Цифровое сглаживающее устройство
DIGITAL SMOOTHER

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано для сглаживания стационарных и нестационарных случайных процессов, в том числе в системах беспилотного управления.
Известно адаптивное цифровое сглаживающее устройство (патент РФ №2714613, МПК G06F 17/17, 2020), содержащее арифметический блок из двух сумматоров, регистра сдвига и запоминающего регистра, субблок расчета скорости медианы процесса (МП), буфер регистровой памяти, блоки инверторов и формирования импульсов сдвига, субблок выбора коэффициента сглаживания по скорости МП. Устройство имеет сложную схему коммутации узлов и блоков.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является, выбранное в качестве прототипа, многоканальное цифровое сглаживающее устройство (а.с. СССР №748417, МПК G06F 15/32, бюл. №26, 1980), содержащее формирователь тактов и m последовательно соединенных каналов, каждый из которых содержит комбинационный сумматор и регистр. Устройство имеет относительно большой объем оборудования, в частности, для повышения точности (эффективности) сглаживания, т.е. минимизации среднеквадратического отклонения (СКО) сглаживаемого случайного процесса (СП), следует задавать достаточно большое фиксированное число каналов сглаживания m (см. фиг. 2). Техническая задача для предлагаемого устройства заключается в существенном упрощении прототипа, т.е. снижении аппаратурных затрат, без какого-либо ущерба для точности (эффективности) сглаживания.
Поэтому, в цифровом сглаживающем устройстве, содержащем три последовательно соединенных канала, каждый из которых состоит из первого n - разрядного комбинационного сумматора, выход которого через первый к - разрядный (к=n) запоминающий регистр подключен к шинам первых входов второго комбинационного сумматора, на шину второго входа первого разряда которого заведен потенциал источника напряжения логической «1», выход второго сумматора подключен на вход второго регистра, выход которого является входом для следующего канала или выходом устройства с третьего (последнего) канала^ тактирующий вход канала подключен к шине записи первого регистра, через первый элемент задержки к шине записи второго регистра и через второй элемент задержки к тактическому выходу канала, для решения поставленной задачи к - разрядные шины входной дискреты сглаживаемого случайного процесса, монтажно сдвинутые вправо на два разряда, т.е. начиная с 3-го разряда, подсоединены к шинам первых входов первого сумматора, выходные шины второго регистра, начиная с 4-го разряда, монтажно сдвинутые вправо на два разряда, заведены, начиная со 2-го разряда, на шины вторых входов первого сумматора, а выходные шины, начиная с 3-го разряда, монтажно сдвинутые вправо на один разряд, подключены, начиная со 2-го разряда, к шинам вторых входов второго сумматора, а второй вход первого разряд первого сумматора канала подключен к источнику напряжения логической «1».
В каждом канале предложенного устройства и прототипа, реализован оператор экспоненциального сглаживания Брауна:
i
где x - входная дискрета;
1
y - выходная дискрета сглаженного СП;
α - коэффициент сглаживания.
В прототипе установлен коэффициент α = ½ в предложенном устройстве принят коэффициент сглаживания равный α = 1/4 и для решения соответствующего ему уравнения
у
y
в канале требуется два сумматора, а операция деления слагаемых в уравнении (2) на четверть и пополам заменяется монтажным сдвигом входных дискрет слагаемых, соответственно, на два (1/4) или на один (1/2) разряд вправо. Возникающая при этом погрешность усечения (отбрасывания) имеет отрицательный знак и составляет, в среднем, при сдвиге на два разряда: е=-1,5, на один разряд: e = -0,5.
д
д
Для компенсации погрешности усечения вводится погрешность добавления, имеющая положительный знак, соответственно, для (1/4) е=+1,5 и для (1/2) е=+0,5. Погрешность добавления образуется путем ввода положительного (высокого) уровня потенциала логической «1» на шины вторых входов первых разрядов обоих сумматоров. При сложении слагаемых эти погрешности компенсируют друг друга.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображены:
фиг. 1 - блок-схема одного канала предлагаемого трехканального устройства;
фиг. 2 - результаты моделирования на ЭВМ работы прототипа: m - канального сглаживающего устройства с одним сумматором в каналец
фиг. 3, 4 и 5 - результаты моделирования на ЭВМ работы предлагаемого 3-х канального сглаживающего устройства с двумя сумматорами в каждом каналец
фиг. 3 - результат моделирования работы устройства без компенсации погрешности усечения всех трех слагаемых в уравнении (2) - результат отрицательный: существенное снижение среднего значения (медианы) сглаживаемой реализации;
фиг. 4 - результат моделирования работы устройства с компенсацией погрешности усечения для всех слагаемых в уравнении (2): наблюдается определенное увеличение среднего значения сглаживаемой реализации (перекомпенсация);
i-1
фиг. 5 - результаты моделирования работы оптимального варианта реализации предлагаемого 3-х канального сглаживающего устройства с компенсацией погрешности усечения только для 2-х слагаемых в уравнении (2): выходных дискрет y канала.
Устройство состоит из трех последовательно соединенных каналов, каждый из которых (см. фиг. 1) содержит первый комбинационный сумматор 1, первый запоминающий регистр 2, второй комбинационный сумматор 3, второй запоминающий регистр 4, информационные вход 5 и выход 6, тактирующие вход 7 и выход 8, элемент задержки 9.
В соответствии с уравнением (2) цикл работы канала состоит из двух тактов: в первом - управляющий импульс со входа 7 фиксирует сумму двух слагаемых в первом регистре, через элемент задержки 9 во втором такте записывает во второй регистр результат суммирования и через очередной элемент задержки 9 поступает на тактирующий выход 8, а с него на тактирующий вход 7 следующего канала, производя операции аналогичные описанному выше циклу.
Если для получения результата сглаживания (уровня СКО между исходным и сглаженным СП) с выхода второго канала заявленного устройства (см. фиг. 5, d=2) задействовано четыре сумматора, то аналогичный результат в прототипе достигается только с выхода 16-го канала (см. фиг. 2, m=16), т.е. следует задействовать 16 сумматоров.