Генератор случайного процесса
Патент 734768
Авторы
Генератор случайного процесса
Иллюстрации
Реферат
Союз Советскнх
Соцнапнстнческнх
Республнк
ОП ИКАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
< - 734758 (6l ) Дополнительное к авт. свил-ву(5! )М. Кл. (22) Заявлено 15.12.77 (21) 2556 185/18-24
G 07 С 15/00
G 06 F 1/02 с присоединением заявки Ж
Государственный комитет (23) Приоритет до делам изобретений н открытий
Опубликовано 15.05.80. Бюллетень № 18
Дата опубликования описания 16.05.80 (53 ) УД К 681.325 (088.8) (72) Авторы изобретения
Э. А. Баканович, С. Ф. Костюк, B. И. Нови;:ов и А. Г. Якубенко (7l) Заявитель
Минский радиотехнический институт (54) ГЕНЕРАТОР СЛУЧАЙНОГО ПРОЦЕССА
Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано при построении имитационно-моделирующей аппаратуры для решения задачи исследования и оптимизации структурно сложных
5 систем.
Известны генераторы, использующие один формирующий фильтр, которые содержат генератор исходного случайного npo о цесса, спектральные свойства которого известны и нормированы. Управление спект» ральной плотностью мощности случайного процесса на выходе таких генераторов выполняется изменением частотной харак15 теристнки формирующего фильтра, Такое управление с математической точки зре-. ния является достаточно простым, так. как спектральная плотность мощности случайного процесса на выходе генератора определяется произведением спектральной плотности мощности исходного случайного процесса и квадрата модуля частотной характеристики формирующего фильтра (1).
Однако проектирование и изготовление формирующих фильтров с перестраиваемой в широких пределах частотной характеристикой технически сложно. Формирующие фильтры, проектируемые на основе анало« говых средств (емкостей и индуктивностей), нетехнологичны и, как правило, их простые конфигурации допускают перестройку частотных свойств в широких пределах только механическим путем. Цифровой же фильтр требует выполнения операций умножения и суммирования и представляет собой вычислительное устройство, высокая точность и быстродействие которого требует существенных аппаратурных затрат.
Кроме того, расчет параметров формирующего фильтра по известной частотной характеристике сложен, так как требует выполнения интегральных преобразований.
Генераторы случайных процессов, использующие несколько формирующих фильтров, содержат дополнительно в своей структуре несколько генераторов исходных случайных процессов и блок суммирования, 73 176
Управление спектральной плотностью мощности случайного процесса на выходе таких генераторов основано на том, что спектральйые плотности суммируются при суммировании независимых случайных про- 5 цессов. Если при этом спектральные плот ности мощности указанных случайных процессов отличны друг от друга (например сдвигом по оси частот), а суммирование выполняется с определенными детерминиро- 10 ванными или вероятностными весами, то их изменение приводит к изменению спектральной плотности мощности выходного случайного процесса. Методика расчета параметров настройки указанных генера- 15 торов оказывается проще чем для генераторов, содержащих один формирующий фильтр (21.
Однако с точки зрения аппаратурных затрат, рассматриваемый вариант являет- 20 ся более емким.
Известны также генераторы, использующие для формирования выходного случай-. ного процесса множество импульсных потоков. Такие устройства содержат в своей структуре множество генераторов импульсов, элементы И, ИЛИ и некоторые другие вспомогательные элементы, причем общим для их структуры является то, что выходы генераторов подключены к З0 входам элементов И, выходы которых подключены (непосредственно или через другие логические элементы) к входам элемента ИЛИ. Процесс на выходе генераторов представляет собой последовательность35 импульсных сигналов определенной формы, следующих через случайные интервалы времени, причем .регулируемой статической характеристикой выходного случайного процесса является закон распределения 40 случайных временных интервалов (3).
Известно, что вариация закона распределения случайных временных интервалов между импульсами приводит к изменению спектральных свойств процесса на выходе 45 генератора. Названный класс генераторов случайных процессов отличает простота технической реализации, так как в своей структуре они содержат достаточно простые и в небольшом количестве логические элементы, а также простота расчета параметров настройки для формирования процесса с заданной функцией распределения случайных временных интервалов, форма которой не имеет принципиальных ограни55 чений.
Однако выполнить обратный расчет, т,е. вычислить требуемую функцию распре8 4. деления случайных временных интервалов по заданной спектральной плотности мощности, оказывается затруднительно как из-за сложности математических преобразований, так и из-за ограниченного класса воспроизводимых спектральных плотностей мощности.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является генератор случайного процесса, содержащий элемент ИЛИ, входы которого соединены с выходами группы элементов
И, первые входы которых "îåäèíåíû с выходами циклического регистра сдвига, вход которого соединен с выходом генератора импульсов (4).
Недостаток этого генератора — ограниченный класс воспроизводимых функций спектральной плотности мощности.
Цель изобретения — расширение функциональных возможностей генератора за счет формирования случайных процессов с произвольной спектральной плотностью мощности формируемого процесса.
Для достижения поставленной цели генератор содержит группу генераторов импульсов, датчик случайных чисел, группу триггеров, регистр памяти, сумматор, блок памяти, первый счетчик, второй счетчик, причем первые входы триггеров соединены с выходами группы генераторов. импульсов соответственно, вторые входы триггеров соединены с выходами датчика случайных чисел, а выходы триггеров соединены со вторыми входам группы элементов И, вход датчика случайных чисел соединен с выходом второго счетчика, вход которого соединен с первым входом первого счетчика, первым входом сумматора, первым входом регистра памяти и подключен к
tl -му выходу циклического регистра сдвига, второй вход первого счетчика соединен со входом циклического регистра сдвига, а выход первого счетчика соединен со входом блока памяти, второй и третий входы сумматора соединены соответственно с выходом элемента ИЛИ и выходом блока памяти, выход сумматора соединен со вторым входом регистра памяти, выход которого является выходом генератора.
Использование новых блоков и связей позволяет получать процесс на выходе генератора в виде последовательности случайных чисел с заданными спектральными свойствами. В отличие от известного форма функции спектральной плотности мощности не зависит от частот генератора импульсов и определяется исключительно на734768 бором кодов, хранящихся в запоминающем устройстве и может быть произвольной.
Указанное свойство устройство приобрело .благодаря введению в его структуру триггеров, сумматора, запоминающегоустройства, регистра и первого счетчика, а простота методики расчета параметров настройки определяется введением в структуру генератора датчика случайных чисел и второго счетчика. 10
На чертеже приведена структурная схема устройства.
Устройство содержит датчик 1 случайных чисел, группу из К генераторов 2 (2-1, ..., 2-N) импульсов, группу из и триггеров 3 (3-1, ..., 3-й), группу из
Ц элементов И 4 (4-1, ..., 4- И), элемент ИЛИ 5, регистр 6 памяти, сумматор
7, блок 8 памяти, первый счетчик 9, циклический регистр 10 сдвига, генератор
11 импульсов, второй счетчик 12. Выходы 1, ..., Й датчика 1 случайных чисел соединены со вторыми входами триггеров
3-1, ..., 3- М соответственно, à первые
25 входы триггеров соединены с выходами генераторов 2-1, ..., 2-М соответственно. Первые входы элементов И 4-1, ..., 4» g соединены с выходами 1, ..., N циклического регистра 10 сдвига, вторые
30 входы — с выходами триггеров 3-1, 3-й соответственно, а выходы — со входами 1, ..., N элемента ИЛИ 5 соотве1ственно. Выход элемента ИЛИ 5 соединен со вторым входом сумматора 7, первый
35. вход которого соединен с первым входом регистра 6 памяти, первым входом первого счетчика 9, входом второго счетчика 12 и подключен к выходу циклическо-. го регистра сдвига. Выход второго счет- 40 чика 12 соединен со входом датчика 1 случайных чисел, выход генератора 11 импульсов соединен со входом циклического регистра 10 сдвига и вторым входом первого счетчика 9. Вход и выход блока 45
8 памяти соединен с выходом первого счетчика 9 и третьим входом сумматора
7 соответственно.
Выход сумматора 7 соединен со вторым входом регистра 6 памяти, выход которого является выходом генератора случайного процесса, Устройство работает следу|ощим образом. атчик 1 случаиных чисел аа выходах 55
1, ..., М формирует равномерно распределенное случайное число по сигналу, поступающему íà его вход.. Генераторы импульсов 2-1, ..., 2-N непрерывно формируют б импульсные последовательности с частотами 2Щ4, ..., 2uug соответственно.
Триггеры 3-1, ..., 3-N выполняют счет импульсных сигналов, поступающих на их первые входы, при этом на выходах триггеров присутствуют сигналы меандровой формы с частотами (у„..., ul „. Вторые входы триггеров являются установочными, появление сигналов на которых вызывает их переключение в соответствующее состояние. Элементы И 4--1, ..., 4.— N выполняют логическую операцию И над сигналами, поступающими на их входы. Элемент
ИЛИ 5 выполняет логическую операцию
ИЛИ над сигналами, поступающими на его входы. Регистр 6 памяти выполняет операцию приема и хранения кода, поступающего на его второй вход при появлении сигнала на его,первом входе. Сумматор
7 выполняет суммирование и вычитание кодов. Операция суммирования или вычитания выполняется над содержимым сумматора (кодом хранимым в сумматоре) и кодом, поступающим на его третий вход.
Управление видом выполняемой операции осуществляется сигналом„поступающим на его второй вход, причем при наличии сигнала выполняется суммирование, а при отсутствии — вычитание. Первый вход сумматора предназначен для установки
его содержимого в исходное (нулевое) состояние по соответствующему сигналу.
Блок 8 памяти предназначен для хранения и выдачи на его выход предварительно записанных в него двоичных кодов при подаче сигналов, соответствующих ко.ду адреса на его вход. Первый счетчик 9 выполняет счет сигналов, поступаюших на его второй вход, На его выходе при этом присутствуют двоичные коды числа импульсов, поступивших на его вход. Первый вход счетчика предназначен для установки его в исходное (нулевое) состояние.
Циклический регистр 10 сдвига по сигналу, поступающему на его вход, выполняет сдвиг хранимого в нем двоичного кода, все разряды в котором нулевые за иск почением одного. На выходах 1, ..., N циклического . регистра 10 сдвига присутсч» вуют сигналы, соответствующие хранимому в нем двоичному коду. Генератор 11 импульсов непрерывно формирует импульсную последовательность с частотой 2 NOD< °
Второй счетчик 12 выполняет счет сигналов, поступаюших на его вход. На выходе счетчика 12 появляется каждый М-ный входной сигнал, где N — коэффициент пересчета.
734768 в 2й раз больше максимальной частоты
ы, переключения триггеров, то время вьполoAHoFo шага pQBHo половине пери минимальной длительности сигнала на вы триггера 3-И . В связи с этим мож но условно рассматривать триггеры 3-1
Э ту- ..., 3-К как находящиеся в статическом состоянии за время выполнения одного шав га. Рассмотрим более подробно выполнев- ие одного шага с момента времени появ1О, ления сигнала на выходе 1 циклического регистра сдвига.
Так как этому предшествует наличие
15 м сигнала на выходе И циклического регистра сдвига, то счетчик 9 и сумматор 7 находятся в нулевом состоянии. Так как сигнал присутствует только на первом выходе циклического регистра сдвига, то на о- выходе элемента ИЛИ 5 присутствует
20 вует сигнал, соответствующий состоянию триггера 3-1 ° Появление очередного сигнала на выходе генератора 11 импульсов вызыо- вает передачу нулевого кода из счетчика е 9 в запоминающее устройство 8. В соответствии с этим адресом из соответствующей ячейки запоминающего устройства м- на вход сумматора поступает код А,4. При этом код Д,(суммируется или вычитается из содержимого сумматора 5 в зависимости от состояния триггера Т„. Таким образом, за один такт работы устройства выполняется операция
А (g) g { ) +" х()
35 4 4 " (-4 Х (Qj=Q
2 .
На втором такте работы устройства аналоч гичная операции выполняется над кодом
Д из запоминающего устройства и состоянием х> (Цтриггера 3-2..
Ф "1)
gn1
Процесс функционирования устройства для наглядности -удобно разбить на такт шаги и циклы, причем 1 цикл включает и себя несколько шагов, а 1 шаг неско ко тактов. Устройство выполняет один такт работы по сигналу на выходе генератора 11 импульсов. Этот сигнал, пос пая на второй вход первого счетчика 9, вызывает передачу кода его состояния блок 8 памяти, на выходе которого поя ляется соответствующий двоичный код, поступающий на сумматор. По окончании сигнала на выходе генератора 11 импуль сов происходит сдвиг кода в циклическо регистре 10 сдвига и увеличении кода состояния. счетчика 9 на единицу. Один шаг включает выполйение Я тактов, при чем начало шага характеризуется наличи ем сигнала на первом выходе циклическ го регистра 10 сдвига, а конец шага— на его Й-ом выходе. Выполнение очередного шага заканчивается с окончанием сигнала на N-ом выходе циклическ го регистра сдвига, при этом содержимо второго счетчика 12 увеличивается на единицу,в регистр 6 записывается код, хранящийся в сумматоре, содержимое су матора устанавливается в нулевое состояние и в первый счетчик 9 записывается нулевой код. Один цикл включает в себя выполнение М-2И шагов работы устрои ства и заканчивается появлением сигнал на выходе второго счетчика 12, который вызывает появление очередного случайно го числа на выходах генератора случайных чисел, устанавливающего триггеры
3-1, ..., 3-N в случайные равновероя ные состояния.
Рассмотрим вид сигналов на выходах. триггеров 3-1, ..., 3-N в течение длительности цикла. Так как в начале цикла
И-й триггер устанавливается в состояние
Н (О или 1) с равной вероятностью, а в течение длительности цикла триггер пе- 45 рерасчитывает импульсы, поступающие с выхода соответствующего генератора, то меандровый сигнал на его выходе опредеl ляется следующим соотношением где 1 — величина, определяемая. фазовым остоянием ))-ro генератора 2 импульсов, Так как частота генератора 11 импульсов и так далее.
Таким образом, за время выполнения одного шага в сумматоре 7 накапливается сумма и по окончании шага она записывается в регистр 6.
После выполнения 2 И шагов цикл завершается установкой триггеров 3-1, ..., 3-И в новое случайное состояние, При выполнении одного цикла на выходе генератора присутствует сигнал F(t) вида
734768
Та к им образом, и редлагае мое устройство позволяет формировать случайный процесс с произвольной (заданной} спект ральной плстнос1ь1с мощности, причем ме5 тодика расчета параметров настройки ге нератора является достаточно простой и сводится квыполнениюарифметическихопераций.
Форму,ra изобретения
Генератор случайного процесса, содержащий элемент ИЛИ, входы которого соединены с выходами группы элементов И, первые входы которых соединены с выходами циклического регистра сдвига, вход которого соединен с выходом генератора импульсов, отлича ющи йся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей генератора 3а счет формирования случайных процессов с произвольной спектральной плотностью мощности, он содержит группу генераторов импульсов, датчик случайных чисел, группу три1» геров, регистр памятп, сумматор, блок памяти, первый и второй счетчики, причем первые входы триггеров соединены с выходами группы генераторов импульсов, соответственно, вторые входы триггеров соединены с выходами датчика случайных чисел, а выходы триггеров соединены со вторыми входами группы элементов И, вход датчика случайных чисел соединен с выходом второго счетчика, вход которого соединен с первым входом первого счетчика, первым входом сумматора, первым входом регистра памяти и подключен к
И -му выходу циклического регистра сдвига, второй вход первого счетчика соединен со входом циклического регистра сдвига, а выход первого счетчика соединен со входом блока памяти, второй и третий входы сумматора соединены соответственно с выходом элемента ИЛИ и выходом блока памяти, выход су-мматора соединен со вторым входом регистра памяти, выход которого является выходом генератог а Ф
Если случайные -обытия на выходах дат ,чика случайных чисел статистически независимы между собой, частоты генераторов кратны Озо> (щ11- p ULo) и длительчость цикла равна QR(d,р),что достигается заданием частоты генератора 11 импульсов равной 2М р,то спектральная плотность мощности случайного процесса на выходе о Г1
5in " где 15
2. методика расчета коэффициентов А 1 оказывается наиболее простой, если потребовать совпадение функции (1(ж) и заданной 6 QJ} в точках гЮ, В этом слу- 20 чае приведенное соотношение принимает вид
ЬХ 2. (гьь1 )=y д р с П (2) г 1- 1 25 где Р L — 1„1 — функция равная Ск, если — целое число, и равная
Р нулю в противном случае.
Отыскание А11 в соответствии с данным соотношением выполняется достаточзо но просто методом подстановки, начиная с Ал. Действительно при г =1
""о и известном АЛ вычисляетсяА2 и так далее.
Рассмотрим вероятность формирования случайного процесса с произвольной спектральной плотностью мощности с помощью предлагаемого генератора. Так как соотношение (1} дает однозначную методику вычисления величин А11, то можно утверждать что для л10богс Н86ора 6 (Г UL1o) могут быть найдены требуемые параметры настройки генератора, С физической точки зрения результирующая спектральная плотность мощности случайного процесса представляет сОбОЙ компсз1щию сдвинутых по 55 осВ частОт функций вида 510 Х I W .1
2 весами А „, что позволяет их вариацией получать любые формы спектральных функGHй. генератора определяется соотношением
1П вЂ” — 3 К д 1Л Ь„З Ь
G(u I=% „ " Хс,,е
n=Л о,и может быть вычислено АЛ, при г = 2
ИСТОЧНИКИ ИифОРМаЦИИе принятые вс внимание при экспертизе
1. Бсбнев М. П, Генерирование случайных сигналов и измерение их параметров.
M. "Энергия, 1966, 2. Авторское свидетельство СССР
¹ 391577, кл. G 06 F 1102, 1972, 3. Лвторское свидетельство СССР № 308431, кл. G 06 F 1102, 1970.
° 4. Лвторсксе свидетельства СССР № 312253, кл. G 06 F 1102, 1970 (прототип }.
734768
Составитель А. Карасов
Редактор А. Мотыль Техред М, Петко Корректор Е. Папп Заказ 2229/15 Тираж 641 П одп исное
ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий
113О35, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5
Филиал ППП Harem, г. Ужгород, ул. Проектная, 4