專利名稱：信號(hào)統(tǒng)計(jì)測(cè)定的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于確定信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性的方法和裝置，以及特別但不是專門適用于連續(xù)時(shí)間隨機(jī)或混雜或無規(guī)律特性的信號(hào)的特性。
背景技術(shù)：
例如，為了信號(hào)分類，或監(jiān)視或預(yù)測(cè)信號(hào)特性，有許多需要分析信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性的情況。如將在下面詳細(xì)描述的例如使用這種測(cè)定的一個(gè)例子是用在密碼術(shù)中的隨機(jī)數(shù)生成。可將隨機(jī)或混雜噪音信號(hào)應(yīng)用于數(shù)字器，該數(shù)字器以預(yù)定的采樣間隔采樣信號(hào)并輸出由隨機(jī)數(shù)構(gòu)成的信號(hào)的數(shù)字表示。為了效率，采樣間隔應(yīng)當(dāng)短。然而，短的采樣可能導(dǎo)致并非彼此統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的隨機(jī)數(shù)。因此，希望分析噪音信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性，以便允許測(cè)定產(chǎn)生統(tǒng)計(jì)上獨(dú)立的隨機(jī)數(shù)所需的最小采樣間隔。
有許多信號(hào)統(tǒng)計(jì)測(cè)定有用的其他環(huán)境。當(dāng)信號(hào)表示一個(gè)源的物理參數(shù)方面的變化時(shí)，可使用統(tǒng)計(jì)分析來分類該源。例如，每個(gè)信號(hào)可表示圖象中的變化，以及可使用統(tǒng)計(jì)評(píng)定來對(duì)圖象的主題分類。類似地，統(tǒng)計(jì)分析可用于聲音，諸如語音或音樂的分類。
已知的分析技術(shù)包括頻域(或頻譜)方法，以及時(shí)域方法。時(shí)域方法通常是必要的，以便提供所需的信息，并且通常是基于信號(hào)的自相關(guān)的。
然而，傳統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)是基于隱含假設(shè)感興趣的信號(hào)為高斯的，并且當(dāng)在時(shí)間的正向中考慮時(shí)的信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性與在時(shí)間的反向中的對(duì)應(yīng)。由于相關(guān)函數(shù)對(duì)時(shí)間方向不敏感的事實(shí)，喪失了特性中的任何不對(duì)稱性。實(shí)際上，被監(jiān)視的許多信號(hào)實(shí)際上是非高斯的。以標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)技術(shù)，不能檢測(cè)這些信號(hào)中的非線性相關(guān)性。
因此，希望提供用于分析信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性的方法和裝置，其提供比現(xiàn)有技術(shù)更有用的結(jié)果。

發(fā)明內(nèi)容
在附加權(quán)利要求書中陳述了本發(fā)明的諸方面。
根據(jù)另一方面，檢驗(yàn)信號(hào)以檢測(cè)多個(gè)事件，每個(gè)事件當(dāng)越過閾值電平時(shí)，對(duì)應(yīng)于采用預(yù)定斜度的信號(hào)。(在優(yōu)選實(shí)施例中，如果斜度是例如為正而不是為負(fù)，則認(rèn)為信號(hào)具有預(yù)定斜度。因此，當(dāng)其電平上升，該信號(hào)越過該閾值(即，處于每個(gè)“向上穿越”)，或當(dāng)其電平正下降時(shí)，該信號(hào)越過該閾值(即，每個(gè)“向下穿越”)時(shí)，產(chǎn)生每個(gè)事件。)從該單個(gè)信號(hào)導(dǎo)出該信號(hào)的多種型式(最好為相同副本)，以及相對(duì)于彼此移動(dòng)以致每個(gè)型式包含與在其他型式中的各個(gè)不同事件相符的事件。然后，通過例如，取平均數(shù)，來組合多個(gè)型式(其中術(shù)語“取平均數(shù)”在此包括求和)。
合成函數(shù)是對(duì)檢測(cè)事件之前和之后的信號(hào)平均特性的度量。為方便起見，在此將該函數(shù)稱為“交叉函數(shù)(crosslation function)”，并將安排來導(dǎo)出該函數(shù)的裝置將稱為“交叉器(crosslator)”。如果其所基于的事件為向上穿越(upcrossing)，將該函數(shù)稱為“前向交叉(forward crosslation)”函數(shù)，而如果其所基于的事件為向下穿越，則將該函數(shù)稱為“后向交叉”。
隨交叉函數(shù)所基于的事件的閾值電平和類型而定的一個(gè)信號(hào)的交叉函數(shù)的形狀將包含有關(guān)輸入信號(hào)的有用信息。在相對(duì)于原點(diǎn)(定義成結(jié)合各個(gè)事件的點(diǎn))的指定點(diǎn)，函數(shù)的振幅表示在相對(duì)于每個(gè)事件的相應(yīng)時(shí)間處朝向一具體值的輸入信號(hào)偏離。
另外，不同交叉(特別是正向和反向交叉)的形狀間的關(guān)系包含另外的有用信息。將理解到當(dāng)信號(hào)實(shí)時(shí)反向時(shí)，向下穿越等效于向上穿越。因此，時(shí)間可逆信號(hào)對(duì)任何指定閾值電平將顯示出對(duì)稱的正向和反向交叉函數(shù)。因此，這些函數(shù)間的關(guān)系將是有關(guān)輸入信號(hào)的時(shí)間可逆性的指示器。
另外，一個(gè)或多個(gè)交叉函數(shù)的形狀的改變也可包含有關(guān)輸入信號(hào)的特性的有用信息。
因此，本發(fā)明的裝置最好抽取依賴于一個(gè)或多個(gè)交叉函數(shù)的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)以便提供表示輸入信號(hào)的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)的值或系列值。
例如，在下述實(shí)施例中，調(diào)查正向和反向交叉函數(shù)以便確定在它們與采樣脈沖間的間隔一致的點(diǎn)處的振幅，所述采樣脈沖用來采樣用于隨機(jī)數(shù)生成的隨機(jī)輸入信號(hào)。如果振幅顯著地背離于輸入信號(hào)的平均值，這暗示以該間隔采樣將導(dǎo)致連續(xù)采樣值中的偏離，這將降低它們的獨(dú)立性。因此，分析裝置的輸出可用來表示或校正該不希望的情況。


現(xiàn)在，通過參考附圖的例子的方式來描述具體實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的裝置，其中圖1描述包括根據(jù)本發(fā)明的信號(hào)分析裝置的隨機(jī)數(shù)生成器；圖2a)和2b)表示由圖1的生成器使用的混雜信號(hào)x(t)；圖3描述混雜信號(hào)x(t)段以及在該信號(hào)段中觀察到的具有一個(gè)級(jí)別的所有向上穿越電平的多個(gè)軌跡；圖4描述當(dāng)疊加時(shí)的圖3的軌跡；圖5表示通過對(duì)圖4中的軌跡進(jìn)行平均獲得的混雜信號(hào)x(t)的經(jīng)驗(yàn)正向交叉函數(shù)CL+(τ)；圖6描述混雜信號(hào)x(t)的經(jīng)驗(yàn)反向交叉函數(shù)CL-(τ)；圖7是圖1的生成器的監(jiān)視單元的框圖，該單元包含信號(hào)分析裝置；圖8描述對(duì)三個(gè)不同交叉電平L(a)L＝3σ；(b)L＝2σ；(c)L＝σ，實(shí)驗(yàn)獲得的經(jīng)驗(yàn)正向交叉函數(shù)的形狀，其中σ為調(diào)查研究中信號(hào)的均方根值；圖9是圖7的單元的時(shí)移比較器的操作的流程圖；圖10描述交叉和函數(shù)SL(τ)和交叉差函數(shù)DL(τ)的形狀；圖11是圖7的信號(hào)分析裝置的改進(jìn)型式的框圖；以及圖12表示信號(hào)分析裝置的不同改進(jìn)型式；具體實(shí)施方式
參考圖1，該圖表示使用根據(jù)本發(fā)明的信號(hào)分析裝置的隨機(jī)數(shù)生成器。
隨機(jī)數(shù)生成器包括生成混雜輸出信號(hào)x(t)的物理隨機(jī)信號(hào)源(PRS)。在圖2a)和2b)的每一個(gè)中示出了該信號(hào)x(t)的典型的波形。
將信號(hào)x(t)提供給模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)，該轉(zhuǎn)換器還從采樣脈沖生成器(SPG)接收采樣脈沖。以與采樣脈沖間的周期一致的間隔，由采樣器(SMP)對(duì)混雜信號(hào)x(t)采樣，并將每個(gè)模擬輸出提供給振幅量化器(QUA)。該量化器與模擬輸入采樣相比，生成J個(gè)不同量化電平。在輸出(OP)，根據(jù)模擬采樣電平，生成數(shù)字電平數(shù)。
因此，以與采樣脈沖間的周期對(duì)應(yīng)的間隔，隨機(jī)數(shù)生成器生成分布在范圍O至J內(nèi)的隨機(jī)數(shù)。
迄今所述的系統(tǒng)是已知的。在圖1的實(shí)施例中，提供了監(jiān)視裝置(MON)。該裝置從量化器(QUA)接收混雜信號(hào)x(t)以及量化電平1至J并生成監(jiān)視輸出(MOP)，該監(jiān)視輸出表示是否能期望隨機(jī)數(shù)為統(tǒng)計(jì)上獨(dú)立，如將在下面進(jìn)一步描述的。
圖7中示出了根據(jù)本發(fā)明的監(jiān)視裝置(MON)，并包括信號(hào)分析裝置(在此也稱為交叉器)(CRS)。該裝置接收信號(hào)x(t)并且還通過并-串聯(lián)轉(zhuǎn)換器(PTS)連續(xù)地接收每個(gè)量化電平信號(hào)1至J。該交叉器(CRS)在輸出(CFO)將交叉函數(shù)輸出給時(shí)移比較器(TSC)(如下所述)。該時(shí)移比較器(TSC)導(dǎo)出信號(hào)MSI，該信號(hào)MSI表示獲得統(tǒng)計(jì)上獨(dú)立的采樣所需的最小采樣間隔。比較器(CMP)將該值與表示當(dāng)前采樣脈沖間隔的值SPI進(jìn)行比較。比較器生成監(jiān)視輸出(MOP)，該監(jiān)視輸出表示當(dāng)前采樣脈沖間隔是否超過計(jì)算的最小采樣間隔，它應(yīng)當(dāng)用于校正操作。
將參考圖2至6，描述交叉器(CRS)的操作原理。
參考圖2a)，該圖表示信號(hào)x(t)，該信號(hào)x(t)表示時(shí)間上連續(xù)的隨機(jī)、混雜或其他不規(guī)則過程，以及恒定水平值(閾值)L。存在時(shí)間瞬間，在這些時(shí)瞬間，信號(hào)x(t)將電平L與正斜率交叉。結(jié)果時(shí)間瞬間t1+，t2+，...，τk-1+，τk+，τk+1+，...
形成一組向上穿越電平L；這些向上穿越在圖2a中用點(diǎn)標(biāo)記。
選擇那些向上穿越中的任何一個(gè)，假定tk+，并認(rèn)為在時(shí)間瞬間tk+前后的信號(hào)x(t)。與向上穿越有關(guān)的信號(hào)軌跡xk+(τ)由下式來定義xk+(τ)=x(tk++τ)]]>其中τ是相對(duì)時(shí)間。因此，選定的軌跡xk+(τ)，如圖3中所示，是被檢查的信號(hào)經(jīng)x(t)的時(shí)移副本。不管基底信號(hào)(underlying signal)x(t)的時(shí)間原點(diǎn)t＝0如何，作為相對(duì)時(shí)間τ的函數(shù)的軌跡xk+(τ)總包含原點(diǎn)τ＝0。
根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，電平L的每個(gè)向上穿越定義基本信號(hào)x(t)的相應(yīng)的時(shí)移副本。圖3單獨(dú)和順序地描述由在所述的信號(hào)段x(t)中的電平L的所有向上穿越生成的軌跡。所有向上穿越相合，因?yàn)樗鼈児餐x和共享相對(duì)時(shí)間τ的相同原點(diǎn)τ＝0。
在圖4中疊加示出的圖3的軌跡作為相對(duì)時(shí)間τ的函數(shù)。
可能平均與在{ti+(τ)，i＝1，2，...k-1，k，k＝1，...}時(shí)的相應(yīng)向上穿越相關(guān)的軌跡{xi+(τ)，i＝1，2，...k-1，k，k＝1，...}以便導(dǎo)出函數(shù)CL+(τ)，在此將函數(shù)CL+(τ)稱為正向交叉(FC)函數(shù)。為示例目的，圖5描述通過平均如圖4所示的軌跡獲得的經(jīng)驗(yàn)正向交叉函數(shù)CL+(τ)。該函數(shù)特性化在電平L的交叉點(diǎn)的情況下的信號(hào)x(t)的平均特性，并將視相對(duì)時(shí)間τ而定。具體來說，通過構(gòu)造，τ＝0時(shí)的值簡(jiǎn)單地等于L，可從圖4導(dǎo)出。對(duì)大值τ，CL+(τ)趨向基本主要過程x(t)的平均值A(chǔ)V，因?yàn)橛嘘P(guān)向上穿越的相關(guān)性變?yōu)榱恪?br> 用相似的方式，在信號(hào)x(t)使電平L與負(fù)低斜率交叉時(shí)，確定時(shí)間瞬間，在圖2b)中示出了最終的時(shí)間瞬間，t1-，t2-，...，tk-1-，tk-；，tk+1-，...
形成電平L的一組向下穿越。
通過參考圖3至5所述的過程，可導(dǎo)出函數(shù)CL-(τ)，如圖6所示，除其是基于向下穿越而不是向上穿越外，與正向交叉函數(shù)CL+(τ)一致。因此，該函數(shù)表示在電平L的向下穿越的情況下的平均特性x(t)。
應(yīng)注意到對(duì)信號(hào)x(t)的電平L的向下穿越與對(duì)基本信號(hào)x(t)的時(shí)間反轉(zhuǎn)拷貝x(-t)的電平L的向上穿越重合。因此，基于向下穿越的交叉函數(shù)CL-(τ)將稱為反向交叉(BC)函數(shù)。同時(shí)，在這種情況下，CL-(τ)=L,]]>以及CL-(｜τ｜)接近用于大值τ的平均值A(chǔ)V。
當(dāng)確定正向和反向交叉函數(shù)用于假定僅用于正值的單極信號(hào)時(shí)，閾值電平L總是為正。然而，在雙向信號(hào)的情況下，可能有幾種方法1.僅使用非負(fù)(或非正)閾值電平；2.正和負(fù)(包括0)閾值電平能用于信號(hào)處理；3.僅使用非負(fù)(或非正)閾值，但處理初始信號(hào)及其反轉(zhuǎn)極性的復(fù)本。
正向交叉(FC)函數(shù)和反向交叉(BC)函數(shù)在調(diào)查研究中提供過程的有用特征。例如，為相對(duì)時(shí)間τ的正值，正向交叉(FC)函數(shù)便于預(yù)測(cè)過程的未來值，假定在具有正斜率的預(yù)定電平，在某些時(shí)間瞬間時(shí)該過程交叉。對(duì)負(fù)值τ，正向交叉(FC)函數(shù)描述在上交叉時(shí)間瞬間之前的過程的平均特性。
用相似的方式，反向交叉(BC)函數(shù)便于預(yù)測(cè)假定過程在具有負(fù)低斜率的預(yù)定電平交叉時(shí)的過程的未來值。對(duì)相對(duì)時(shí)間τ的負(fù)值，反向交叉(BC)函數(shù)描述下交叉時(shí)間瞬間之前的過程的平均特性。
當(dāng)在反轉(zhuǎn)時(shí)間中檢查該過程時(shí)，正向交叉(FC)函數(shù)和反向交叉(BC)函數(shù)的角色互換。因此，對(duì)時(shí)間可反轉(zhuǎn)過程來說，正向交叉(FC)函數(shù)和反向交叉(BC)函數(shù)是相互的鏡象。因此，能使用正向交叉(FC)函數(shù)和反向交叉(BC)函數(shù)來測(cè)試感興趣的過程的時(shí)間可反轉(zhuǎn)性。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，使用圖7所示的交叉器(CRS)，能導(dǎo)出正向交叉(FC)函數(shù)和/或反向交叉(BC)函數(shù)。應(yīng)注意，可將形成圖7的監(jiān)視器(MON)部分的交叉器(CRS)以及將在下面描述的改進(jìn)的交叉器形成為可構(gòu)造在單獨(dú)的集成電路上的通用裝置，以便用在各種不同的應(yīng)用中。在某些應(yīng)用中可能不需要由交叉器提供的一些功能，并認(rèn)為對(duì)用在圖7中的監(jiān)視器(MON)中，將在下面描述的所有功能并非都是必要的。
交叉器(CRS)包括極性反轉(zhuǎn)電路(PRC)、具有多個(gè)分支的模擬延遲線路(TDL)、電平交叉檢測(cè)器(LCD)、兩個(gè)脈沖延遲電路(PDL和DEL)、脈沖計(jì)數(shù)器(PCT)、多個(gè)采樣保持電路(SHC)、多個(gè)累加器(ACC)以及存儲(chǔ)寄存器(SRG)。存儲(chǔ)寄存器(SRG)也可包括適當(dāng)?shù)牟ㄐ蝺?nèi)插器。
在極性反轉(zhuǎn)電路(PRC)的二進(jìn)制極性選擇輸入(PS)，通過保存的適當(dāng)值來設(shè)置時(shí)間變化輸入信號(hào)x(t)的極性(正或負(fù))。然后，將選定極性的信號(hào)給延遲線路(TDL)的輸入(IP)。在所示的結(jié)構(gòu)中，延遲線路(TDL)的M個(gè)分支的每一個(gè)提供在輸入(IP)處出現(xiàn)的信號(hào)的時(shí)間延遲的復(fù)本。在任何時(shí)間瞬間，在延遲線路(TDL)的M個(gè)分支處觀察到的信號(hào)采樣結(jié)合形成沿延遲線路(TDL)傳播的信號(hào)的有限段的離散時(shí)間表示。最好，延遲線路(TDL)的連續(xù)分支間的相對(duì)延遲具有恒定值。
將延遲線路(TDL)的M個(gè)分支的每一個(gè)連接到各個(gè)采樣保持電路(SHC)，以及將選定分支(CT)，最好是中間分支也連接到電平交叉檢測(cè)器(LCD)。
電平交叉檢測(cè)器(LCD)根據(jù)在二進(jìn)制選擇器輸入(UD)處保持的值檢測(cè)向上穿越和向下穿越。通過將適當(dāng)?shù)拈撝祽?yīng)用到電平交叉檢測(cè)器(LCD)的閾值輸入(LV)，脈沖延遲電路(DEL)來設(shè)置期望交叉電平L。當(dāng)將測(cè)定正向交叉(FC)函數(shù)時(shí)，電平交叉檢測(cè)器(LCD)操作為向上穿越的檢測(cè)器。類似地，當(dāng)測(cè)定反向交叉(BC)函數(shù)時(shí)，電平交叉檢測(cè)器(LCD)檢測(cè)向下穿越。
當(dāng)正確定正向交叉(FC)函數(shù)時(shí)，每次由電平交叉檢測(cè)器(LCD)在中間分支(LCD)檢測(cè)預(yù)定電平L的向上穿越，在電平交叉檢測(cè)器(LCD)生成短觸發(fā)脈沖(TP)。經(jīng)公用觸發(fā)脈沖(TP)輸入，觸發(fā)脈沖(TP)啟動(dòng)所有采樣保持電路(SHC)的同時(shí)操作。每個(gè)采樣保持電路(SHC)俘獲其輸入處出現(xiàn)的信號(hào)的瞬時(shí)值并將該值提供給各個(gè)累加器(ACC)。
觸發(fā)脈沖(TP)還將脈沖計(jì)數(shù)器(PCT)的當(dāng)前狀態(tài)遞增1。脈沖計(jì)數(shù)器(PCT)的容量等于電平交叉的預(yù)定數(shù)N(即，正處理的信號(hào)軌跡的數(shù)N)。也將觸發(fā)脈沖(TP)提供給適當(dāng)?shù)拿}沖延遲電路(PDL)，該延遲電路的延遲最好等于采樣保持電路(SHC)的穩(wěn)定時(shí)間。
從脈沖延遲電路PDL獲得的延遲觸發(fā)脈沖經(jīng)公用的累加器輸入(DT)啟動(dòng)由各個(gè)采樣保持電路(SHC)驅(qū)動(dòng)的所有累加器(ACC)的同時(shí)操作。每個(gè)累加器(ACC)的功能是執(zhí)行在交叉器(CRS)的一個(gè)完整的操作周期其間，在其輸入處連續(xù)出現(xiàn)的所有N個(gè)采樣相加或平均。
當(dāng)已經(jīng)通過電平交叉檢測(cè)器(LCD)檢測(cè)到N個(gè)電平交叉點(diǎn)，并由脈沖計(jì)數(shù)器(PCT)記錄時(shí)，在脈沖計(jì)數(shù)器(PCT)的輸出處產(chǎn)生周期結(jié)束(EC)脈沖。周期結(jié)束(EC)脈沖經(jīng)其復(fù)位輸入(RT)復(fù)位脈沖計(jì)數(shù)器(PCT)，并且它還啟動(dòng)將累加的內(nèi)容傳送到存儲(chǔ)寄存器(SRG)。適當(dāng)?shù)赜擅}沖延遲電路(DEL)延遲的每個(gè)周期結(jié)束(EC)脈沖經(jīng)公用輸入復(fù)位(RS)，將所有累加器(ACC)設(shè)置成它們的初始零狀態(tài)。在出現(xiàn)周期結(jié)束(EC)脈沖后不久，可在存儲(chǔ)寄存器(SRG)的輸出(CFO)處可獲得確定的正向交叉(FC)函數(shù)的離散時(shí)間型式。
當(dāng)在存儲(chǔ)寄存器(SRG)中未使用波形內(nèi)插時(shí)，用M值表示確定的正向交叉(FC)函數(shù)。然而，在存儲(chǔ)寄存器(SRG)中執(zhí)行一些另外的信號(hào)處理以便產(chǎn)生不至包括由累加器(ACC)提供的M個(gè)初始值的正向交叉(FC)函數(shù)的內(nèi)插(平滑)表示。
圖8表示經(jīng)驗(yàn)上用于上交叉電平LL＝σ、L＝2σ和L＝3σ的三個(gè)不同值的經(jīng)驗(yàn)正向交叉(FC)函數(shù)的形狀，其中σ是處理過的信號(hào)的均方根值。在這種情況下，由物理噪音源生成由交叉器處理的信號(hào)x(t)。
當(dāng)正測(cè)定反向交叉(BC)函數(shù)時(shí)，通過電平交叉檢測(cè)器(LCD)，每次分支(CT)檢測(cè)電平L的向下穿越時(shí)，在電平交叉檢測(cè)器(LCD)輸出生成短觸發(fā)脈沖(TP)。其余的函數(shù)和操作與在測(cè)定正向交叉(FC)函數(shù)的情況時(shí)交叉器所執(zhí)行的相同。
當(dāng)要處理快速變化的信號(hào)時(shí)，由電平交叉檢測(cè)器(LCD)引入的延遲可能過量并應(yīng)當(dāng)補(bǔ)償。延遲補(bǔ)償可通過采用下述兩個(gè)方法的一個(gè)來實(shí)現(xiàn)1.由中間分支(CT)前的分支驅(qū)動(dòng)電平交叉檢測(cè)器(LCD)，以及通過輔助電路，在電平交叉檢測(cè)器(LCD)輸出另外延遲由此獲得的預(yù)觸發(fā)脈沖，以便(通過電平交叉檢測(cè)器(LCD)和電路)引入的總延遲與兩個(gè)分支間的相對(duì)延遲匹配。
2.由延時(shí)(TDL)、中間分支(CT)前的預(yù)觸發(fā)分支，以及與電平交叉檢測(cè)器(LCD)匹配的兩個(gè)分支間的相對(duì)延遲提供專用預(yù)觸發(fā)分支。上面已經(jīng)描述過假定輸入信號(hào)x(t)為單極時(shí)的操作。然而，交叉器(CRS)也可用來處理雙極信號(hào)并基于正和負(fù)閾值交叉點(diǎn)來導(dǎo)出各自的函數(shù)。為實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)，無論何時(shí)正在導(dǎo)出基于負(fù)閾值的函數(shù)時(shí)，在極性選擇輸入(PS)處的信號(hào)產(chǎn)生極性反轉(zhuǎn)電路(PRC)以便反轉(zhuǎn)輸入信號(hào)x(t)的極性以便電平交叉檢測(cè)器(LCD)能使用用于導(dǎo)出所需函數(shù)的相應(yīng)的正交叉電平。
現(xiàn)在將描述圖7的監(jiān)視器(MON)的操作。
首先，安置并-串聯(lián)轉(zhuǎn)換器(PTS)來將量化電平1的值傳送到電平交叉檢測(cè)器(LCD)的閾值輸入(LV)。設(shè)置該電平交叉檢測(cè)器的信號(hào)輸入(UD)以便該交叉器在其輸出(CFO)產(chǎn)生正向交叉函數(shù)。
參考圖5，假定如果輸入函數(shù)x(t)的值及其平均值A(chǔ)V之間的差值的模數(shù)大于閾值TH，該交叉函數(shù)具有有效值。因此，在范圍-τa至+τb內(nèi)該值是有效的。
如果采樣間隔小于｜τb｜，那么存在連續(xù)隨機(jī)數(shù)將具有一個(gè)取決于它們的在前值的偏差的危險(xiǎn)，因?yàn)橛糜讦拥恼档挠行д蚪徊婧瘮?shù)電平表示該函數(shù)的正向可預(yù)測(cè)性。相應(yīng)地，如果采樣電平小于|τa|，那么在前隨機(jī)數(shù)具有與它們的隨后值相關(guān)的偏差工，即，有反向可預(yù)測(cè)性，即能由以后值確定的在前值風(fēng)險(xiǎn)。在隨機(jī)數(shù)生成中，避免此是很重要的，以便防止預(yù)測(cè)隨機(jī)數(shù)“種子值”。
因此，希望確保最小采樣間隔大于|τa|和｜τb｜的最大值。時(shí)移比較器(TSC)檢查交叉函數(shù)以便確定｜τ｜的最大值，在該最大值處，交叉函數(shù)和輸入信號(hào)x(t)的平均值A(chǔ)V間有顯著的差異。
然后轉(zhuǎn)換輸入(UD)以便交叉器在其輸出處產(chǎn)生反向交叉函數(shù)，以及時(shí)移比較器再次用來找出交叉器輸出有效的最大值｜τ｜。
然后，操作并-串聯(lián)轉(zhuǎn)換器(PTS)來將第二量化電平傳送到電平交叉檢測(cè)器(LCD)以及重復(fù)交叉器操作以便獲得正向和反向交叉函數(shù)。為每個(gè)量化電平1至J執(zhí)行該順序。
因此，時(shí)移比較器(TSC)為用于所有量化電平1至J的正向和反向交叉函數(shù)計(jì)算多個(gè)值τij其中i＝0(對(duì)正向交叉)或1(對(duì)反向交叉)，以及j＝1于J，每個(gè)值τij表示最大值｜τ｜，在該最大值處，各個(gè)交叉器函數(shù)明顯不同于平均值A(chǔ)V。
然后，按下述計(jì)算最小采樣間隔MSIMSI＝τij的最大值，對(duì)于i＝0，1以及j＝1至J。
在圖9的流程圖中更細(xì)節(jié)地表示該操作。在步驟900選擇第一量化電平(j＝1)，以及在步驟902選擇正向交叉(i＝0)?？?04中所示的過程是用于導(dǎo)出值τij在步驟906，遞增i(以選擇反向交叉)，以及在步驟908，核對(duì)i以便查看它是否已經(jīng)超過1。如果沒有，重復(fù)過程904以便導(dǎo)出用于反向交叉的值τij。
在步驟906再次遞增值i，以及這時(shí)，步驟908檢測(cè)到i已經(jīng)超過1，以致程序進(jìn)入步驟910。在這里，遞增值j以便選擇下一量化電平。在步驟912，程序確定還沒有超過最終量化值J，因此，重復(fù)步驟902至906。因此，在過程904期間，計(jì)算用于j和正向及反向交叉函數(shù)的所有值的值τij。
過程904包括最初在步驟914設(shè)置等于τ的最大可能值τmax的變量τH。
在步驟916，程序確定在該點(diǎn)的交叉函數(shù)的值間的差值τH，即V(τH)減去輸入信號(hào)x(τ)的平均值A(chǔ)V。然后，程序確定該差值的模數(shù)是否大于預(yù)定閾值TH。因?yàn)橛刹榭处幼畲笾郸觤ax啟動(dòng)該程序，相關(guān)函數(shù)將接近等于平均值A(chǔ)V，以便程序進(jìn)入步驟918。在該點(diǎn)，將、的值遞減遞增量τi(表示延遲線路(DTL)的連續(xù)階段間的延遲)。重復(fù)步驟916。
因此，程序檢查以最大值τmax啟動(dòng)的交叉函數(shù)，直到步驟916檢測(cè)交叉函數(shù)是否超過閾值TH。在該點(diǎn)，過程進(jìn)入步驟920。
在步驟920，程序設(shè)置等于τ的最小可能值τmin的另一變量τL。然后，程序進(jìn)入步驟922。此時(shí)，程序確定用于當(dāng)前值τL和平均值A(chǔ)V的相關(guān)函數(shù)間的差值是否超過閾值TH。如果沒有，程序進(jìn)入步驟924，其中將τL增加遞增值τi。然后程序返回到步驟922。這一點(diǎn)將繼續(xù)，而所述程序連續(xù)檢查用于增加τ值的交叉函數(shù)，直到考慮到該值落在閾值區(qū)外。然后，該程序進(jìn)行到步驟926。
在步驟926，該程序設(shè)置等于τH和τL的最大值的值τij并存儲(chǔ)該值τij以便以后使用。
在圖9所示的過程結(jié)束時(shí)，程序從步驟912進(jìn)入步驟928，在該步驟，將最小采樣間隔MIS設(shè)定成等于所存儲(chǔ)的τij值的最大值。
將該值發(fā)送到比較器(CMP)，比較器將該值與表示實(shí)際采樣間隔的值SPI比較。如果實(shí)際采樣間隔大于MSI，那么，比較器輸出(MSP)表示預(yù)期連續(xù)隨機(jī)數(shù)統(tǒng)計(jì)上無關(guān)。如果需要的話，比較器輸出能用來控制采樣間隔。即，如果確定當(dāng)前采樣間隔小于MSI，則增加它。
盡管正向交叉(FC)函數(shù)和反向交叉(BC)函數(shù)在調(diào)查中提供有用的過程特性，但在實(shí)際應(yīng)用中，某些結(jié)合，諸如正向交叉(FC)和反向交叉(BC)函數(shù)的和或差可提供更多信息。
將正向交叉(FC)函數(shù)CL+(τ)和反向交叉(BC)函數(shù)CL-(τ)的和SL(τ)，SL(τ)=CL+(τ)+CL-(τ)]]>稱為交叉和(CS)函數(shù)，以及在圖10中示出了典型的例子。交叉函數(shù)(CS)函數(shù)SL(τ)提供有點(diǎn)類似于由傳統(tǒng)的自動(dòng)交叉函數(shù)提供的信息。具體來說，Gaussian過程的交叉和函數(shù)與那個(gè)過程的自動(dòng)交叉函數(shù)成比例。另外，任何時(shí)間反轉(zhuǎn)過程的交叉和(CS)函數(shù)是其自變量，相對(duì)延遲τ的事件函數(shù)。
將正向交叉(FC)函數(shù)CL+(τ)和反向交叉(BC)函數(shù)CL-(τ)的差DL(τ)，DL(τ)=CL+(τ)-CL-(τ)]]>稱為交叉差(CD)函數(shù)。也在圖10中示出了典型的例子。交叉差(CD)函數(shù)DL(τ)提供與由傳統(tǒng)的自動(dòng)交叉函數(shù)的導(dǎo)數(shù)提供的信息有關(guān)的信息。具體來說，Gaussian過程的交叉差(CD)函數(shù)與那個(gè)過程的自動(dòng)交叉函數(shù)的求反導(dǎo)數(shù)成比例，而且，任何時(shí)間反轉(zhuǎn)過程的交叉差(CD)是其自變量，相對(duì)延遲τ的奇函數(shù)。
能通過使用如圖11所述的改進(jìn)的交叉器(CRS)來確定用于時(shí)間連續(xù)信號(hào)x(t)的交叉和(CS)函數(shù)和交叉差(CD)函數(shù)。該系統(tǒng)包括極性反轉(zhuǎn)函數(shù)(PRC)、具有多個(gè)分支的模擬延遲線路(TDL)、兩個(gè)脈沖延遲電路(PDL和DEL)、脈沖計(jì)數(shù)器(PCT)、多個(gè)采樣保持電路(SHC)、多個(gè)加/減累加器(ASA)以及存儲(chǔ)寄存器(SRG)。存儲(chǔ)寄存器(SRG)還包括適當(dāng)?shù)牟ㄐ蝺?nèi)插器。
由改進(jìn)的交叉器執(zhí)行操作不同于由圖7的基本交叉器(CRS)執(zhí)行的那些操作如下。
每次在延遲線路(TDL)的中間分支(CT)檢測(cè)電平交叉點(diǎn)(向上穿越和向下穿越)時(shí)，電平交叉處理器(LCP)產(chǎn)生短觸發(fā)脈沖(TP)。通過將適當(dāng)?shù)拈撝祽?yīng)用到電平交叉處理器(LCP)的閾值輸入(LV)來設(shè)置期望交叉電平L。通過將適當(dāng)值應(yīng)用到電平交叉處理器(LCP)的二進(jìn)制選擇器輸入(SD)來選擇確定交叉和函數(shù)或交叉差函數(shù)的所需操作模式。
根據(jù)出現(xiàn)在其控制輸入(AS)的命令，“ADD”或“SUBSTRACT”，每個(gè)加/減累加器(ASA)增加或減去由各自的采樣保持電路(SHC)提供的采樣值。
當(dāng)將由改進(jìn)的交叉器來確定交叉和(CS)函數(shù)時(shí)，經(jīng)公用控制輸入(AS)，電平交叉處理器(LCP)將命令“ADD”發(fā)送給所有加/減累加器(ASA)，而不管檢測(cè)的電平交叉點(diǎn)(向上穿越和向下穿越)的類型。然而，當(dāng)將確定交叉差(CD)函數(shù)時(shí)，電平交叉處理器(LCP)發(fā)送用于每個(gè)檢測(cè)到的向上穿越的命令“ADD”以及用于每個(gè)檢測(cè)到的向下穿越的命令“SUBTRACT”。因?yàn)樵谶B續(xù)時(shí)間信號(hào)(相同電平的)向上穿越和向下穿越另外的方案中，運(yùn)算ADD和SUBTRACT也將是按照交叉圖形的另外的方案。
在改進(jìn)的交叉器系統(tǒng)中，脈沖計(jì)數(shù)器(PCT)計(jì)算所有電平交叉點(diǎn)，但其容量通常設(shè)定為偶數(shù)2N以確保處理過的向上穿越的數(shù)量N+正好與處理過的向下穿越的數(shù)量N相同，在這里，N+＝N-＝N。
例如，通過僅生成用于每個(gè)量化電平的交叉和，以及使用時(shí)移比較器(TSC)來生成最大延遲值｜τ｜，圖11的交叉器(CRS)可用在圖7的監(jiān)視器(MON)中，在該最大延遲值，交叉和顯示出明顯不同于輸入信號(hào)x(t)的平均值。
由圖7的基本比較器或圖11的改進(jìn)比較器采用的具有多個(gè)分支的模擬延遲線路(TDL)能用模擬或數(shù)字串-并聯(lián)輸出(SIPO)移位寄存器代替。圖12是包含SIPO移位寄存器(SIPOSR)的圖7的基本交叉器的框圖。該系統(tǒng)也包括信號(hào)調(diào)節(jié)單元(SCU)、時(shí)鐘生成器(CKC)、電平交叉檢測(cè)器(LCD)、兩個(gè)脈沖延遲電路(PDL和DEL)、脈沖計(jì)數(shù)器(PCT)、多個(gè)采樣保持電路(SHC)、多個(gè)累加器(ACC)以及存儲(chǔ)寄存器(SRG)。存儲(chǔ)寄存器(SRG)也可包括適當(dāng)?shù)牟ㄐ蝺?nèi)插器。
由信號(hào)調(diào)節(jié)電路(SCU)來將模擬時(shí)間連續(xù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成適當(dāng)?shù)?模擬或數(shù)字)形式，然后將其提供給SIPOSR的串聯(lián)輸入(IP)。
SIPO移位器由存儲(chǔ)單元，C1、C2，...CM組成。每個(gè)單元具有輸入端、輸出端和時(shí)鐘端(CP)。這些單元串聯(lián)連接以便除第一個(gè)(C1)以及最后一個(gè)(CM)外，以便每個(gè)單元具有連接到在前單元的輸出端的輸入端，以及連接到隨后單元的輸入終端的輸入終端。將單元C1的輸入端用作SIPO移位寄存器的串聯(lián)序列(IP)。所有M個(gè)單元的輸出端均認(rèn)為是SIPO移位寄存器的并行輸出終端。將單元的所有時(shí)鐘終端(CP)連接在一起以便形成SIPO移動(dòng)寄存器的時(shí)鐘終端。
由時(shí)鐘生成器(CKG)提供適當(dāng)?shù)臅r(shí)鐘脈沖序列。當(dāng)在時(shí)間瞬間t0時(shí)，將時(shí)鐘脈沖應(yīng)用到SIPO移位寄存器的時(shí)鐘終端時(shí)，存儲(chǔ)在每個(gè)逆時(shí)針中的信號(hào)采樣傳送(移動(dòng))并由在前單元來接收。單元C1存儲(chǔ)輸入信號(hào)x(t)的值(x(t0)。例如，以“組桶式”電荷耦合裝置(CCD)的型式，移位寄存器可實(shí)現(xiàn)為數(shù)字裝置或離散時(shí)間模擬裝置。
將SIPO移位器的并行輸出連續(xù)各自的M采樣保持電路(SHC)。兩個(gè)選定相鄰SIPOSR輸出也連接到電平交叉檢測(cè)器(LCD)的兩個(gè)輸入。在如圖12所示的系統(tǒng)中，選定輸出是單元CY和單元CZ的輸出。
如果SIPOSR輸出的數(shù)量M為奇數(shù)，那么最好兩個(gè)選定輸出中的一個(gè)是中間輸出，即，SIPOSR的輸出(M+1)/2。然而，如果SIPOSR的數(shù)量為偶數(shù)，那么兩個(gè)選定輸出最好輸出M/2和輸出M/2+1。
因?yàn)镾IPO在由時(shí)鐘生成器(CKG)的時(shí)鐘脈沖定義的離散時(shí)間操作。通過信號(hào)采樣的交叉預(yù)定電平L的檢測(cè)稍微更復(fù)雜。然而，可通過應(yīng)用下述判定規(guī)則來實(shí)現(xiàn)交叉檢測(cè)。
A.如果CY的輸出＜L以及CZ的輸出＞L，那么在位于單元CY和單元CZ間的“虛擬”單元VC中出現(xiàn)電平向上穿越；B.如果CY的輸出＞L以及CZ的輸出＜L，那么在位于單元CY和單元CZ間的單元VC中出現(xiàn)電平向下穿越；C.否則在單元VC中不出現(xiàn)電平交叉點(diǎn)。
從統(tǒng)計(jì)考慮，它按照當(dāng)與正處理的信號(hào)的時(shí)間方面的變動(dòng)相比，時(shí)鐘發(fā)生器的周期小時(shí)，在該時(shí)鐘周期上均勻分布虛擬單元VC的“時(shí)間”單元。結(jié)果，虛擬單元VC位于單元CY和單元CZ的中間。
如上所述的交叉器(CRS)允許生成單獨(dú)的正向和反向交叉函數(shù)(由此可以導(dǎo)出交叉和和交叉差函數(shù))，或直接生成交叉和和交叉差函數(shù)?？蔀楦鱾€(gè)不同交叉電平生成那些函數(shù)，這些交叉電平可均是正和負(fù)。在具體的便利裝置中，輸入信號(hào)x(t)具有為零的平均值A(chǔ)V，這使得簡(jiǎn)化了交叉函數(shù)的處理。
將使用的交叉函數(shù)或函數(shù)的組合的選擇將視交叉器的應(yīng)用而定。設(shè)想單獨(dú)生成正向和反向交叉函數(shù)將用于確定信號(hào)可預(yù)測(cè)性。然而，其他環(huán)境，諸如信號(hào)分類，可批準(zhǔn)使用交叉和和/或交叉差函數(shù)。在任何情況下，可導(dǎo)出用于單個(gè)交叉電平，或用于多個(gè)交叉電平的函數(shù)。通常，假定非Gaussian信號(hào)，有更多的信息是使用明顯不同于輸入信號(hào)x(t)的平均值A(chǔ)V的一個(gè)或多個(gè)交叉電平。
也可導(dǎo)出其他類型的交叉函數(shù)。在如上所述的裝置中，每個(gè)函數(shù)對(duì)應(yīng)于各個(gè)交叉電平。有可能導(dǎo)出與各個(gè)不同交叉電平有關(guān)的交叉函數(shù)的組合(例如，其間的差)的另外的功能。例如，對(duì)正電平L，能從相應(yīng)的交叉函數(shù)減去基于平均值A(chǔ)V的交叉電平的交叉函數(shù)(即，正向或反向交叉函數(shù))。對(duì)Gaussian信號(hào)，最終函數(shù)是自動(dòng)交叉函數(shù)的比例化復(fù)本。通過將結(jié)果與單獨(dú)導(dǎo)出的自動(dòng)交叉函數(shù)相比，可確定輸入信號(hào)特性背離Gaussian特性的程序。另外，采用用于導(dǎo)出用于Gaussian信號(hào)的自動(dòng)交叉函數(shù)的交叉技術(shù)也可視為單獨(dú)有用。
在如上所述的裝置中，僅考慮輸入信號(hào)x(t)的斜率的符號(hào)，而不考慮其大小。然而，這不是必需的，相反，可將交叉器配置成區(qū)分每個(gè)正和負(fù)方向中不同大小的斜率，即，可用兩位或多位來表示斜率，而不是單個(gè)位(表示正或負(fù)斜率)。在這種情況下，可為每個(gè)量化斜率電平導(dǎo)出單獨(dú)的交叉函數(shù)。另外，該裝置可是在導(dǎo)出交叉函數(shù)中僅考慮某些量化斜率電平(例如，最陡斜率)。
輸入信號(hào)x(t)可表示任何物理感興趣量，諸如噪音、壓力、位移、線速度、溫度等等。因此，本發(fā)明具有寬領(lǐng)域應(yīng)用，諸如通信、射電天文學(xué)、遙感、水下聲學(xué)、地球物理學(xué)、語音分析、生物醫(yī)學(xué)等等。盡管如上給出的特定例子涉及隨時(shí)間改變的輸入信號(hào)，但函數(shù)的自變量可表示適當(dāng)?shù)莫?dú)立變量，諸如相對(duì)時(shí)間、距離、空間位置、角坐標(biāo)等等。
如果，如上所示，交叉器(CRS)由單獨(dú)的集成電路設(shè)備形成，最好具有用于輸入信號(hào)x(t)的輸入端、用于接收表示交叉電平的信號(hào)(LV)的閾值端，以及用于以并或串聯(lián)型式提供輸出函數(shù)(CSO)的輸出端。
導(dǎo)出交叉函數(shù)可用于分類目的，而導(dǎo)出交叉波形，交叉和波形可用于表示最好表示生成信號(hào)的對(duì)象的特定類。為此，可提供適當(dāng)?shù)拇鎯?chǔ)器來存儲(chǔ)一組代表性的交叉波形的“模板”(每個(gè)模板對(duì)應(yīng)于各個(gè)類并表示那個(gè)類的交叉函數(shù)的形狀)。該分類可通過找出確定的交叉函數(shù)的適當(dāng)表示與存儲(chǔ)的模板的最佳匹配來執(zhí)行。
交叉波形的形狀可視為用來判別信號(hào)發(fā)射對(duì)象的幾個(gè)(包括“未知的”)類的“指紋”符號(hào)差。
為示例目的，已經(jīng)介紹了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的上述描述。不打算窮舉或?qū)⒈景l(fā)明限定到在此公開的精確型式。鑒于上述描述，許多替換、修改和改變將使得本領(lǐng)域的技術(shù)人員將本發(fā)明用在適合于預(yù)想的具體使用的各個(gè)實(shí)施例中是顯而易見的。
權(quán)利要求
1.一種用于分析輸入信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性的裝置，所述裝置包括用于接收信號(hào)的信號(hào)輸入裝置；耦合于所述輸入裝置，用于檢測(cè)在其上信號(hào)電平越過具有預(yù)定斜率的預(yù)定電平的事件的裝置；用于結(jié)合所述信號(hào)的多個(gè)型式的裝置，所述型式相對(duì)于彼此移動(dòng)與所述事件的間隔一致的量，以形成所述信號(hào)的表示；以及用于基于所述表示的形狀以及所述信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性的表示，測(cè)量參數(shù)的裝置。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，配置成只要所述斜率具有預(yù)定符號(hào)，則認(rèn)為所述信號(hào)具有預(yù)定斜率。
3.如權(quán)利要求1或2所述的裝置，將所述裝置配置成響應(yīng)第一預(yù)定斜率的檢測(cè)事件，形成第一表示，以及響應(yīng)第二不同預(yù)定斜率的檢測(cè)事件，形成第二表示。
4.如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于所述參數(shù)由結(jié)合第一和第二表示的形狀而定。
5.如任何一個(gè)在前權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于所述事件檢測(cè)裝置用來檢測(cè)事件的第一和第二不同類型，以及所述結(jié)合裝置用來將以預(yù)定方式將移動(dòng)與事件的第一類型一致的量的信號(hào)型式與相對(duì)于彼此，移動(dòng)與所述事件的第二類型的間隔一致的量的信號(hào)的型式相結(jié)合以便形成所述表示。
6.如權(quán)利要求5所述的裝置，包括方式轉(zhuǎn)換裝置，用來改變所述結(jié)合的預(yù)定方式。
7.如任何一個(gè)在前權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于所述預(yù)定電平實(shí)質(zhì)上不同于所述信號(hào)的平均電平。
8.如任何一個(gè)在前權(quán)利要求所述的裝置，包括交叉電平輸入裝置，用于接收定義所述預(yù)定電平的信號(hào)。
9.包括任何一個(gè)在前權(quán)利要求所述的裝置的集成電路，第一輸入終端，用于接收所述輸入信號(hào)；第二輸入終端，用于接收表示所述預(yù)定電平的閾值信號(hào)；以及至少一個(gè)輸出信號(hào)，用于提供形成所述表示的輸出信號(hào)。
10.一種分析輸入信號(hào)的方法，所述方法包括在其上信號(hào)電平越過具有預(yù)定斜率的預(yù)定電平的檢測(cè)事件，以及形成所述信號(hào)的多個(gè)型式的結(jié)合的表示；所述型式相對(duì)于彼此移動(dòng)與所述事件的間隔一致的量，所述方法進(jìn)一步包括根據(jù)所述表示的形狀測(cè)量參數(shù)的步驟。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于所述參數(shù)表示所述形狀與存儲(chǔ)的表示的形狀間的類似程度。
全文摘要
可分析信號(hào)來確定表示例如，信號(hào)的可預(yù)測(cè)性或時(shí)間可反轉(zhuǎn)性的統(tǒng)計(jì)特性。檢查該信號(hào)以便定位與具有預(yù)定斜率的預(yù)定電平的交點(diǎn)一致的事件。結(jié)合該信號(hào)的多個(gè)型式。該型式相對(duì)于彼此移動(dòng)與檢測(cè)事件的間隔一致的量。最終表示的形狀提供有關(guān)信號(hào)的統(tǒng)計(jì)信息。
文檔編號(hào)G06G7/00GK1495414SQ0315450
公開日2004年5月12日 申請(qǐng)日期2003年7月1日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月1日
發(fā)明者W·J·沙諾夫斯基, W J 沙諾夫斯基 申請(qǐng)人:三菱電機(jī)株式會(huì)社