживания. Тактирующий импульс со входа 20 при совпадении кода счетчика 6 блока управления 3 с m (выход компаратора «А=В») в зависимости от знака отклонения реализует оператор сглаживания (1).
Как видно из таблиц на фиг. 2, эффективность сглаживания предложенного устройства не хуже и даже несколько выше, чем у прототипа.