Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Спектральный подход к первичной обработке сигналов аналитических приборов

..pdf
Скачиваний:
0
Добавлен:
12.11.2023
Размер:
11.16 Mб
Скачать

И звестно

( с м . ,

н а п р и м е р ,

р а б о т у

|1 б ] ) ,

ч т о

с в е р т к а

( 3 . 1 2 )

 

мо­

жет

бы ть

н а й д е н а к а к

о б р а т н о е

д и с к р е т н о е

п р е о б р а зо в а н и е

Фурье

(ОДПФ)

о т

п р о и з в е д е н и я

д и с к р е т н ы х

п р е о б р а зо в а н и й

Ф урье

(ДГГФ)

сверты ваемы х п о с л е д о в а т е л ь н о с т е й

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

У; = О Д П Ф { Д П Ф у у . Д П Ф ^ } .

 

 

( 3 .1 3 )

 

В ы числяемую

по

 

( 3 . 1 3 )

с в е р т к у

назы ваю т

к р у г о в о й ,

т а к

к а к

п р е д п о л а г а е т с я ,

ч т о

 

y j

и U j

п е р и о д и ч ё с к и

расш и ряю тся

з а

 

ин­

тервал

[ 0 ,

т

- l ] ,

 

ч то

э к в и в а л е н т н о вы числениям п о

модулю

 

М ,

где

М > /т г . Л и н ей н ая

с в е р т к а

может

бы ть

вы ч и сл ен а

 

с

помощью

к р у го в о й ,

е с л и

к

у у

и ^

 

д о б а в и т ь

 

н у л и ,

чтобы о б е сп е ч и ть з а д а ­

ние

 

+

т , £ ~

1 )- о т с ч е т о в

(

 

 

 

 

- ч и сл о о т с ч е т о в

 

в

свер ты ­

ваемых

п о с л е д о в а т е л ь н о с т я х ;

ттг^ + т ^ - ~ 1 -

необходимый период

при

кр у го во й с в е р т к е ) .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Д л я у с к о р е н и я

вы чи сл ен и й

с в е р т к и

( 3 . 1 2 )

необходим о осуще­

ств и ть

б ы стр о е

ДПФ

 

[4 4 1 . К л а с с и ч е с к о е

ДПФ в

к а ч е с т в е

 

базисны х

функций

и с п о л ь з у е т

ком плексны е

эксп он ен ты

e x p { - Y 4 - Z 3 in X /m } .

Вы числение по

( 3 . 1 3 )

в

этом

с л у ч а е

т р е б у е т

п р о вед ен и я

 

умноже­

ний

ком п лексн ы х ч и с е л . И сп о л ьзо в ан и е б а зи с о в

Уолша

 

п о зв о л я е т

у п р о сти ть

вы ч и сл ен и я

[ 4 5 ] ,

но

су щ ествен н ого

уменьш ения

вычис­

лений можно

д о б и т ь с я

п ри

и сп о л ьзо ван и и

п р ео б р азо в ан и я

Фурье

в

конечных

п о л я х ,

к о т о р о е

назы ваю т тео р ети ко -ч и словы м

п р ео б р азо ­

ванием

(ТЧП)

[ 4 б ] .

 

С ко р о сть

вы чи слен и я

св ер тк и при и сп о л ьзо в а ­

нии

ТЧП в о з р а с т а е т

 

в

2 - 5

р а з

(вер х н и й

п р ед ел

д л я б о л ее

ко р о т­

ких

п о с л е д о в а т е л ь н о с т е й

3 0

<

т

< 1 0 0 )

по

сравнению

с

 

традици ­

онным ДПФ н а

б а з е

а л го р и тм о в

б ы стр о го

п р е о б р азо в а н и я Фурье

(НИ»

при

п р и м ер н о

т а к и х

 

же требуем ы х объем ах

оборудован и я

[ 4 7 ] .

 

Это

п рои сходи т в

р е з у л ь т а т е

зам ены

традиционны х

умножений

сдвигами

и сло ж ен и ям и .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

П р е о б р а з о в а н и я

 

со

с т р у к т у р о й

ДПФ и

ОДПФ можно п р ед стави ть

в следующ ем

обобщ енном

в и д е :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( 3 .1 4 )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( 3 .1 5 )

где б а з и с а д л я вы п о л н ен и я ( 3 . 1 3 ) долж ен п о д ч и н яться условию

 

 

Л егко

в и д е т ь ,

ч то

ком плексны е

эк с п о н е н ты

в к л асси ч еск о м

ДПФ удовлетворяю т

условию ( 3 . 1 6 ) .

В ТЧП

ос

-

н е к о т о р о е

положи­

тел ьн о е

целое

ч и сл о ,

к о т о р о е ,

к а к с л е д у е т

и з

у с л о в и я

 

( 3 .1 6 ) ,

должно быть

корнем

m - г о

П орядка и з

единицы

п о

m o d

М .

В

слу­

ч а е ,

если

И

 

п ростое

ч и сл о , т о " с п р а в е д л и в а

м а л а я

 

т е о р е м а

Фер­

м а:

осм

-

I

(гт\о& М )\

есл и

М

- с о с т а в н о е

ч и с л о ,

п р и ч ем

та к о е ,

ч то

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3 .1 7 )

( р

 

-

простые

ч и с л а ),

 

то

с п р а в е д л и в а

 

т е о р е м а

Э й л е р а :

ос г

'

=

=

I

( m o d

М ) .

 

Функция

 

у ( М )

о п р е д е л я е т с я

к а к

[ 4 6 ]

 

Ц ( М ) =

=

М ( 1 —

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Кроме

у с л о в и я

( 3 . 1 6 )

д л я

суще­

ствован и я п р ео б р азо в ан и я ,

о б р а тн о го

к

ТЧП,

н ео б х о д и м о

сущ ест­

вование

т п г \

 

э т о , в

свою

о ч е р е д ь ,

п р е д п о л а г а е т ,

 

ч т о

т

 

и

М

не

должны

иметь

общих м нож ителей

(кр о м е

е д и н и ц ы ).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Напомним,

что

в

ариф м етике в

 

о стато ч н ы х

к л а с с а х

учиты ва­

ются' только

м антиссы

ч и се л

по

и сп о л ьзу ем о м у модулю

М .

 

Напри­

м ер,

справедливы

следующие

основны е

со о тн о ш ен и я :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а )

р авен ств о

(с р а в н е н и е ): a = b (m o d M ) t

е с л и a = b

+ к М

( к -

ц е л о е );

в с е ч и сл а

конгруентны

некоторы м ч и сл а м

в

 

б л о к е

{ О Д , ...

M ~ i )

-

кольце

ч и сел

по

m o d M ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

б )

слож ение:

 

a

+ b = c (m o d M ),

 

е с л и

а + Ь = е + к М

( к -

ц е л о е ) ;

наприм ер,

6 + 1 1 = 4

( m o d 1 3 ) ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

в )

п р ед ставл ен и е

отри ц ательн ы х

ч и с е л : - a = b

( b - - a + M ) t

- 6

=

=

- 6

+13

=

7

( m o d

1 3 ) ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

г )

вы читание: a - b = С (m o d M )

(с=а+М ~Ь), 6 - 1 1 = 6 + 1 3 - 1 1 = 8

( m

o d ï 3 ) ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

д )

умножение: a b = c ( m o d M ) t

есл и

а ,Ъ = С + к М ,

6 « И

=65+1=1

( m o d 1 3 ) ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ч е )

вы числение

об ратн ой величины : a = b

( m o d

М ) , е с л и

a

b -

=

1 ( m o d

М );

о б р атн о е

чи сло

с у щ е с т в у е т ,

е с л и

а

 

и

т

 

н е

имеют

общих

м нож ителей,

кроме

единицы ; 6“ * = И

 

( m o d 1 3 ) ,

т а к

 

к а к

бх

х И = 1 ( m o d 1 3 ) ;

 

 

 

_

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ж) д е л е н и е : a : b = d b ~ ^ и с у щ е с т в у е т,

е с л и с у щ е с т в у е т Ь ~ \

 

 

 

С ледует

п о м н и ть,

ч то

в ариф м етике

в

о с т а т о ч н ы х

к л а с с а х ран­

ги

ч и се л

(целы е ч а с т и

по

m o d M )

обычно

н е

у ч и ты в а ю тс я

и

нель­

з я

о п р ед ел и ть

зн а ч е н и я

искомых ч и с е л ,

есл и

в

п р о ц е с с е

вы чи сл е ­

ний

произош ло

х о т я

бы

одно п е р е п о л н е н и е . П равильны й

р е з у л ь т а т

может

бы ть

п о лучен

т о л ь к о

в

том

с л у ч а е ,

е с л и

в ы ч и с л я е м а я

вел и ­

чи н а

по

абсолю тном у

значению

не

превы си т

М / 2

[ 4 7 ] .

Т аким об­

р а з о м ,

м одуль М долж ен

бы ть

д о с т а т о ч н о

больш им,

ч то б ы

и зб еж ать

ошибок о т

п е р е п о л н е н и я

п р и

.в ы ч и с л е н и я х .

Кроме т о г о ,

ж ел ател ьн о ,

чтобы

в д во и ч н о м

 

к о д е

М

было

м и н и м альн ое

ч и сл о

 

е д и н и ц ,ч т о п о ­

зво л и т о б л е г ч и т ь

 

р е а л и за ц и ю

вы ч и сл ен и й

н а

ЭВМ,

 

 

 

 

 

 

 

Д л я во зм о ж н о сти

п р и м ен ен и я

а л г о р и т м о в

БПФ

[1 6 ,

4 5 ]

н ео б х о ­

ди м о,

чтобы

 

т

было

к а к можно

б о л е е

со ставн ы м (п р е д п о ч т и т е л ь н о

степ ен ью

2 ) ,

т о г д а

м ат р и ц а

п р е о б р а з о в а н и я

л е г к о

п о д д а е т с я

мно­

г о с т у п е н ч а т о й

ф а к т о р и з а ц и и .

Объем вы чи слен и й

при

ТЧП может бы ть

зн а ч и т е л ь н о

 

ум ен ьш ен ,

е с л и

 

а

вы брано

такж е

степ ен ью 2

или по

к р а й н е й

м ер е

чи сл о м

с

малым

к о л и ч ес т в о м

еди н и ц в

двои чн ом

пред­

с т а в л е н и и ,

И сх о д я

и з

э т и х о гр ан и ч ен и й

можно вы б р ать

М

и

и с ­

с л е д о в а т ь

возможные

т

 

и

о с .

Причем m m a x з а в и с и т

о т

М [4 6 ,4 7 ]:

 

 

 

 

^ m a x

 

^ i P i ~ 1 > P z~ ^> * ' * » P i ~~ ^

 

 

 

 

^

 

З д е с ь

& { •}

 

о б о з н а ч а е т

наибольш ий общий

д е л и т е л ь

 

ч и с е л ,

 

с т о я ­

щих в

ф игурны х

с к о б к а х ;

р

 

-

п росты е

множители

в

разлож ении

( 3 . 1 7 ) .

Из

( З Л 8 )

с л е д у е т ,

ч то

М

должно

быть

нечетны м

и

 

д л я

упрощ ения

п р е д с т а в л е н и я

в

дво и ч н о й си стем е

им еть

ви д

 

 

 

 

или Mm = Z

 

+ i .

В

первом с л у ч а е

(ч и с л а

М ерсенна) т

 

 

 

 

 

( с о -

ответству ю щ ее

ос.=

2 )

[46 J ,

но

т а к к а к

ш т а х

обычно

си льн о

о т ­

л и ч а е т с я

о т

 

с т е п е н и

2 ,

то

з а т р у д н я е т с я

применение

БПФ. Во

в т о ­

ром с л у ч а е

М

при

н ечетн ы х

к б у д ет

д е л и т ь с я

н а

3

(

 

 

 

2 \

поэтом у ц е л е с о о б р а з н о

р а с с м а т р и в а т ь лишь четны е

 

k —Z bCL.

 

Учи­

ты в а я ,

ч т о

т о г д а

 

М

 

д е л и т с я н а

( 2 2

 

+ 1 ) ,

Р .А гар вало м

 

и

С .Б ар р асо м

п редлож ен о п р о во д и ть

ТЧП по

модулю М у (ч и с л а

Ферма).

А /ф=& ^+ 1 ;

 

b — Z*

[ 4 7 ] .

Э тот

м одуль

п р е д с т а в л я е т с я

оптим аль­

ным в

отнош ении

о б е с п е ч е н и я

д о стато ч н ы х

m m a x при умеренных т р е ­

бован и ях

к

д л и н е

с л о в а

(р а з р я д н о с т и )

в

ЭВМ:

при

и сп ользован и и

Mçp (д о

М у ц

в к л ю ч и те л ь н о )

 

m

m a x =

2 г .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ч и с л а

 

Мер

удобны

еще

 

и

т е м , ч то

при

р еал и зац и и

арифмети­

ки в

о с т а т о ч н ы х

к л а с с а х в

 

ЭВМ с

р азр яд н о стью

b

бит

и п о явл е ­

нии п е р е п о л н е н и я

( £ * = — 1 ( m o d М д,))

оно должно

вы ч и таться

из

числовых

д а н н ы х .

Это

- е д и н с т в е н н о е

о тли ч и е

в выполнении

 

опе­

раций

по

ср авн ен и ю

с

обы чной

ар и ф м ети ко й .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Н е у д о б ст в о м о д у л я М у с о с т о и т в то м , ч то он тр е б у е т b +1

бит д л я

п о л н о го

п р е д с т а в л е н и я

в с е г о

к о л ь ц а ч и сел

{ 0

 

 

 

 

хотя

в ( 5 + 1 ) - й

р а з р я д

п е р е х о д и т в с е г о

одно

ч и сл о :

Zb или

- I .П о ­

этому

в Ъ - р а з р я д н о й

ЭВМ - I

б у д е т о к р у г л е н а

до

0

или

до

- 2 . Е с­

ли - I

в о з н и к н е т

в о

в р е м я

с ч е т а ,

т о

э т о

может п р и вести

к

 

п о я в -

л ен и в с е р ь е зн о й

ош ибки.

Но

в е р о я т н о с т ь

( Р

) таксой

с и т у а ц и и

очень

м ала

(при

Ь

=

32

Р

=

10 ~ 7 * Ю " 6

[ 4 7 ] ) .

П оэтом у

д л я

р аб о ты с

Mçp

при

Ь

4

д о стато ч н о с л о в а

в

 

b

б и т .

 

 

 

 

 

 

 

Из у слови я

| Хп | < М /%

при

р еальн ы х

т о ч н о с т я х

и зм ер ен и я

у к

примерно

0 ,1 #

уже

т р е б у е т с я

 

/ / > 1 0 0 0 .

При

э т о м

н ео б х о ди ­

мое в ТЧП ц елочисленное

п р е д с т а в л е н и е

д о с т и г а е т с я

 

умножением

информации н а %ь ( b

-

ч и сл о р а з р я д о в

м а н т и с с ы ,

 

о п р ед ел я ем о е

допустим ой погреш ностью

и зм ер ен и я

с и г н а л а ,

н ап р и м ер

п р и

 

< Î

и î = о д #

ь ы о ) .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Оценку

|У \ т а х

можно

п о л у ч и ть

н е с к о л ьк и м и

с п о с о б а м и .

Так

к а к

функция

u j

и з в е с т н а а п р и о р н о ,

м ак си м а л ь н о е

з н а ч е н и е

сигна­

л а такж е

и з в е с т н о ,

то

г р у б а я ,

но

 

б ы с тр а я

о ц е н к а

\Y \

с в е р х у

мо­

жет

быть

получена

из

н е р а в е н с т в а

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

т - 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

\ У \ ~ \ У т а . х \ %

 

UJ

 

 

 

 

 

 

 

(З .Т 9 )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

«/

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Р .А гарвалом и

С .Б аррасом

приведены

 

такж е

б о л е е

точные

оценки величины

Ут я х

 

[ 4 7 ] .

П усть

|| у

|| ^

- н о р м а

си гн ала.*

Т огда

\ Y \ < m

\ y

\ p

\ u \ ç - ,

 

р 1 -

 

 

 

t

 

 

В ч а с т ­

н о сти ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Y \14 m | y | a

I“ U .

 

 

 

 

 

( 3 .2 0 a )

 

 

 

 

Y

 

 

IIй

I

- ,

 

 

 

 

 

( 3 .2 0 6 )

 

 

 

 

Y 14 m I ly l U

M

 

,

 

 

 

 

 

( 3 .2 0 b )

 

Д ля

получения

оценки

| X | с в е р х у

может

 

б ы ть

и с п о л ь з о в а н о

любое

н е р а в е н с тв о .

Оценка

( 3 .2 0 а )

-

б о л е е

т о ч н а я ,

н о

н аи б о л ее

трудоем кая при п олучении:

т р е б у е т с я

т ум нож ен и й .

В

т о

же

в р е ­

мя

оценки

(3 .2 0 6 )

требую т

т

слож ен и й , а

( 3 . 2 0 в )

- т

ср авн ен и й ,

т а к

к а к

| | y L =

| y | m a x *» Ф актически

о ц е н к а

( 3 . 2 0 в )

с о в п а д а е т

с оценкой

( 3 . 1 9 ) .

Например,

при

за д ан и и

у

и

и в

п р е д е л а х

0 -

Ю 2 ,

при

белом

шуме,

га у с с о в о й

форме

обои х с и г н а л о в

и

ширине

и х

по

основанию

6 u / A t = m =

12

по

( 3 .2 0 6 )

и

( 3 . 2 0 в )

( к а к

и по

( 3 . 1 9 ) ) получим

 

'

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I ■У I 4 У т а х

 

 

 

m / 6

 

 

 

 

 

 

 

 

в то же в р е м я о ц е н к а п о ( 3 . 2 0 а ) б у д е т :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

\ г \ =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V

 

^ a x - ^ 7 6 - 3 - ) 0 " .

 

 

 

С учетом

у с л о в и я

 

| ^

| т а х < ^ / £

э т о п о т р е б у е т

вы бора

М

>

6 . 1 0 4

 

и длины

с л о в а

в

1 4 б и т . Ближ айш ее

/ / „

п о л у ч а е т с я при

 

Ь

- 4 , Ъ -

 

= Î6 и М уц . = 6 5 5 3 7 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Если

п о л у ч е н н а я

о ц е н к а

|У |т а э с

п р евы си т

М /2 ,

то

 

си гн ал

 

должен бы ть

о г р а н и ч е н

в р е з у л ь т а т е

о к р у гл е н и я

(младш ие

разряды

 

у

 

о т б р а с ы в а ю т с я ),

ч т о п р и в о д и т

к

появлению ошибки

о к р у гл е н и я .

 

Если п о с л е

о к р у г л е н и я

ЬА

и

 

Ъг

- ч и с л а

р а з р я д о в

в

п р е д с т а в л е ­

 

нии

у

и

 

и ,

т о

о ц е н к у необходи м ой

р а зр я д н о с т и

ЭВМ можно

быст­

ро

(но г р у б о )

п р о и з в е с т и

н а

о сн о ван и и ( 3 .1 9 )

 

по

н е р а в е н с тв у

 

 

 

 

+

Ъ^ +

lo c j^ A /.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В с р а в н е н и и

с

традиционны м

БПФ р е а л и з а ц и я

ТЧП

тр е б у е т при­

мерно

в д в о е

б ольш ей

р а з р я д н о с т и

 

п р о ц е с с о р а

ЭВМ,но в

ДПФ каждой

числовой

т о ч к е

с о о т в е т с т в у ю т

д в а

с л о в а

-

д л я

п р ед став л ен и я в е ­

щ ественной

и

мнимой

ч а с т е й

ко м п л ек сн о го

ч и с л а . Поэтому

в

целом

необходимый о б ъ ем

ап п а р ат у р ы

о д и н а к о в .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

При

больш их

|У |т а х

м о г у т

бы ть

за т р у д н е н и я

 

в

р еали зац и и

ТЧП и з - з а

т р е б о в а н и й

о ч е н ь

больш их

д ли н

с л о в а

д л я п р е д с т а в л е ­

ния

и н ф о р м ац и и . Одним

и з

возмож ны х

п у тей реш ения

это й

проблемы

я в л я е т с я р а з б и е н и е

д и с к р е т

сверты ваем ы х

п о с л ед о в ат е л ь н о ст ей на

части

и н е з а в и с и м а я

и х с в е р т к а .

П редставим

у .

и

и у

в

ви де

 

 

 

 

 

 

U j =

и ^ - 2 к + U ÿ ,

 

( U y I < 2 * ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

У у = У , / 2 * + У гу -

 

| У * у 1 < г

'

 

 

 

 

 

 

 

При

э т о м

с в е р т к а

может

бы ть

н ай д ен а

следующим

о б р азо м :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Æ/C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

к

 

 

 

 

 

 

 

Y = y * и . = ( у * и ^ - 2

+ ( у * У ь + у г * ц > 2 + у г + а г ,

п ричем

п о сл ед н и м

член ом з д е с ь

можно

 

п р ен еб р еч ь

по сравнению с

преды дущ ими. Е сли

э т о р а з б и е н и е

п р о в е с ти

т а к ,

ч то y i

и

у г ,

щ

и

гг^

б у д у т

и м еть в д в о е

меньш е

р а з р я д о в ,

чем

у

и

 

гг. ,

то их мож­

но

 

с в е р н у т ь ,

и с п о л ь з у я

с л о в а

 

прим ерно

п оловинной

 

длины по с р а в ­

нению

с требуем ы м и

при

обычном п р е д с т а в л е н и и ,

но

 

б у д ет

н еобхо ­

димо

вы ч и сл ен и е

по

к р ай н ей

м ере

т р е х с в е р т о к ,

т . е . по

д в а

ТЧП

д л я

 

у

и

гг. и

д в а

д л я о б р а т н о г о

п р е о б р а з о в а н и я .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Д л я

п р осты х

Mçp

(д о

 

 

вк лю чи тельн о )

наибольш ие

по

дли ­

не

 

п о с л е д о в а т е л ь н о с т и

можно

с в е р н у т ь

при

ос

=

3 (п о р я д о к

э т о г о

ос.

 

р а в е н

м акси м альн ом у

2 ь ) .

 

Но

у ч и ты в а я ,

ч т о

при

ос

=

2

(или

д р у г о й

с т е п е н и

2 )

ум нож ение

при

вы числении

ТЧП зам ен яется

сд ви ­

го м , ц е л е с о о б р а з н о

п ой ти н а

уменьш ение

 

 

при

данном

 

о&=

=

2

и м е е т

п о р я д о к

2 Ь

 

(п р и

 

 

 

 

это

с о о т в е т с т в у е т т г ь - 32,

ч то

уже

в п о л н е

д о с т а т о ч н о

д л я

м н оги х

 

п р ак ти ч еск и х

п р и м ен е н и й ).

 

Увеличения

т

 

при

ос

= 2

можно д о с т и ч ь ,

е с л и и с п о л ь зо в а т ь

двумерную

свер тк у

[ 1 6 ] ,

однако

при

э т о й в о з р а с т а е т

ч и с л о

вычи­

слен и й и требуемый

объем

пам яти

ЭВМ. Д р у го й

п у т ь

у в е л и ч е н и я

т

- и сп ользован и е

ос

= V2" ( з д е с ь

к о р ен ь п о н и м а е т с я

к а к

н еко то р о е

число

о с,

д л я -которого

ос2

=

2

{ггьоАМ),

н ап р и м ер

п ри

 

г =

I?

ос = У 1 Г =

6 ) . Это ос

им еет

п о р яд о к

4 b

,

т . е .

е г о и с п о л ь зо в а н и е

п о зв о л я е т

вдвое

увели чи ть д л и н у

сверты ваем ы х

 

п о с л е д о в а т е л ь н о ­

с т е й .

Изучение

алгоритм а

БПФ

[47]

п о к а з а л о ,

ч т о т о л ь к о

п ер вая

ступ ен ь

БПФ тр еб у ет

умножения

н а нечетн ы е

с т е п е н и

ос

=

У 2 ,

в

остальны х

ступенях умножение

и д ет

н а ч етн ы е

с т е п е н и

о с .

 

Д аль­

нейший

 

р о ст

тп

(д л я

просты х М ф ) возм ож ен

п ри

у в е л и ч е н и и

с т е -

пёни корн я

из

2 ,

 

но

з а

с ч е т услож нения

 

о п е р а ц и й

в

БПФ

(больш ое

число

ступеней

и

н а

каждой

п о т р е б у е т с я

 

и с п о л ь з о в а н и е

обычного

ум нож ения). Возможны

и

д р у ги е н етр и ви ал ьн ы е

сп о со б ы у вел и ч ен и я

тп . В

т а б л .7

[47]

приведены гат а х

и с о о тв етств у ю щ и е

им

ос

при

разны х

 

парам етрах

ТЧЛ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Т

а

б

л

и

ц

а

7

ь

 

b

 

 

М ф

 

 

тп

при

о с,р авн о м

 

ш

пга.х

 

об

 

при

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

V 2

 

 

 

 

т

п г а х

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

8

 

 

2 ? + l

 

 

16

 

 

3 2

 

 

 

 

 

2 5 6

 

 

 

3

 

4

 

16

 

 

216

+

1

 

32

 

 

64

 

 

 

6 5 5 3 6

 

 

 

3

 

4

 

16

 

 

216

+

 

1

 

512*

 

 

204 8 *

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

 

32

 

 

232

+

 

1

 

 

64

 

 

128

 

 

 

 

 

1 2 8

 

 

 

2

 

5

 

32

 

 

232

+

 

1

 

2048*

 

 

8 1 9 2 *

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

*

 

Эти

зн ачен и я

 

получены

при вы числении

м ето д о м

 

двум ерн ой

с в е р т к и .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В к а ч ес тв е

примера

р ассм отри м

вы ч и сл ен и е

к р у г о в о й

с в е р тк и

с и гн а л а

г/ j

 

с

функцией

u j

при

m

= 8 ,

 

п ричем

 

| Y \ £ 8 . При

т а ­

ких у сл о ви ях

можно

вы брать

M m z = 1 7 ;

ос

= 2 .

Запиш ем

 

матрицы

п р ео б р азо в ан и я

по

( 3 .1 4 )

и

( 3 .1 5 )

по m o d i? ;:

 

 

 

 

 

 

 

 

Г

 

I

I

 

I

 

1

 

I

1

 

1

 

 

1

 

I

1

1

 

1

 

I

1

 

i

 

1

 

2

4

 

8 - I - 2 - 4 - 8

 

 

1 - 8 - 4 - 2 - 1

 

8

4

 

2

 

1

 

4 - I - 4

 

I

 

4 - 1 - 4

 

 

1 - 4 - I

4

 

1 - 4 - 1

 

д

 

I

 

8 - 4

 

2 - I - 8

4 - 2

Т = - 2 I - 2

4 - 8 - I

 

2 - 4

 

8*

 

I - 1

1 - I

 

1 - I

ï - 1 5 А

1 - 1

I - 1

 

1 - 1

I - 1

 

1 - 2

4 - 8 - I

 

2 - 4

 

8

 

 

I

 

8 - 4

2 - I - 8

4 - 2

 

1 - 4 - I

 

4

 

I - 4 - I

 

4

 

 

1

 

4 - I - 4

 

1

 

4 - 1 - 4

 

I - 8 - 4 - 2 - 1

 

8

4 -2

 

 

1

 

2

4

8 - 1 - 2 - 4 - 8

 

П усть

векторы

у

= ( о ,

1 , 0 ,

1 ,

2 ,

I ,

0 ,

 

l } , u 7 ^ { ï ,

2,Д ,1}-

Л егко у б е д и т ь с я ,

 

ч то

у с л о в и е

\ Y \ < M / Z

 

при

о ц е н к е

| У

| т а х

по

( 3 .2 0 а )

вы п о л н яется:

 

| У Im ax =

 

< 8 , 5 .

Д ля

в ы ч и с л е н и я

 

ТЧЛ

можно

п р и м ен и ть а л г о р и т м

БПФ,

р а с см о тр е н н ы й , н а п р и м е р , в

р а б о ­

те

[ 4 5 ] .

 

В екторы

Y T 4 p

и

и т ч п

б у д у т

( ч и с л а ,

больш ие

М / 2 , пред ­

ставл ен ы о тр и ц ател ьн ы м и

 

д о п о л н ен и я м и )

р а в н ы :

Ут ч п

- { 6 ,

- 2 , 2 ,

- 2 , —2 , —2 , 2 ,

—2 } (т о с И 7 )•

^ТЧ П

=

 

 

2 , —Ï» 3 ,

I ,

—I ,

 

—I ,

О } ( m o d i ? )

 

Д л я

 

т о г о

 

ч то б ы

п ри

вы чи слен и и

с в е р т к и

 

п олучи ть

обобщенный

о т с ч е т ,

эл ем ен ты

в е к т о р а

 

и

р а с п о л а г а е м

в

и н в е р с ­

ном

п о р я д к е

и

д о п о л н я ем

 

н у л я м и . В р е з у л ь т а т ё

и

п о л у чаем п р ео б ­

р а з о в а н и е

 

в е к т о р а

 

U T 4 n ,

о тм еч ен н о е

и н д ексом

( * )

и в

тр ан сп о ­

н и рован н ом

в и д е з а п и с а н н о е

р а н е е .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

П р о и зв ед ем п о ч л ен н о е

перем нож ение

эл ем ен то в

векто р о в

YT4n

и и

^

п

 

и

 

о б р а т н о е

п р е о б р а з о в а н и е . Т о гд а

У ^ тцп

=

{ - 4 ,

- 4 ,

- 2 ,

“ 5 , —2 , 2 , —2 ,

 

 

 

 

 

 

 

» Yq = { 2 ,3 , 2 ,3 , 4, 5, 6, 5 j .

 

 

 

 

 

В виду

н ео б х о д и м о сти

вы п олн ен и я

m

умножений описанная

про ­

ц е д у р а

д л я

вы ч и сл ен и я

YQ ( k )

с т а н о в и т с я ц е л е с о о б р а зн о й

при

од­

новрем ен н ом вы чи слен и и

р я д а обобщенных

о т с ч е т о в . Н априм ер,

при

т .

=

64

 

и

 

ч и сл е т о ч е к в

в ы б о р к е ,

по

к о то р о й р ассч и ты вается

У0 (к),

р а в н о м

3 2 ,

при

ш аге

А I

=

6 и одн ократн ом

вы полнении

процедуры

( 6 4

ум нож ения)

можно

вы чи сли ть

ш есть обобщенных

о т с ч е т о в ;

при

обычных

п р о ц е д у р ах

п о т р е б о в а л о с ь

бы

около

200

умнож ений. Кроме

т о г о ,

при

 

о б р атн о м п р е о б р азо в а н и и

р я д

т о ч е к с в е р т к и

не вычис­

л я е т с я ,

 

ч т о

такж е

 

с п о с о б с т в у е т

ускорению

п роцедуры .

В

р ассм о ­

тр ен н о м

нами

п ри м ере

при

A l

=

2

необходимо б у д ет

вы числять

в

Yg

т о л ь к о

ч е т в е р т у ю ,

шестую

и

восьмую

то ч к и .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 .

 

К ом плексны й

а л го р и тм

п ерви чн ой обработки

 

 

 

 

 

 

 

 

 

с и г н а л о в п е р в о го к л а с с а *

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

М етоди ку

с и н т е з а

к о м п л ек сн о го

ал го р и тм а

первичной

обра­

б о тки

р а с с м о тр и м

н а п ри м ере

ал го р и тм о в

нахож дения

парам етров

в

а н а л и з а х

 

с

с и гн а л а м и

п е р в о г о

к л а с с а .

При

этом, д л я

н аглядности

в о с п о л ь з у е м с я

Г ауссовы м и

си гн ал ам и

н а

фоне помех

и

линейного

д р ей ф а,

 

ч т о

ч а с т о

 

и м еет

 

м е с т о

в х р о м ато гр аф и и ,

м а с с -с п е к т р о -

м етрии

и

т . д .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

К ак

с л е д у е т

и з

р и с . 1 6 ,

первы й

б л о к ком плексного

алгоритм а

о б р а б о т к и ,

вы полняем ы й

в

р е а л ь н о м вр ем ен и , долж ен

вклю чать опе­

рацию

с ч и т ы в а н и я

инф ормации

с ан ал о го -ц и ф р о в о го

п р е о б р азо в а те ­

ля

ч е р е з

 

и н те р в а л ы

вр ем ен и

А ~Ь ,

вы числение

обобщенных

о тс ч е ­

т о в ,

в ы ч и сл ен и е х а р а к т е р и с т и к

пом ехи

и

дрей ф а

при

о тсу тстви и

п о л е зн о го

 

с и г н а л а

 

и ли

т о л ь к о

в н а ч а л е

а н а л и з а , вы числение

п о -

* Р а з д е л н а п и с а н с о в м е с т н о с М .С .Т уленбаевы м .

роговы х зн ач ен и й , обнаружение ком п он ен тов

с и г н а л а и

зап о м и н а ­

ние соответствую щ их им

обобщенных

о т с ч е т о в

YQ { k ) .

В рем енная

д и аграм м а работы

блока

п о к а за н а н а

р и с .1 7 , а .

 

 

Б л о к -сх ем а

программы о б р а б о т к и , образую щ ей п е р в ы й

б л о к,

п р е д ст а в л е н а н а р и с . 1 7 ,6 , S . На р и с Л 7 , f п р и в е д е н а б л о к -с х е м а

программы

обработки ц реры ван и я,

причем циф рам и

 

о б о з н а ч е н ы

 

суб ­

блоки

программы

 

с

р азветв л ен и ям и

в ы ч и с л и те л ь н о го

ц р о ц е с с а

 

на

вы х о д е. Вызов

этой

программы

о с у щ е с т в л я е т с я

т а й м е р о м .

При

 

этом

п р о и зво ди тся

считывание

информации

с

а н а л о г о - ц и ф р о в о г о

п реоб ­

р а з о в а т е л я . Полученное

зн ач ен и е

вр ем ен н о го о т с ч е т а

с и г н а л а

у { гх

х A i )

зап и сы вается

в зо н у

пам яти

ЭВМ,

о тв ед ен н у ю

д л я

х р ан ен и я

текущих временных

о т с ч е т о в . Их

ч и сл о

о п р е д е л я е т с я

о б ъем ом

 

 

вы­

б о р о к,

 

по

которым

вы числяю тся

 

обобщенные

о т с ч е т ы

YQ(k ) .

Вели­

чина

L

=

A l / A

 

i ;

причем

A i

в ы б и р а е т с я

т а к ,

ч то б ы

н а

п и к

 

бы­

ло 2 0 -4 0 о т с ч е т о в . В сл у ч ае н ал и ч и я у с и г н а л о в

 

 

з н а ч и т е л ь н о й

асимметрии и

" х в о с т о в " ,

чи сло

т о ч е к

в

вы б о р ке

н е о б х о д и м о

 

у в е ­

л и ч и в а ть .

Одновременно

с

записью

в е д е т с я

с ч е т

ч и с л а

ь

зап и сы ­

ваемых

д и скр ет

(о р д и н ат)

с и г н а л а . П ока в е л и ч и н а

ъ

< L ,

п р о в е р ­

к а

это го

условия

приводит

к подтверж дению

н у л е в о г о

 

с о с т о я н и я

п ри зн ака

PR1

и

выходу и з

п р ер ы в ан и я . При

д о с т и ж е н и и

 

I з н а ч е ­

ния

L

 

.двоичному

п р и зн аку

PR1

п р и с в а и в а е т с я

е д и н и ч н о е

з н а ч е ­

н и е , счетчи к

i

 

с б р ас ы в а ет с я

в

н уль

и у п р а в л е н и е

 

п е р е д а е т с я

основной

программе

( с м .р и с . 1 7 ,# )

-

з о н а вр ем ен н ы х

о т с ч е т о в

 

з а ­

п о л н ен а .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вычисление

 

обобщенных о т с ч е т о в

п р о и з в о д и т с я в

с у б б л о к е

/

основной

программы

( с м .р и с . 1 7 ,# )

- п о д п р о гр ам м а

SVR

( с м .

 

При­

лож ение

Ï ) . П редварительно п р о и зв о д и т ся з а п и с ь

 

н о в о й

 

инф орма­

ц и и , состоящ ей

из

L о т с ч е т о в

и п е р е з а п и с ь

с о с д в и г о м

в л е в о

 

на

L ,

р а н е е

находивш ейся

в

зо н е

врем енны х о т с ч е т о в информации.Вы -

ч и сл ен и е

^0 Ш

п р о и зво д и тся численным

и н т е г р и р о в а н и е м , наприм ер

по

Симпсону. Вычисление

Y ç(k)

 

можно

п р о и з в о д и т ь

т а к ж е

а н а л о г о ­

вым

и н тегр и р о ван и ем . Р е а л и зац и я

т а к о г о с п о с о б а

 

б у д е т

 

п о к а з а н а

в г л , 4 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Из

су б бл о ка

1 предусм отрен о

д в а

вы х о д а

п р и

м и н и м альн ом

чи­

с л е

обобщенных

о т с ч е т о в

 

к =

5

-

п е р е х о д

в с у б б л о к

 

3 ,

в

 

про­

тивном

 

с л у ч ае

-

 

в

субблок

£ .

 

В

су б б л о к е

3

в ы ч и с л я ю т с я по

YQ[k)

ан ал о ги ч н о ( 3 . Ï )

и

( 3 . 2 )

начальны е

з н а ч е н и я

д и с п е р с и и

(Хов

Q ,

д р ей ф а

 

 

d (к ) и п о р о га А в в ал го р и тм е о б н а р у ж е н и я , а в

 

с у б -

блоке.

Z п рои зводи тся

п р о в ер к а

вы п олн ен и я

н е р а в е н с т в а

 

к >

5 .

 

 

Невыполнение

н е р а в е н с тв а

к >

5

в ы зы в а е т

о б р а з о в а н и е

и

за­

п и сь

промежуточных сумм,

участвую щ их

в у т о ч н е н и и

(70в 0

и

Л в

,

■увеличение

счетч и ка

к

н а

единицу

и в о з в р а т

н а

н а ч а л о п р о гр ам ­

мы.

В противном

сл у чае п р о в е р я е т с я

ф и т е р и й

о б н а р у ж е н и я

( 1 .7 7 ):

е г о

выполнение

с в и д е т е л ь с т в у е т

о н али чи и

в

в ы б о р к е

п о л е з н о г о

 

ком понента

(п ереход

к суб бл о ку

7 ) .

Н евы полнение

к р и т е р и я

 

вы­

зы вает переход

к

субблоку

6 % г д е

р е к у р р е н т н о

у т о ч н я ю т с я

вел и ­

чины

сг£'Б0

и

Л в .

Затем

о п р е д е л я е т с я

у т о ч н е н н о е

з н а ч е н и е

поро­

г а в

( Ï . 7 8 ) и

сб р асы в ается

в

О

с ч е т ч и к

С ч&

ч и с л а

вы полнений

кри тери я

обнаружения:

Сч к

=

0 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

При

первом

обнаружении

ком п о н ен та

(в ы п о л н е н и е услови я

Сч*=

= 0

в

субблоке

7 ) п р о и зв о д и тся зап о м и н ан и е

в е л и ч и н

к н

(н ач а л о

с и г н а л а );

 

К0 (АН)

(су б б л о к

8

)

и в о з в р а т

н а н а ч а л о

п рограм м ы .

Для

отбраковки

возможных

ложных обнаруж ений

в в е д е н

к о н т р о л ь

по

многократному

( 3 -кр атн о м у )

подтверж дению

о б н а р у ж е н и я ( с у б б л о к -

д ) .

Если

с и гн а л

о б н ар у ж и вается

в т о р о й

р а з ,

т о н о в о е

з н а ч е ­

ние

ï 0 (k H+ i)

(к а к

и

п ервое

-

 

 

 

з а п о м и н а е т с я

в

 

буф ер ­

ной

зон е (су б б л о к

11 ) .

При

тр е т ь е м

об н аруж ен и и

п о д р я д

 

с и г н а л а

прои зводи тся

п ер езап и сь

т р е х

вы численны х

обобщ енны х

о т с ч е т о в

и

к н

в

основную

зо н у

(с у б б л о к

1 Z ) ,

и

д а л е е

поступ аю щ и е

 

Y0 ( k )>

> А Ъ

записы ваю тся

в

э т у

зо н у

н е п о с р е д с т в е н н о

( с у б б л о к

13

) .

 

 

Опенка возмож ности реализяттии в

р е а л ь н о м

в р е м е н и

 

б л о к а

/

 

алгори тм а

первичной

о б работки

п р о в о д и л а с ь

по м е т о д и к е ,

 

и злож ен ­

ной

в

р а зд ел е

2 . На

рис .1 8

приведены

гр а $ ы

п р о гр ам м

-

 

п р ер ы ва ­

ний

\ а )

 

и основной

{& )

-

д л я п е р в о г о

б л о к а

а л г о р и т м а

с у к а ­

зан и ем априорных

в е р о я т н о с т е й

п е р е х о д а

(цифры

н а д у г а х

 

г р а ф а

)

и з вершин

по

тем

или

иным

ребрам г р а ф а ;

п о л у ч ен н ы е

н а

 

о с н о в а ­

нии

и зу ч ен и я

типовых' х р о м ато гр аф и ч ески х

а н а л и з о в .

 

 

 

 

 

 

 

 

Необходимые

зн ач ен и я

врем ени

вы п олн ен и я

а л г о р и т м и ч е с к и х

 

д е й ст в и й

были взяты

для' машин

сери и

СМ и з

с п р а в о ч н ы х

д а н н ы х ,

а

д л я

п р о ц ессо р а

"Э л ектр о н и ка -6 0 " р ассч и тан ы

по

ф орм улам

 

( 3 . 4 ) -

( 3 . 7 )

и равны : д л я

операции

слож ения -

4

и к с ,

д л я

у м н о ж ен и я

-

3 0 м кс

(а п п а р а тн о ;

алго р и тм и чески

-

500

м к с ) ,

д л я

вы б о р к и

 

и

деш ифрации

команд -

1 ,2

м к с ,

д л я ф орм и рован и я

а д р е с о в

 

 

о п е р а н ­

д о в

(в р е м я

уп р авл ен и я

кан ал о м

с о .с т о р о н ы п р о ц е с с о р а )

-

 

(14 м к с,

д л я вы борки о п ер ан д а

- 1 , 6

м к с , д л я

за п и с и

р е з у л ь т а т а

 

- 1 , 2

мкс

[ 4 2 ] .

В ер о я тн о сть

нахож дения о п ер ан д а в

р е г и с т р е

о б щ его

н а з н а ­

ч ен и я

п р и н ята

р а в н о й

0 ,5

(д л я

восьм и р е г и с т р о в ] .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Д ля

о п р ед ел ен и я

ср е д н е го

ч и с л а

п р еб ы ван и й в ы ч и с л и т е л ь н о г о

п р о ц е с с а

в

верш инах

гр аф а

m

i l l

п ри о д н о к р атн о м е г о

 

 

прохож ­

д ен и и

необходим о

реш ить

си стем у ( 3 . Ï 0 ) .

П риведем , ч и с л а

 

пребы ­

ван и й

( m

[ / ]

)

и

объем а вы числительны х

р а б о т

{ V p

[ Г

]

)

 

ал го р и тм и чески х

д е й с т в и я х )

д л я гр а ф а р и с . 1 8 , 5

п р и

ф и к с и р о в а н ­

ном

à

t

=

0 ,1 5

JJ'

(

Y'

-

с р е д н е к в а д р а т и ч н а я ш ирина

к о м п о н е н та

Н О