本發(fā)明涉及數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域，特別涉及一種斯皮爾曼簡捷相關(guān)系數(shù)求解方法以及現(xiàn)場可編程邏輯門陣列運(yùn)算電路。

背景技術(shù)：

1、由信號處理領(lǐng)域延伸發(fā)展的統(tǒng)計(jì)信號處理，是目前重要的研究領(lǐng)域，而在統(tǒng)計(jì)信號處理中，對兩組數(shù)據(jù)之間的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行分析也逐漸成為學(xué)者們的研究熱點(diǎn)。相關(guān)分析(correlation?analysis)是在一個(gè)多世紀(jì)前伴隨著統(tǒng)計(jì)學(xué)科的創(chuàng)立而發(fā)展起來的一個(gè)研究課題，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域。相關(guān)系數(shù)是量化相關(guān)分析中兩個(gè)隨機(jī)變量之間線性關(guān)系強(qiáng)度的特定度量，假如當(dāng)兩個(gè)隨機(jī)變量中的一個(gè)隨機(jī)變量隨著另一個(gè)隨機(jī)變量的增大(減小)而增大(減小)時(shí)，則這兩個(gè)隨機(jī)變量為正相關(guān)關(guān)系；反之，當(dāng)兩個(gè)隨機(jī)變量中的一個(gè)隨機(jī)變量隨著另一個(gè)隨機(jī)變量的增大(減小)而減小(增大)時(shí)，則這兩個(gè)隨機(jī)變量為負(fù)相關(guān)關(guān)系，關(guān)系的強(qiáng)度基于相關(guān)系數(shù)的值而在程度上發(fā)生變化。在信號處理和統(tǒng)計(jì)學(xué)等許多相關(guān)領(lǐng)域，相關(guān)系數(shù)已經(jīng)成為量化隨機(jī)變量之間統(tǒng)計(jì)關(guān)系強(qiáng)度的常用方法。由數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)科的創(chuàng)始人karl?pearson所提出的皮爾遜積矩相關(guān)系數(shù)(pearson’s?productmoment?correlation?coefficient,ppmcc)、統(tǒng)計(jì)學(xué)家spearman提出的斯皮爾曼秩次相關(guān)系數(shù)(spearman’s?rho,sr)和心理學(xué)家kendall提出的肯德爾秩次相關(guān)系數(shù)(kendall’stau,kt)是目前理論研究和實(shí)際應(yīng)用使用最多的三種相關(guān)系數(shù)。統(tǒng)計(jì)學(xué)家fisher證明了在樣本服從二元正態(tài)分布時(shí)，ppmcc是母體相關(guān)系數(shù)的最優(yōu)漸進(jìn)無偏估計(jì)，并且其統(tǒng)計(jì)特性已經(jīng)非常完備，同時(shí)運(yùn)算的時(shí)間復(fù)雜度低，運(yùn)算效率高，可滿足實(shí)時(shí)性的要求，由于ppmcc具備上述優(yōu)點(diǎn)，因此其無論是理論研究還是實(shí)際應(yīng)用都占據(jù)著主導(dǎo)地位。但在實(shí)際應(yīng)用中，采集的數(shù)據(jù)難免受到噪聲的干擾，尤其是脈沖噪聲，例如低頻大氣噪聲、自然界中閃電雷暴產(chǎn)生的電磁干擾、人為噪聲、電子設(shè)備產(chǎn)生的干擾噪聲，而ppmcc對樣本中的噪聲非常敏感。當(dāng)樣本中有脈沖噪聲時(shí)，此時(shí)ppmcc的性能將會(huì)急劇下降甚至完全失效，而sr和kt由于只用到了樣本的排序信息即秩次信息，因此對樣本中的非正態(tài)分布的敏感度更低，并且對脈沖噪聲具有一定的穩(wěn)健性。

2、相對于上述的三種經(jīng)典相關(guān)系數(shù)，斯皮爾曼簡捷相關(guān)系數(shù)(spearman’sfootrule,sf)的研究與應(yīng)用相對較少。斯皮爾曼簡捷相關(guān)系數(shù)是測量兩組秩變量之間的曼哈頓距離的自然屬性，依賴于樣本的秩次信息，因此與sr和kt一樣對脈沖噪聲也具有一定的穩(wěn)健性。相關(guān)文獻(xiàn)已經(jīng)證明，斯皮爾曼簡捷相關(guān)系數(shù)在某些條件下的性能是優(yōu)于sr和kt的，與此同時(shí)，sf的計(jì)算是基于樣本排序信息的差的絕對說明書100002?2023.03值，這也使得斯皮爾曼簡捷相關(guān)系數(shù)的計(jì)算比sr和kt更加的簡單高效。

3、由于sf的簡捷性、魯棒性和本身的自然屬性等優(yōu)點(diǎn)，其已經(jīng)被重新發(fā)掘并應(yīng)用在基因?qū)W、信息檢索等多個(gè)研究領(lǐng)域，因此實(shí)現(xiàn)sf的快速求解具有一定的現(xiàn)實(shí)意義?，F(xiàn)有技術(shù)中，常采用cpu對斯皮爾曼簡捷相關(guān)系數(shù)進(jìn)行計(jì)算求解，但由于cpu主要采用串行的計(jì)算方式，因此受限于串行運(yùn)算的局限性，導(dǎo)致cpu對斯皮爾曼簡捷相關(guān)系數(shù)的計(jì)算求解比較耗時(shí)。

4、綜上所述，適應(yīng)現(xiàn)有技術(shù)中cpu對斯皮爾曼簡捷相關(guān)系數(shù)進(jìn)行計(jì)算求解，由于cpu主要采用串行的計(jì)算方式，受限于串行運(yùn)算的局限性，而導(dǎo)致cpu對斯皮爾曼簡捷相關(guān)系數(shù)的計(jì)算求解比較耗時(shí)等問題，本技術(shù)人出于解決該問題的考慮作出相應(yīng)的探索。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本技術(shù)的目的在于解決上述問題而提供一種斯皮爾曼簡捷相關(guān)系數(shù)求解方法以及現(xiàn)場可編程邏輯門陣列運(yùn)算電路。

2、為滿足本技術(shù)的各個(gè)目的，本技術(shù)采用如下技術(shù)方案：

3、適應(yīng)本技術(shù)的目的之一而提出的斯皮爾曼簡捷相關(guān)系數(shù)求解方法，包括：

4、步驟s10、將信號xi輸入現(xiàn)場可編程邏輯門陣列運(yùn)算電路中的行、列存儲塊，得到x1...xi...xn和x1...xj...xn，完成一級緩存；

5、步驟s20、將步驟s10中得到的x1...xi...xn和x1...xj...xn輸入比較器陣列，完成n2次比較操作，得到aij＝sign(xi-xj)，并輸入流水線中，完成二級緩存；

6、步驟s30、將信號yi輸入行、列存儲塊中，得到y(tǒng)1…yi…yn和y1…yj…yn，完成一級緩存；

7、步驟s40、將步驟s30中得到的y1…yi…yn和y1…yj…yn輸入比較器陣列，完成n2次比較操作，得到bij＝sign(yi-yj)，并輸入流水線中，完成二級緩存；

8、步驟s50、將步驟s10中得到的y1…yi…yn和步驟s3中得到的y1…yj…yn輸入比較器，完成n次比較操作，得到ci＝sign(xi-yi)，并輸入流水線中，完成二級緩存；

9、步驟s60、將步驟s20、步驟s40和步驟s50中得到的

10、aij＝sign(xi-xj)、bij＝sign(yi-yj)和ci＝sign(xi-yi)同時(shí)輸入陣列乘法累加器，在控制單元控制下，分時(shí)完成和

11、步驟s70、將步驟s60中得到的

12、輸入減法器，完成

13、步驟s80、將步驟s70中得到的輸入除法器，完成

14、步驟s90、將步驟s80中得到的

15、輸入減法器，以確定斯皮爾曼簡捷相關(guān)系數(shù)為：

16、

17、步驟s100、將步驟s90中得到的斯皮爾曼簡捷相關(guān)系數(shù)輸入寄存器中，得到輸出結(jié)果，其中，i，j＝1…n。

18、可選的，所述步驟s60包括：

19、步驟s601、將aij＝sign(xi-xj)、bij＝sign(yi-yj)和ci＝sign(xi-yi)同時(shí)輸入相應(yīng)的乘法器陣列，在控制單元控制下，分時(shí)完成n2次并行輸入乘法運(yùn)算，得到sign(xi-xj)sign(xi-yi)和sign(yi-yj)sign(xi-yi)；

20、步驟s602、將步驟s601得到的sign(xi-xj)sign(xi-yi)和sign(yi-yj)sign(xi-yi)同時(shí)輸入相應(yīng)的加法器，分時(shí)完成n2次并行輸入加法運(yùn)算，得到和

21、適應(yīng)本技術(shù)的另一目的而提出的一種現(xiàn)場可編程邏輯門陣列運(yùn)算電路，應(yīng)用于上述任意一項(xiàng)所述的斯皮爾曼簡捷相關(guān)系數(shù)求解方法，包括：

22、比較器陣列，其用于根據(jù)信號xi和yi計(jì)算aij和bij；

23、比較器，其用于根據(jù)信號xi和yi計(jì)算ci；

24、陣列乘法累加器，其用于計(jì)算

25、減法器，其用于計(jì)算t1-t2和

26、除法器，其用于計(jì)算

27、行、列存儲塊，其用于串行寄存信號xi和yi，其支持塊尋址；

28、流水線，其用于暫存中間運(yùn)算結(jié)果；

29、控制單元，其用于時(shí)序控制陣列乘法累加器；

30、寄存器，其用于寄存最終運(yùn)算結(jié)果；

31、信號xi和yi在輸入現(xiàn)場可編程邏輯門陣列運(yùn)算電路后執(zhí)行的運(yùn)算步驟為：

32、步驟s1、將信號xi輸入行、列存儲塊中，得到x1…xi…xn和x1…xj…xn，完成一級緩存；

33、步驟s2、將步驟s1中得到的x1…xi…xn和x1…xj…xn輸入比較器陣列，完成n2次比較操作，得到aij＝sign(xi-xj)，并輸入流水線中，完成二級緩存；

34、步驟s3、將信號yi輸入行、列存儲塊中，得到y(tǒng)1…yj…yn和y1…yj…yn，完成一級緩存；

35、步驟s4、將步驟s3中得到的y1…yi…yn和y1…yi…yn輸入比較器陣列，完成n2次比較操作，得到bij＝sign(yi-yj)，并輸入流水線中，完成二級緩存；

36、步驟s5、將步驟s1中得到的x1…xi…xn和步驟s3中得到的y1…yj…yn輸入比較器，完成n次比較操作，得到ci＝sign(xi-yi)，并輸入流水線中，完成二級緩存；

37、步驟s6、將步驟s2、步驟s4和步驟s5中得到的

38、aij＝sign(xi-xj)、bij＝sign(yi-yj)和ci＝sign(xi-yi)同時(shí)輸入陣列乘法累加器，在控制單元控制下，分時(shí)完成和

39、步驟s7、將步驟s6中得到的

40、輸入減法器，完成

41、步驟s8、將步驟s7中得到的

42、輸入除法器，完成

43、步驟s9、將步驟s8中得到的

44、輸入減法器，以確定斯皮爾曼簡捷相關(guān)系數(shù)為：

45、

46、步驟s10、將步驟s9中得到的斯皮爾曼簡捷相關(guān)系數(shù)輸入寄存器中，得到輸出結(jié)果，其中，i，j＝1…n。

47、可選的，所述陣列乘法累加器包括：

48、乘法器陣列，用于計(jì)算aijci、bijci，其中，i，j＝1…n；

49、加法器，用于計(jì)算

50、信號xi和yi在輸入該陣列乘法累加器后的執(zhí)行的運(yùn)算步驟為：

51、步驟s61、aij＝sign(xi-xj)、bij＝sign(yi-yj)和ci＝sign(xi-yi)同時(shí)輸入相應(yīng)的乘法器陣列，在控制單元控制下，分時(shí)完成n2次并行輸入乘法運(yùn)算，得到sign(xi-xj)sign(xi-yi)和sign(yi-yj)sign(xi-yi)；

52、步驟s62、步驟s61得到的sign(xi-xj)sign(xi-yi)和sign(yi-yj)sign(xi-yi)同時(shí)輸入相應(yīng)的加法器，分時(shí)完成n2次并行輸入加法運(yùn)算，得到其中，i，j＝1…n。

53、可選的，所述現(xiàn)場可編程邏輯門陣列運(yùn)算電路采用流水線處理方式。

54、適應(yīng)本技術(shù)的另一目的而提出的一種電子設(shè)備，應(yīng)用上述的斯皮爾曼簡捷相關(guān)系數(shù)求解方法。

55、適應(yīng)本技術(shù)的另一目的而提出的一種計(jì)算機(jī)設(shè)備，包括存儲器和處理器，所述存儲器存儲有依據(jù)上述任意一項(xiàng)所述的方法所實(shí)現(xiàn)的計(jì)算機(jī)程序，所述處理器執(zhí)行所述計(jì)算機(jī)程序時(shí)實(shí)現(xiàn)任一項(xiàng)所述的一種斯皮爾曼簡捷相關(guān)系數(shù)求解方法。

56、適應(yīng)本技術(shù)的另一目的而提出的一種計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，其以計(jì)算機(jī)可讀指令的形式存儲有依據(jù)上述任意一項(xiàng)所述的方法所實(shí)現(xiàn)的計(jì)算機(jī)程序，該計(jì)算機(jī)程序被計(jì)算機(jī)調(diào)用運(yùn)行時(shí)，執(zhí)行相應(yīng)的方法所包括的步驟。

57、相對于現(xiàn)有技術(shù)，本技術(shù)針對現(xiàn)有技術(shù)中cpu對斯皮爾曼簡捷相關(guān)系數(shù)進(jìn)行計(jì)算求解，由于cpu主要采用串行的計(jì)算方式，受限于串行運(yùn)算的局限性，而導(dǎo)致cpu對斯皮爾曼簡捷相關(guān)系數(shù)的計(jì)算求解比較耗時(shí)等問題，本技術(shù)包括但不限于如下有益效果：

58、其一，本技術(shù)的斯皮爾曼簡捷相關(guān)系數(shù)求解方法，充分利用現(xiàn)場可編程邏輯門陣列運(yùn)算電路(fpga運(yùn)算電路)高性能的并行處理能力，能夠進(jìn)一步縮短斯皮爾曼簡捷相關(guān)系數(shù)的計(jì)算時(shí)間，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、快速的基于斯皮爾曼簡捷相關(guān)系數(shù)(sf)的信號相關(guān)處理；

59、其二，皮爾遜積矩相關(guān)系數(shù)在脈沖噪聲環(huán)境下基本失效，而斯皮爾曼簡捷相關(guān)系數(shù)(sf)在對脈沖噪聲穩(wěn)健的同時(shí)，在計(jì)算上比斯皮爾曼秩次相關(guān)系數(shù)和肯德爾秩次相關(guān)系數(shù)簡單高效；

60、其三，由于用cpu求解sf比較耗時(shí)，本技術(shù)采用現(xiàn)場可編程邏輯門陣列運(yùn)算電路(fpga運(yùn)算電路)實(shí)現(xiàn)對斯皮爾曼簡捷相關(guān)系數(shù)的快速求解，通過對斯皮爾曼簡捷相關(guān)系進(jìn)行化簡得到它的快速版本，從而能夠簡化基于斯皮爾曼簡捷相關(guān)系數(shù)設(shè)計(jì)的現(xiàn)場可編程邏輯門陣列運(yùn)算硬件電路，加快運(yùn)算速度；而通過基于現(xiàn)場可編程邏輯門陣列的并行計(jì)算模式對斯皮爾曼簡捷相關(guān)系數(shù)進(jìn)行求解，能進(jìn)一步縮短計(jì)算時(shí)間，達(dá)到實(shí)時(shí)、快速對斯皮爾曼簡捷相關(guān)系數(shù)求解的目的。