Генератор случайного процесса

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик пщ 972505(1)М К 3 С 06 Г 7/58 Государственный комитет СССР по делам изобретений н открытий(72) Авторы изобретения Э.А.Баканович, В.П.Лозицкий н Ю.В.Коржен Заявитель ический институт ио ССА 1,54) ГЕНЕРАТОР СЛУЧАЙНОГО Изобретение относится к вычисли-тельной технике и автоматике и может быть использовано для имитации слу:чайных процессов с заданными и программно-управляемыми характеристиками в вычислнтельно-моделирующих комплек сах для управления испытаниями изделий электронной и другой техники на механические, вибрационные, электрические и другие воздействия, а также при построении моделирующей аппаратуры для исследования и оптимизации структурно сложных систем.Известен генератор случайных процессов, содержащий один или несколько формирующих Фильтров для придания случайному процессу. требуемых спект ральных свойств 1).Управление спектральной плотность мощности случайного процесса на выходе таких генераторов выполняется путем изменения частотной характеристики Формирующих фильтров. Однако с практической точки зрения, проекти рованне и изготовление формирующих Фильтров с перестраиваемой в широком частотном диапазоне характеристикой представляет собой достаточно сложную техническую задачу. Формирующие фильтры, разработанные на основе аналоговых средств, достаточно просты и нестабильны, однако онн не тех,нологичны и их простые конфигурациидопускают герестройку частотныхсвойств.в широких диапазонах только,механическим путем. Реализация формирующих цепей цифровыии средствамичастично лишена этих недостатков,однако расчет параметров Формирующих фильтров по известной частотнойхарактеристике достаточно сложен,так как требует выполнения интегральных преобразований. Кроме того, саппаратурной точки зрения эти устройства оказываются очень емкимипри воспроизведении случайных процессов с высокой разрешающей способностью, т.е. при задании большогочисла значений спектральной плотности мощности случайного процесса,так как аппаратурные затраты растут,пропорционально числу заданных точекзначений спектральной характеристики.Известны также устройства, ис пользующие для Формирования выход,ного случайного процесса множествоимпульсных Потоков,содержащие в Своей структуре множество генераторовимпульсов, конъюнкторы, дизъюнкторы ЗО и некоторые другие вспомогательныеИ.Демч оррект акт ПП "ПатенТ, г. Ужгород, ул, Проектная, 4 каз 8518/41. ВНИИПИпо дел113035, М судаам из ква аж 731 Подписноственного комитета. СССРбретений и .открытийЗ, Раушская наб., д, 4/5элементы. Процесс на выходе таких генераторов представляет собой последовательность импульсных сигналов определенной формы, следующих через случайные интервалы времени, причем управляемой статистической характеристикой выходного случайного процесса является закон распределения случайных временных интервалов 2 ),Недостатком данных устройств яв.ляются ограниченные возможности их использования для генерирования слу-, чайных процессов с заданными спектральными характеристиками, так как несмотря на однозначную связь спект ральных характеристик процесса и Функции распределения случайных временных интервалов решить обратную за-, дачу т.е. определить требуемую функ цию распределения случайных времен О ных интервалов по заданной спектральной плотности мощности, оказывается затруднительным как из-за сложности математических преобразований, так и из-за ограниченного класса воспро изводимыхспектральных плотностей мощности.Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является устройство, содержащее датчик случайныхчисел, группу из й генераторов импульсов, группу из И триггеров, группу из й элементов И,элементы ЙЛИ, регистр памяти, сумматор, блок памяти, первый и второй счетчики, циклический регистр сдвига, генератор импульсов и соответствующие связи. Данное устройство позволяет получать на выходе .случайный процесс с заданными спектральными характеристиками ( 3 1.4 ООсновным недостатком этого устройства является невысокая точность воспроизведения заданной спектральной характеристики случайного процесса, так как время вычисления одного значения случайного процесса (шаг дискретизации во времени) состав- ляет 1/(2 ел) (1) й Фслгде М - число заданных значенийспектральной плотности мощности случайного процесса;время выполнения операциисЛсложения или вычитания.Тогда высшая частота Гв генерируемого процесса определяется соот- ношением При практической реализации такого устройства для М= 1024, Гв = = 20 кГц время сложения должно сос. тавлять += 25 нс, что невозможно обеспечить, учитывая время обращения к памяти, временные соотношенияпри формировании управляющих сигналов, задержки логических элементов.Вторым существенным недостаткомизвестного устройства являются чрезмерные аппаратурные затраты, так,как объем используемой аппаратурырастет пропорционально величине Й.Для М = 1024 устройство должно содержать помимо остальных элементов1024 генератора импульсов, каждыйиз которых представляет собой сложную логическую схему, арифметическийсумматор на 1024 входа и датчик случайных чисел с 1024 выходами. Реализовать такое устройство при жесткихтребованиях к его габаритам, весуи стоимости не представляется возможным.1,Целью изобретения является повышение точности воспроизведения заданной спектральной плотности мощности и расширение частотного диапазона формируемого случайного процесса.Для достижения поставленной целив генератор случайного процесса,содержащий датчик случайных чисел, первый блок памяти, введены второй итретий блоки памяти, первый, второйи третий коммутаторы, блок умножения, блок быстрого преобразованияФурье, функциональный преобразователь, блок Формирований интерваловвремени, цифроаналоговый преобразователь и блок управления, содержащий три триггера, три элемента И,счетчик, блок сравнения, генератортактовых импульсов и регистр. памяти,выход которого соединен с первым входом блока сравнения, выход которогосоединен с первым входом первогоэлемента И, выход которого соединенс нулевым входом первого триггераи входом "Сброс" счетчика, выходкоторого соединен с вторым входомблока сравнения, единичный вход первого триггера объединен с нулевымвходом второго триггера, счетным входом третьего триггера и первым входом второго элемента И, второй вход5 О которого подключен к в;,ходу второготриггера, выход первого триггерасоединен с первым входом третьегоэлемента И, выход которого соединенсо счетным входом счетчика, выход ге 55 нератора тактовых импульсов соединенс вторыми входами первого и третьего элемента И, входом генератораявляется первой вход первого блокапамяти, второй вход которого соединенбО с входом датчика случайных чисел,первым входом блока быстрого преобразования фурье и выходом третьего элемента И блока управления, единичныевходы первого.и второго триггеров ко 5 торого соединены соответственно с первыми выходами блока Формирования интервалов времени и блока быстрого преобразования Фурье-выход третьего триггера блока управления соединен с первыми входами первого, второго и третьего коммутаторов, первый и второй входы блока умножения подключены соответственно к выходу первого блока памяти и через функциональный преобразователь - к выходу датчика случайных чисел, а первый и второй выхо ды блока умножения подключены соответственно к второму и третьему входам блока быстрого преобразования Фурье, второй выход которого соединен с вторым входом первого коммутатора, 15 первый и второй выходы которого соединены с первыми входами соответственно второго и третьего блоков памя ти, выходы которых подключены соответственно к второму и третьему вхо дам второго коммутатора, выход которого через цифроаналоговый преобразователь соединен с выходом генератора, вход блока Формирования интервалов времени подключен к выходу генератора тактовых импульсов блока управления,. второй выход блока Формирования интервалов времени соединен с вторым входом третьего коммутатора, первый и второй выходы которого соединены с вторыми входами соответственно третьего и второго блоков памяти.Использование новых блоков и свяс зей позволяет существенно расширить частотный диапазон Формируемых случайных процессов, повысить точность воспроизведения заданной спектральной плотности мощности, уменьшить аппаратурные затраты и упростить настройку устройства.На Фиг. 1 представлена структурная схема генератора на фиг. 2 схемная реализация блока развертки," на фиг, 3 - схемная реализация .блока управления; на Фиг. 4 - временная 45 диаграмма работы устройства.Устройство содержит блоки 1 - 3 памяти, коммутаторы 4 - б, блок 7 . быстрого преобразования Фурье,"блок 8 умножения, датчик 9 случайных 50 чисел, функциональный преобразователь 10, блок 11 Формирования интервалов времени, цифроаналоговый преобразователь 12, блок 13 управления.Вход устройства соединен с первым входом первого блока 1 памяти, второй вход которого соединен с входом датчика 9 случайных чисел, третьим входом блока 7 быстрого преобразования Фурье и вторым выходом блока 13 60 управления, первый и второй входы которого соединены с одноименными выходами блока 7 быстрого преобразования Фурье и блока 11 соответственно, а первый выход блока 13 управле ния соединен с вторыми входами первого 4, второго 5 и третьего б коммутаторов, первый и второй входы блока 8 умножения подключены соответственно к выходам первого блока 1 памяти и через функциональный преоб раэователь 10 - к выходу датчика 9 случайных чисел, а первый и второй выходы подключены к одноименным входам блока 7 быстрого преобразования Фурье, второй выход которого соединен с первым входом первого коммутатора 4, первый н второй выходы которого соединены с первыми входами соответственно второго 2 и третьего 3 блоков памяти, выходы которых подключены соответственно к первому и третьему входам второго коммутатора 5, выход которого через цифроаналоговый преобразователь 12 соединен с выходом устройства, причем вхо; блокв 11 подключен к третьему выходу блока 13 управления, а первый выход соединен с первым входом третьего коммутатора б, первый и второй выходы которого соединены с вторыми входами соответственно третьего 3 и второ го 2 блоков памяти.Рассмотрим основные функции, выполняемые каждым из структурных элементов устройства.Первый блок 1 памяти предназначен, для приема с его первого входа и хранения коэффициентов РР(К), определяемых иэ соотношения где С(Г,)- заданная спектральная плотность мощности генерируемого случайного процесса;М - число заданных значенийспектральной плотности мощности;М - число точек в одной реализациислучайного процессаМ= 2 = 2в =" 0,1,2,3,Т - длина одной реализации(Т М );дГ - шаг дискретизации в частотной области (М = 1/Т),Последовательное считывание хранимой информации из блока 1 памятиосуществляется по импульсам, поступающим на его второй вход,Блоки 2 и 3 памяти совершенноидентичны по структуре и предназначены для хранения Мвещественныхзначений У(К), К = 0,1,2 М - 1одной реализации случайного процесса, записываемой с,первого входа.Последовательное считывание информации осуществляется по импульсам,.поступающим на их вторые входы.Коммутаторы 4 и б предназначеныдля коммутации информации, поступающей на первый вход, на первый илисоз , " ) д 97 43 второй выход в зависимости от управ-ляющего сигнала на втором входе. Причем при нулевом логическом сигналеинформация передается на первый выход, а при единичном логическомуровне - на второй выход,5Коммутатор 5 обеспечивает коммутацию информации, поступающей на первый и третий входы, на выход в зави 4симости от управляющего сигнала навтором выходе, причем при нулевомуправляющем сигнале на втором входеинформация передается с третьеговхода на выход. Соответственно приединичном логическом уровне на вто-.ром входе коммутатора информация передается с первого его входа на выход.Блок 7 быстрого преобразованияФурье предназначен для реализацииодного из известных .алгоритмов об-, ;Я,ратного быстрого преобразования Фурьенад.входными случайными комплекснымичислами, поступающими на первый ивторой входы, Запись информации осуществляется по импульсам, поступающим,рна третий вход блока быстрого пре-,образования Фурье. Информация за й /2тактов с первого и второго входовсоответственно записывается в ячейкиХ, (й) и Хо(М) внутренней памятиблока быстрого преобразования фурьепричем=1,2 й/2 - 1,где 1номер такта. В нулевом (10) тактеинформация записывается соответственно в ячейки Хо(0) и Хо(й/2), Дейст- З 5вительные части результата реализацииалгоритма обратного быстрого преобразования Фурье передаются на второйвыход, при этом по окончании обработки одной реализации на первый выходвыдается импульс конца преобразования. В качестве блока быстрого преобра" зования Фурье может быть использова-. но без каких-либо ограничений любое 45, известное устройство для реализации быстрого преобразования Фурье.Датчик 9 случайных чисел преднаэ начен для вЫдачи на выход по каждому входному импульсу целого случайного 5 О числа К), (К - номЕр такта), равномерно распределенного на интервале 0-(И).Функциональный преобразователь 10 обеспечивает формирование на своем у выходе комплексной величины сов , " ) зиБлок 9"умножения предназначен для выполнения операций умножения дейст. вительных чисел К (К) и комплексных чисел поступающих соответственно на первый и второй входы, причем во все тактах кроме нулевого на первый вы. ход блока 8 умножения результат пе редается без, изменения, т.е. Р(К)сов, - ) Р (К)" зи а на второй его выход в комплексно- сопряженном видеР (К) сов .Р (К) впВ нулевом такте операция умножения не выполняется и на первый выход передается коэффициент РР (О), поступающий на первый вход блока, на второй выход выдается двоичный код нуля.Блок 11 развертки предназнчен дпя формирования на первом выходе периодической последовательности импульсов с периодом следования А 1, По прохождении на первый выход каждых К импульсов на втором выходе форми. руется импульс конца развертки реализации. Цифроаналоговый преобразователь 12 предназначен для представления входного дискретного случайног: процесса в аналоговой форме.Блок 11 и блок 13 управления имеют особенности функционирования, Прим"ры их схемной реализации приведены соответственно на фиг, 2 и фиг. 3. Блок 11 развертки содержит счетчики 14 и 15 накапливающего типа, регис; 16 и 17 памяти, схема 18 и 19 сравн - ния, элементы Й 20 и 21, Счетчик 14" регистр 16, схема 18 сравнения и эле мент И 20 предназначены для формирс" вания на первом выходе регулярной последовательности импульсов с упра: ляемым интервалом между ними На выход блока развертки поступают опорные, регулярные импульсы с интер валом Ь . В регистре 16 хранится двоичный код К масштаба разверткя, причем счетчик 14 и регистр 16 имен; одинаковую разрядность. По каждому импульсу на первом входе блока раз вертки счетчик 14 увеличивает свое состояние на единицу.После поступления К-го импульса в счетчике 14 устанавливается дво ичный код В, а на выходе схема сра- нения 18 появляется уровень логиче кой единицы, разрешающий по второму входу прохождение иерез элемент И 20 очередного К + 1 импульса. Проходя на первый выход блока развертки этот импульс сбрасывает счетчик 14 в нулевое состояние. Описанная последовательность операций циклически повторяется в течение всего времени работы устройства.Таким образом, на первый эыход блока развертки передается каждыйнии на первом выходе блока 13 управления установлен (момент времени )единичный логический уровень. Поэтому уровню коммутаторы 4 и б передают информацию с первого входана второй выход. Наминая с моментавремени 1 на первом выходе блока 11формируется Й тактовых импульсов синтервалом следования Ь 1. По этимимпульсам из блока 2 памяти на выходустройства передается текущая реализация, хранимая в нем. Одновременнос этим формируется новая реализацияи загружается в блок 3 памяти. Дляэтого, начиная с момента времени о 4блок 13 управления выдает на второй 15выход К /2 тактовых импульса ( навременной диаграмме они не показаны)по которым во внутреннюю память блока7 быстрого преобразования Фурье записывается исходный случайный комплексный массив коэффициентов Х (1)всоответствии с формулой (2, причемпо каждому импульсу блок 1 памятипоследовательно выдает коэффициентыРР(К) (К - номер такта), Одновременно на второй вход блока умножения с выхода блока 13 тригонометрических функций выдаются комплексныеслучайные константыГ 2. 1 Г( ( К ) 1 30с о 5 (Ук) - 1 Б 1 и (Я) ) = с о 527 Г Р (К)1где р- двоичное случайное число.равномерно распределенноена интервале 0 "(М"1),и поступающее с выхода датчика 9 случайных чисел.Блок умножения 8 осуществляет перемножение этих величин. 40Во всех тактах, кроме нулевого,на первый выход блока умножения результат передается без измененияР(К)соз 1 1 ) Р (К)ь 1 п М45Г 2 АР (К)1 ., 12 ТЯ (К)3а на второй - в комплексно сопряженной формеР (.К) 211(К), Р (К) 1.2 В (К) 50В нулевом такте на первый выход блока умножения передается коэффи:-" циент РР (О) без перемножения, а на второй выход - значение нуля, После этого блок 7 быстрого преобраэова ния Фурье реализует один иэ известных алгоритмов и выдает. на второй выход массива случайных вещественных чисел, т.е. новую случайную реализа. цию. Время формирования одной реализации случайного процесса оценивается соотношениемТф = Т.,+ Тарп Ф(5) где Т - время, необходимое для загрузки исходного случайногомассива (Т= М/2 йу);Т - время накопления одного обобъфф ратного быстрого преобразования Фурьевремя накопления одногоумножения.В общем случае169 й+ с М 1 оа ММ, к ю1 оэпф у 2 2; сд "д.ТогдаМТф=у(109 М +1)+ М 109 йЕ С 6Следовательно, по истечении времени Тф блок 7 быстрого преобразова 4 ния Фурье выдает,на первый выход сигнал окончания преобразования (момент времени 6). Полученная новая реализация через коммутатор 4 записывается в блок 3 памяти. После этого формирующая часть устройства ожидает окончания развертывания текущей реализации (момента времени Ь), когда последняя точка текущей реализации передается на выход устройства.При поступлении с выхода блока 11 импульса окончания развертывания текущей реализации блок 13 управления изменяет логический уровень на первом выходе на противоположный. В следующем цикле приведенная процедура повторяется с тем отличием, что на вы,ход устройства передается реализация, хранимая в блоке 3 памяти, а новая реализация записывается в блок 2 памяти.В дальнейшем в начале каждого цикла коммутация входов и выходЬв блоков 2 и 3 памяти изменяется (из-за, изменения логического уровня на первом выходе блока 13 управления на противоположный, обеспечивая, таким образом,одновременное Формирование новой реализации и передачу на выход устройства значений текущей реализации.Для правильной работы генератора необходимо, чтобы новая реализация случайного процесса формировалась раньше, чем разворачивалась во времени текущая, т,е, необходимо, чтобы выполнялось условие Т Т (при невыполнении условия в блоке 13 управления фиксируется сигнал ошибки).Подставляя значение Тф,из формулы (3), получиму 2 (1 од М+1)+ф М 1 оо ММ е (4)2. 2 СЛТогда, иСпользуя соотношение Г =1/2 м, выражение для оценки высшей частоты Г формируемого случайного процесса можно привести к видуОтношение высших частот предлагаемого устройства и известного составляетМ с (6)ОЯМ+ й+ ло МПри практической реализации устройства для М =2"= 1024 для соотношенияс = 5 высшая частота геМнерируемого процесса увеличивается в 14 раэ.Аналогичным образом, Фиксируя зна чение высшей частоты Гэ, отношение максимального числа задаваемых значений М формируемого случайного процесса для предлагаемого устройства и для известного составляет 51-6,у Р эФз+2 Ьсл)а3г.с.г (7)8 сл 20Из выражения (7) видно, что максимальное число задаваемых значений спектральной характеристики генерируемого случайного процесса для предлагаемого устройства выше, чем для известного. Для Рэ = 20 кГц, сл = = 0,5 мкс Ьу = 5+сл= 25 мкс . вйражение (7) принимает значение 243,5.Таким образом предлагаемое устройство позволяет повысить точность воспроизведения заданной спектральной плотности мощности генерируемого случайного процесса,Еще одним преимуществом предлагаемого генератора является упрощение его настройки. Воспроизводимая генератором спектральная плотность мощности формируемого процесса 6(Г) совпадает с заданной,С(У) в точках КдУ, К ы 0,1,2,М /2-1. Загру - жаемые в блок 1 памяти козффициен ,ты Р(К) рассчитываются по Формулеа(к г)Р - Тчтопроще, чем в выражении (3), 45Настройка генератора осуществляется ся в следующей последовательиости. Исходя из заданной спектральной плотнос ти мощности 0(У) и требований к точности формируемого процесса, выбирается высшая частота Еб и количество М задаваемых коэффициентов спектра мощности. По известным Рб и М = 2 М определяется ЬГ и Т в соответствии с 55 выражением= -фР 1М ТЗатем в блок 1 памяти загружаются настроечные коэффициенты Р (К) и ус- ф танавливается шаг дискретизации по времени М:Т М.Такии образом, технико-экономичес кая эффективность предлагаемого уст;ройства по сравнению с известным и , 65 базовым объектом заключается в повышении точности, расширения частотного, диапазона Формируемых случайных процессов и упрощении настройки устройства.,Кроме того, по отношению к базовому объекту технико-экономическая зФФектнвность устройства заключается еще в возможности его программного управления.Формула изобретенияГенератор случайного процесса,содержащий датчик случайных чисел,первый блок памяти, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения точности, он содержит второй и третий блоки памяти, первый, второй и третийкоммутаторы, блок умножения, блок быстрого преобразования Фурье, функциональный преобразователь, блок формирования интервалов времени, цифроаналоговый преобразователь и блок управления, содержащий три триггера, три элеиента И, счетчик, блок сравнения, генератор тактовых импульсов и регистр памяти, выход которого соединен с первым входом блока сравненияУ выход которого соединен с первым входом первогоэлемента И, выход которого соединен с нулевым входом первого триггера и входом "Сброс" счетчика, выход которого соединен с вторым входом блока сравнения, единичный вход первого триггера объединен с нулевым входом второго.триггера,счетным входом третьего триггера и первым входом второго элемента И, второй вход которого подключен к выходу второго триггера,.выход первого триггера соединен с первым . входом третьего элемента И, выход кото рого соединен со счетным входом счетчика, выход генератора тактовь 1 х импульсов соединен с вторыми входами первого и третьего элементов И, входом генератора является первый вход первого блока памяти, второй вход которого соединен с входом датчика случайных чисел, первым входом блока быстрого преобразования Фурье и выходом третьего элемента И блока управления, единичные входы первого и второго триггеров которого соединены соответственно с первыми выходами блока Формирования интервалов времени и блока быстрого преобразования фурье, ,выход третьего триггера блока управления соединен с первыми входами первого, второго и третьего коммутаторов, первый и второй входы блока умножения подключены соответственно к выходу первого блока памяти и через функциональный преббразователь - к выходу датчика случайных чисел,а .первый и второй выходы блока умноже- ния подключены соответственно к вто 972505рому и третьему входам блока быстрбго преобразования Фурье, второй выход которого соединен с вторым входом первого коммутаторапервый и второй выходы которого соединены с первыми входами соответственно второго и третьего блоков памяти, выходы которйх подключены соответственно к второму и третьему входам второго коммутатора, выход которого через цифроаналоговый преобразователь соединен с выходом генератора, вход блока формирования интервалов времени подключен к выходу генератора тактовых импульсов блока управления, второй выход блока4 формирования интервалов времени соединен с вторым входом третьего коммутатора, первый и второй выходы которого соединены с вторыми входамисоответственно третьего и второгоблоков памяти.Источники информации,принятые во вниманне при экспертизе1, Бобнев М.П. Генерирование случайных сигналов и измерение их па 0 раметров.М Энергия", 19 бб.2. Авторское свидетельство СССРР 370717, кл.О Об. Е 7/58, 1971.3. Авторское свидетельство СССРР 734768, кл. 6 Об Г 7/58, 1980,15. (прототип)