ВЕРОЯТНОСТНОЕ УСТРОЙСТВО ВЫЧИСЛЕНИЯ СПЕКТРАЛЬНОЙ ПЛОТНОСТИ СИГНАЛА
PROBABILISTIC DEVICE FOR CALCULATING SPECTRAL DENSITY OF SIGNAL

Изобретение относится к области телерадиокоммуникационной и измерительной техники и может быть использовано в устройствах обработки сигналов.
Известны устройства аналогичного назначения, построенные на основе специализированных арифметико-логических устройств, которые состоят из умножителей и сумматоров [Потехин Д.С., Тарасов И.Е. Разработка систем цифровой обработки сигналов на базе ПЛИС. - М.: Горячая линия - Телеком, 2007. - С. 75]. Основными их недостатками являются сравнительно большой аппаратный объем и низкое быстродействие.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка устройства для вычисления спектральной плотности сигнала при вероятностном представлении данных, обладающего малым аппаратным объемом и способностью обрабатывать сигнал в масштабе реального времени.
Решение технической задачи достигается путем использования вероятностной формы представления данных, в связи с чем изменяется аппаратная реализация основных математических операций.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является уменьшение аппаратного объема устройства вычисления спектральной плотности сигнала при сохранении точностных характеристик и возможности обработки входного сигнала в масштабе реального времени, это достигается путем замены в прототипе цифровых умножителей на вероятностные множительные устройства, а накопительных цифровых сумматоров - на двоичные счетчики, обеспечивающие выполнение операции вероятностного сложения.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображена функциональная схема вероятностного устройства вычисления спектральной плотности сигнала, где:
1.1, 1.2 - постоянное запоминающее устройство (ПЗУ);
2.1, 2.2 - вероятностное множительное устройство (ВМУ);
3 - счетчик операндов (СО);
4.1, 4.2 - счетчик результатов (CP);
5.1, 5.2 - блок переписи результатов (БПР).
Устройство рассчитано на вычисление спектральной плотности сигнала последовательности из N отсчетов и получение K-полосного спектра. На этапе проектирования устройства в ПЗУ1 (1.1) и ПЗУ2 (1.2) заносятся m=N*K заранее вычисленных значений косинусов и синусов соответственно. На вход подаются двоичные значения входного сигнала х(n). Эти значения по одному поступают на входы ВМУ1 (2.1) и ВМУ2 (2.2), где преобразуются в вероятностную форму представления. Одновременно с ними на ВМУ1 (1.1) и ВМУ2 (1.2) поступают значения косинусов и синусов из ПЗУ1 (1.1) и ПЗУ2 (1.2) соответственно, которые также преобразуются в вероятностную форму. По мере формирования вероятностных отображений поступивших значений выполняются операции вероятностного умножения, а их результаты в виде сигнала «0» или «1» поступают на СР1 (4.1) и СР2 (4.2). По окончании выполнения операции умножения над операндами формируется управляющий сигнал, который увеличивает значение СО (3), а на входы ВМУ (1.1 и 1.2) подаются следующие операнды. Когда на СО (3) значение достигнет N, что означает окончание вычисления k-й полосы спектра, формируется управляющий сигнал, который разрешает БПР1 (5.1) и БПР2 (5.2) считать результаты с СР1 (3.1) и СР2 (3.2) соответственно. БПР1 (5.1) и БПР2 (5.2) выполняют обратное преобразование вероятность-число и подают на выход устройства действительную и мнимую часть k-го значения спектра -  и . Далее процесс повторяется до тех пор, пока не будут получены все К значений спектра.
Вычисления k-го значения спектра представлены комплекснозначным значением и выполняются согласно формуле (1)
где  и
При вероятностном представлении данных формула (1) примет вид
i
n
где L - количество статистических испытаний при выполнении вероятностных операций, y(x) - i-е значение вероятностного отображения n-го члена последовательности х(n),  - i-e значение вероятностного отображения m-го значения  - i-e значение вероятностного отображения m-го значения .
Процессы в схеме предлагаемого устройства протекают в следующей последовательности.
В начале работы все счетчики сбрасываются, после чего начинается выполнение вычисления. На оба ВМУ (2.1 и 2.2) подается первое значение последовательности х(n). В это же время значение косинуса из ПЗУ1 (1.1) подается в ВМУ1 (2.1), а значение синуса из ПЗУ2 (1.2) - в ВМУ2 (2.2). Далее ВМУ (2.1 и 2.2) выполняют операцию умножения и выдают результат в СР1 (4.1) и СР2 (4.2), то есть выполняются операции согласно формулам (3) и (4) для ВМУ1 (2.1) и ВМУ2 (2.2) соответственно:
По завершении выполнения умножения ВМУ передает управляющий сигнал на СО (3) для увеличения в нем значения на единицу и получения следующих операндов. Затем снова производится операция умножения со следующей парой операндов. СР1 (4.1) и СР2 (4.1) выполняют накапливающее суммирование, то есть реализуют операции согласно формулам (5) и (6)
Когда на СО (3) все биты равны единице, то формируется управляющий сигнал для БПР1 (5.1) и БПР2 (5.2), означающий, что результаты выполнения операций согласно формулам (5) и (6) получены на СР1 (4.1) и СР2 (4.2) и могут быть поданы на выход устройства через БПР1 (5.1) и БПР2 (5.2), которые реализуют операции согласно формулам (7) и (8)
На выходе устройства формируются выходные сигналы  и , которые соответствуют действительной и мнимой части комплекснозначного результата.
После этого процесс повторяется до тех пор, пока не будут получены все К значений преобразуемой последовательности.
Технико-экономическая эффективность предлагаемого устройства вычисления спектральной плотности сигнала на основе вероятностного представления информации состоит в уменьшении его аппаратного объема при сохранении точностных характеристик и возможности обработки входного сигнала в реальном масштабе времени.