Генератор случайного процесса

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК 5381 09) (111 убей Ь 06 Р ГОСУД АРСТВЕННЫИ По ДЕЛАМ ИЗОТ КОМИТЕТ ССОР . НИЙ И ОТКРЫТИИ ТЕН ОПИСА Н АВТОРСНО ЗОБРЕ ИЕ И детельство СССРР 7/58, 1971,детельство СССРенерато и й с ализаци лемент держки, 1,от что бл жит три ент ИЛИ оторого и. вы 2.чаюбора р триги злеявляера ент(56) 1, Бобнев И, П.;Тенерирование случайных сигналов". И., Энергия, 19712 Авторское свиИ З 7 О 717, к. С 063 Авторское свипо заявке У 3276948кл6 06 Г 7/58, 1981 (пРототип).(54)(57)1.ГЕНЕРАТОР СЛУЧАЙНОГО ПРОЦЕССА, содержащий датчик случайныхчисел, выход которого через блокформирования тригонометрическихфункций соединен с первым входомЬлока умножеНия, второй вход которого подключен к выходу первого Ьлока.памяти, вход которого является входом генератора, блок быстрого преобразования фурье . первый выходкоторого соединен с информационнымвходом первого коммутатора, первый ивторой выходы которого соединены синформационными входами соответственно второго и третьего блоков памяти, управляющие входы которых подключенысоответственно к первому и второмувыходам второго коммутатора, инфор- . мационный вход которого подключен кпервому выходу блока формирования интервалов времени, второй выход которого соединен с первым входомблока выбора реализации, второй входкоторого соединен с вторым выходом блока быстрого преобразования Фурье,первый вход которого подключен к пер.вому выходу блока выбора реализации, выход второго Ьлока памяти Соединен с первым информационным входом третьего коммутатора, первый выход которого соединен с входом цифро-аналого-, вого преоЬразователя, выход которого. является выходом генератора, второй выход блока выбора реализации соединен с управляющими входами первого, второго и третьего коммутаторов, выход третьего блока памяти соединен с вторым информационным входом третьего коммутатора, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения надежности гена.ратора, он содержит. схему сравнения четвертый коммутатор, четвертый блок памяти, управляющий и ин.,Формационный входы которого под 1 ключены соответственно к первому иЯ мторому выходам Ьлока умножения, а е выход четвертого блока памяти соединен с первыми входами схемы срав" нения и четвертого коммутатора, выход которого. соединен с вторым входом блока быстрого преобразования Фурье, выход которого соединен с вто- М рым входом схемы сравнения, выход ко" ОО торой соединен с третьим входом бло- ффффф ка выбора реализации, первый выход которого соединен с вторым входом четвертого коммутатора, третий вход которого подключен к второму выходу третьего коммутатора.ВНИИ илиал Зака Патент" Ь 6 раж 706 Подписное Ужгород, ул. Проектная1015381 ется первым входом блока и объединен с первым входом элемента И, выход которого соединен с единичным вхо- дом первого триггера, нулевой вход которого соединен с первым входом эле мента ИЛИ,выход которого соединен с . единичным входом второготриггера,выход которого соединен с вторым вхо" дом второго элемента И, второй вход (блока подключен к единичному входу 1Изобретение относится к вычислительной технике и может бцть исполь"зовано для имитации случайных процессов с заданными и программнс управляемыми спектральными характеристиками в вычислительно-моделирующих комп"лексах для управления испытаниями изделий электронной и другой техники намеханические вибрационные, электри/ческие и другие воздействия, а также 30при построении моделирующей аппаратуры. для исследования и оптимизацияструктурно сложных систем.Известен .генератор случайногопроцесса, содержащий один или нес- . 15колько формирующих фильтров для при. дания случайному процессу требуемыхспектральных свойств. Управлениеспектральной плотностью мощностислучайного процесса на выходе таких генераторов осуществляется изменением частотной характеристики формирующих фильтров. Однако с практической точки зрения проектирова,ние и изготовление формирующих 25фильтров с перестраиваемой в широкомчастотном диапазоне характеристикой.представляет собой достаточно трудную техническую задачу 1.1 1,формирующие фильтры, разработан- З 0ные на основе аналогичных средств,достаточно просты и стабильны,.однако нетехнологичны и.их простые:конфигурации допускают перестройкучастотных сВОЙстВ В широких диапа 30нах только механическим путем, Реализация формирующих цепей цифровымисредствами частично лишена этих недостатков, однако расчет параметровформирующих, фильтров по известнойчастотной характеристике достаточно сложен, так как требует выполтретьего триггера, нулевой входкоторого объединен с нулевымвходом первоготриггера и .подключен к шине "Установ,ка", выход элемента задержки соединен с вторым входом элемента ИЛИ,нулевой вход второго триггера являет 1ся третьим входом блока, первым ивторым выходами которого являются соответственно выходы третьего и перВого триггеров 2нения интегральйых преобразований. Кроме того с .аппаратурной точки зрения эти устройства Оказываются очень емкими при воспроизведвнии случай-.ных процессов с высокой разрешающейспособностью, т,е. при задании боль" шого числа значений спектральной плотности мощности случайного процесса, так как аппаратурные затраты растут пропорционально числу заданных значений спектральной характеристики,Известно также устройство, использующее для формирования выходного случайного процесса множество импульсных потоков. Такое .устройство содержит в. Своем составе множество генераторов импульсов, элементы И, . элемент ЛИ и некоторые другие вспомогательные элементы. Процесс на выходе таких генераторов представляет собой последовательность импульсных сигналов определенной формы, сладующих через случайные интервалы вре; мени, причемуправляемой статистической характеристикой выходного случайного процесса является функция распределения случайных временных интервалов 123. Недостатком данных устройств является ограниченные возможности ихиспользования для генерирования случайных процессов с заданными .спектральными характеристиками, так какнесмотря на однозначную связь спектральных характеристик процесса и функции распределения случайных временных интервалов решить обратную задачу, т.е, определить требуемую функцию распределения случайных временных интервалов по заданнойспектральной плотности мощности оказывается затруднительным как из-за3 101 381 4 На фиг, 1 приведена блок-схемапредлагаемого генератора на фиг. 2 схема блока выбора реализации; наВ сложности математических преобразова-, реализации, выход второго блока ний так и из-за ограниченности памяти соединен с первым .инфор класса воспроизводимых спектральных мационным входом третьего коммутатоплотностей мощности. ра,. первый выход которого соединенНаиболее близким к йредлагаемому с входом цифро-аналогового преобраМхническим решением является гене- зователя, выход которого является ратор случайного процесса, содержа- выходом генератора, второй выход щий датчик случайных чисел, блокблока вьбора реализации соедиумножения, блок фориирования триго- . нен с управляющими входами пер.нометрическихфункций, блок формирр ф воговторого и третьего коммутавания интервалов времени, блоки па- . торов, выход третьего блока памяти мяти, коммутаторы, блок выбора реа- соединен с вторым информационным вхолизации, блок быстрого преобразова- дом третвего коммутатора, введены ния Фурье и цифро-аналоговый преоб- . схема сравнения, четвертый коммутараэователь 33 . . 1 у тор., четаертый блок памяти; управяяИзвестное устройство позволяет ющий. и информационный входы которо- получать на выходе случайный процесс го подключены соответственно к перс заданными спектральными характери- вому и второму выходам блока умстиками. . ношения, а выход четвертого блокаОсновным недостатком известных з,.памяти соединен с первыми входами устройствявляется невысокая на- схемы. сравнения и четвертого коммудежность их функционирования, так татора, выход которого соединен с как в них не применены специальные . . вторым входом блока быстрого преобсредства для обнаружения и устранения: раэования фурье, выход которого со-ошибок; В то же время в ряде прак-. ;5 единен с вторым входом схемы сравнетических применений устройства к не ния,выход которой соединен с третьму предъявляются высокие требова- им входом блока выбора .реализации ния по надежности, Ъервый выход которого соединен .Цель изобретения - повышение на- . ,с вторым входом четвертого коммутато- дежности функционирования устройст- З ра, третий вход которого подключен к ва эа счет контроля его работы. . второиу выходу третьего коммутатора.Для достижения поставленной .цеди Кроме того, блок выбора реализав генератор случайного процесса, со" ции содержит три триггера., элемент И,держащий датчик случайных чисел, вы- элемент ИЛИ. и элемент задержки, вход ход которого через блок формирова - . которого является первым входом ния тригонометрических функций сое.- блока и объединен с первым входом, динен с первым входои блока умноже- элемента И, выход которого соединен ния, второй вход которого подклю- .с. единичным входом первого триггера, чен .к выходу первоГо блока памяти, нулевой вход которого соединен с первход которого является входом гене- вым входом элемента ИЛИ выход кото 46Э ратора, блок быстрого преобраэова- рого соединен с единичным входом ния фурье, первый выход .которого . второго триггера, выход которого соесоединен с информационным входом динен с вторым входом второго элепервого коммутатора,. первый и вто- иента И, второй вход блока под.рой выходы которого соединены с ин- клачен к единичному входу третье- формационными входами соответственно го триггера, нулевой вход которого второго и третьего блоков .памяти, уп- объединен. с нулевым входом первого равляющие входы которых подключены . триггераи подключен к шине фустановсоответственно к первому и второму ка", выход элемента задержки соедивыходам второго коммутатора инфор- нен с втОрым входом элемента ИЛИ, нумационный вход которого подключен клевой вход второго триггера является первому выходу блока формирования третьим входом блока, первым и вторым интервалов времени, второй выход . выходами которого являются соответкоторого соединен с первым. входом ственно выходы третьего и первого блока выбора реализаций, второй триггеров.вход которого соединен с вторым вы-. ффходом блока быстрого преобразованияФурье, первый вход которого подключен к первому выходу блока выбора1015 Р (к) (1) где С(С) - заданная спектральная плот.ность мощности генерируе-,35мого случайного процесса;й - число заданных значенийспектральной плотности мощности; 30Т - длина одной реализации(Т-, 4 С);И - число точек в одной реализации случайного процессай Р)т) 1 п 2 3,)) 1у 35а С - шаг дискретизации по времени;й 1 - шаг дискретизации по частоте ( 4 Г -" 1/Т),Второй блок 2 памяти предназначенлоя хранения исходного массива комплексных случайных коэффициентов спектРа Сх(1 ) по адРесам 1 0,1,2. ,Мг,Запись этого массива осуществляетсяза й /2 такта (по два коэффициента вкаждом такте). В первом такте информация, поступающая на первый и второй входы, записывается соответстванно в ячейки с адресами 0 и й/2, Востальных тактах информация с первого и второго выходов записывается вячейки памяти (- 1) и (М - ,) + 1)соответственно ( - номер такта записи, )=2,3,)., М /2).. Блоки 3 и 1 памяти совершенноидентичны и йредназначены для хранения й вещественных значений У (1 ),1 =0,1.,2 й - 1, представляоцих од 5.Фиг. 3 - схема блока формирования интервалов времени; на фиг,11- дидграмма работы генератора.Генератор содержит блоки 1-11 памяти, коммутаторы 9-8, блок 9 Ьыстрого преобразования фурье, блок Ц) умножения, датчик 11 случайных чисел, блок 12 формирования тригонометрических функций, блок 13 выбора ре-, ализации, Ьлок 14 формирования ин тервалов времени, схему 15 сравнения, цифро-аналоговый преобразователь 16,Рассмотрим основные функции выполняемые каждым из структурных эле" ,ментов устройства. 15Первый блбк 1 памяти предназначен для приема с входа устройства и хранения коэффициентов амплитудного спектра Р (к ), определяе-. мых из соотношения 20 381 6ну реализацию случайного процесса,записываемых с первых входов Ьлоков,Последовательное считывание информа-,ции осуществляется по импульсам, поступающим. на их вторые входы,Коммутаторы 6 и 7 предназначеныдля коммутации информации, поступающей на их первые входы, на первый(второй) выходы при единичном (нулевом) сигнале на вторых (управляющих) входах,Коммутатор 8 обеспечивает передачу информации, поступающей на егопервый и третий входы, соответственно на второй и первый выходы при еди-.ничном сигнале на втором .(Управлящем) входе и соответственно на первый. и второй выходы при нулевом сигнале на втором входе.Блок 9 бысТрого преобразованияФурье предназначен для выполненияпо .одному из известных алгоритмовбыстрого преобразования Фурье,причем при. единичном управляющемсигнале на его втором входе он выполняет обратное быстрое .преобразование Фурье, а при нулевом сигналена,втором входе - прямое ЬыстроепреоЬразование фурье. После окончания каждого преобразования (прямого или обратного) блок 9 быстрогопреобразования фурье формирует навтором выходе импульс конца преобразования, В качестве блока 9 можетбыть использовано любое известноеустройство, осуществляющее как прямое, так и обратное быстрое преобра.-.зование фурье.Датчик 11 случайных чисел пред"назначен для формирования на своемвыходе случайных равномерно распределенных на интервале ( О, (йцелых двоичных чисел,Блок 12 формирования тригонометрических функций предназначен для формирования на своем выходе комплексных величиндксов-) - 1 ввв ( в(2)по каждому значению К, поступаоцемуна его вход,Практически блок 12 может быть реализован в виде постоянного запоминаоцего устройства, по последовательным адресам К = (К 0,1,2 М)которого записаны комплексные константы вида (2).Блок 10 умножения выполняет операцию умножения действительных чи7 10153.81 8сел, поступающих на его второй . Если же к моменту времени С тригвход, и комплексных чисел поступа-гер 18 не сбросился внулевое состояющих на его первый вход, Для загруз- ние, то поступивший в этот моментки второго блока 2 памяти необходи- времени импульс на первом входе бло мо выполнить й /2 тактов умножения,.ка поступает на второй (счетный) .входпричем блок 1,0 умножения имеет ту. триггера 17:и перебрасывает его вособенность, что в первом такте он . противоположное состояние. В дальвыполняет. непосредственную. передачу.,нейшем описанная последовательностьчисла на втором входе.на первый вы- операций повторяется,ход (без умножения), а на втором 1 ф Для того, чтобы триггеры .17-19выходе формируется нулевой двоич- перед началом рабоеы находились вный код, .В остальйых Н /2- 1 тактах : единичноМсостоянии, необходимо пона первый выход результат:,умножения дать одиночный импульс на шину "Устапередается без изменения, а на вто- новка",рой выход - в комплексно-сопряженном и Блок 1-предназначен для формиро"по отношению к первому выходу виде. вания на первом своем выходе импуль.Блок 13 осуществляет синхрониза" ,сов с интервалом следованияцию работы всех блоков устройства.,.Пример. схемной реализации блока 13 Ьс- , .1 сс.прйведен на фиг. 2. Для описания его 24работы воспользуемся временной диаграммой, представленной на фиг. 4, где Т .-, длина одной реализации случайБлок 13 содержит триггеры 17-19, -. ного прМесса;элемент И 20, элемент 21 задержки, , ; И- количество точек в одной реаэлемент ИЛИ 22, тактовый генератор 23,И . ГмзацииРаботу блока 13 рассмотрим, начи-.- интервал между импульсами наная с момента времени с (фиг.2). В .входе блока 14;этот же момент все триггеры находят- . 1 с " масштабный коэффициент, изме",ся в единичном состоянии, Тактовый няя который можно управлять длительногенератор 23 предназначен для фор- з.:стью реализации случайного процесса,мирования регулярной. последователь" На втором выходе блока 14 формируности импульсов с периодом следова- . ются через интервалы времени Т имнияГ. В момент времени й импульс, пульсы конца развертки, информирую поступивший .со второго входа блока щие блок 13 об.окончании передачина второй (счетный) вход триггера на выход устройства очередной реали,ЗЭ19, перебрасывает последний в проти- . зации и о необходимости передавать навоположное (нулевое) состояние. Сле- .вход устройства следующую реализадующий импульс на втором входе блока цию.13 управления (моментвремени с ) ле- Одна из возможных схемных реализа-3 фрабрасывает триггер 19.в единичное ций блока 14 приведена на фиг. 3 исостояние. Появление на интервале вре- включает счетчики 24 и 25 суммирую;мени (й ,й, ) хотя бы одного импульса щего типа, регистры 26 и 27, схемы 28зФ ф.на третьем входе блока 13 вызыва -: и 29 сравнения,элементы И 30 и 31;ет установку по второму (устано- ;Счетчик 24, регистр 26, схема 28вочному) входу. триггера 18 в ну- , сравнения и элемент И 30 предназна 43левое состояние, запрещая по вто- . . цены дпя формирования на первом вырому входу прохождение через элемент ходе блока регулярной последователь;И 20 импульса, поступившего в момент носТи импульсов с управляемым интервремени на первый вход блока 13,сле-. валом между ними Дй, На вход блокадовательно, триггер 17 продолжает развертки поступают опорные регуляроставаться в прежнем состоянии. Этот ные импульсы с интервалом следоваже импульс (на первом входе блока) ния Ч;, В регистре .26 хранится двоичпроходит черезэлемент 21 задержки, ный код К масштаба развертки. Поэлемент ИЛИ 22: на первый (установоч- каждому импульсу на входе блока разный) вход триггера 18, устанавливая . вертки счетчик 24 увеличивает своеего в единичное .состояние, Элемент фф состояние на единицу,21 задержки должен задерживать импуль- Работу блока 14 рассмотрим с мосы на время, превышающее их длитель- мента времени, когда .счетчики 24 и 2ность. находятся в нулевом состоянии.30 Э 10153После поступления К-го импульсана вход блока в счетчике 24 устанавливается двоичный код числа К, а навыходе схемы 28 сравнения появляется уровень логической единицы, раз- зрешающий по второму входу прохождениечерез элемент И 30 очередного (К+1)го импульса, Проходя на первыйвыход блоха развертки, этот импульс.сбрасывает счетчик 24 в нулевое сос втояние, Описанная последовательностьопераций циклически повторяется в течение всего времени работы устройств.а.Таким образом, на первый выход блокаразвертки передается каждый (К+1)- й 15импульс. Следовательно, длйтельностьвременного интервала между ними составляет д= М . Изменяя содержимое регистра 26, можно управлять интервалом времени Ьй, 29Работа второй части схемы блока14 аналогична работе первой части затем исключением, что в регистр 27записывается код й , а входными импульсами для этой части схемы явля- Иются импульсы на первом выходе блока развертки, Следовательно,.на втором выходе Ьлока развертки формируются импульсы с интервалом следования Т ЙЖ,Схема 15 сравнения предназначенадля сравнения кодов, поступающих наее первый и второй входы. В случаеих несовпадения. схема 15 сравнениявыдает импульс ошибки,Цифро-аналоговый преобразователь16 обеспечивает преддтавление входной последовательности дискретныхслучайных чисел в аналоговой форме,40Случайный процесс на выходе генератора представляется в виде последовательности реализаций длитель:ностью Т каждая. С целью повышениядостоверности функционирования,устройства каждая сформированная реализация вначале проверяется и толькопосле положительного исхода провер."ки передается на выход,Для Формирования каждой реализациииспользуется обратное быстрое преобразование Фурье.Так как с помощью быстрого алгоритма формируется сразу вся реализация, а не ее отдельные точки, тодля того, чтобы на выходе генератора Формировался слуЧайный процесс беэперерывов, определяемых временем формирования следующей реализации, необ-. 81 . 10ходимо, чтобы в люЬой момент времени одна реализация текущая ) уже имелась в устройстве и передавалась на, выход, а еще одна реализация находилась бы в процессе формирования или бы. ла уже сформирована.Воспроизводимая генератором спектральная плотность мощности Д (с) будет совпадать. с заданной 6(т) в точках, КЬГ, К 0,1,2 й /2- 1. Поэ тому перед началом работы устройства с его входа в первый блок 1 памяти записываются коэффициенты Р-.(К) амплитудного спектра, рассчитываемые в соответствии а (1) .Работу устройства рассмотрим, на" чиная с момента времени с, . Предполо- жим, что в блоке 4 памяти хранится сформированная и проверенная реализация случайного процесса, готовая к передаче на выход устройства.Параллельно в устройстве протекают два процесса, Во-первых, импульсы с первопо выхода блока 14 через коммутатор 7 (с первого входа на первый выход) поступают на второй вход блока 4 памяти и осуществляют последовательное считывание значений хранимой в нем реализации. Этот процесс по временной протяженности совпадает с длиной реализации Т =МИ. Во-вторых, формируется и проверяется новая (следующая) реализация случайного процесса. Для этого перед началом формирования каждой реализации осуществляет-ся загрузка в блок 2 памяти исходного массива С ( ) .Запиь массива С ( ) осуществляется за й /2 тактов, как Ьыло отмечено при описании назначения блока 2. памяти . Для этого в каждом такте на второй вход блока 10 умножения с выхода блока 1 памяти последовательно поступает коэффициент Р (1 ), а на первый вход поступают с выхода блока развертки комплексные случайные числа.После этого полученный массив С(1 ) через коммутатор(с первого входа на выход) поступает на первый вход блока 9 быстрого преобразова" ния Фурье и последний переходит в режим выполнения обратного быстрого преобразования Фурье.После окончания выполнения обратного преобразования блок 9 быстрого преобразования фурье выдает на второй выход импульс конца обратного преобразования (момент времени й), а на первый выход передает сформиро11 - -1:.О:15381 12ванный массив (новую реализацию), - мированная реализация безошибочна;который через коммутатор 6 (с .перво-. поэтому в момент времени й+.логичесго входа на первый выход) записыва-. кий уровемьна втором выходе блока 13ется в блок.3 памяти., управления изменяется на противопо .ложный и на интервале (11,й 5) отраС моиента времени . й начинается,батывается следующий цикл работы устпроверка полученной реализации, Дпя . ройства, когорый отличается от предыэтого:значения новой реалиэации по-дущего тем, что:на выход устройстваследовательно: считываются из блока.3 передается реализация, записанная впамяти и йбстуйают через коммутаторы з блоке 3 памяти, а вновь сформирован 8 и. 5 на первйй. вход блока 9 быст- . ная реализация записывается в блок 4.рого преобразоваийя .фурье, который : .памяти, так как изменилось управлепереходит в режим вычисления пря.-ние коммутаторами. 6"8-. В этом цикле.мого быстрого преобразования .Фурье:, также не появились ошибки и в мо(на втором:управляющем входе установ мент времени й;логический уровеньлен.нулевой логический уровень). К . , на втором выходе блока 13 опять измоменту-вреени с. блок 9.выдает: . :, меняется на противоположный, Рас.:на .второй. выход: импульс -конца пря- : смотрим случай, когда. во время вы. мого: преобразования, а на первый вы- . числений происходит. сбой появляет.ход + полученный комплексный спектр м ся оеибка, интервал времени (й,Ф.),С(1 ),=0,1,2 И. - 1, Спектр ."т,.е, при проверке сформированной реа" С( ) в память не:записывается, .ализации, хранимой в блоке 4 памятисравнивается"со спектром С(1 ), :. : схема 15 сравнения выдала сигнал.хранимым в блоке 2 памяти. Дяя этого овибки (момент времени й,) , Поэтомукоэффициенты Сф.) .и С(1) последова- И - в следующем цикле (интервал временительно подаются соответственно на . (й;, ) нельзя передавать эту реааторой и первый .входы схемы 15 срав- лизацию на выход. С этой целью в монения, В сЛучае несовпадения хотя бы мент. времени С;1 сигнал на втором:одной пары .коэффициентов на выходе . выходе блока 13 не изменяется и насхемы 15 сравнения Формируется сиг-. в .выход устройства.в следующем цикленал. оаибкй, который информирует. блок . второй раз подряд передается одна И13 о том, что загмсанная в блоке .3 та же реализация, хранимая в блокепамяти реализация содержит оаибки и :4 памяти, а в блок 3:.записывается и.ее нельзя передавать на выход, На проверяется еще одна реализация, Ь ., Фиг. 4 показано, что за время (й,й,) дальнейвем работа устройства повто-не произощло ни одном овибки и сфор- . ряется.