Генератор случайного процесса

1020820 Составитель А.Карасов едактор С, Веко Техред Л,Пекарь Коррек е ю илиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проект е ефЗаказ 3898/41 Тираж 706ВНИИПИ Государственногопо делам изобретений и113035, Москва, Ж, Ра Подписноеомитета СССРоткрытийщская наб., д, 41020820 второго сумматора, а третий вход бло;ка сравнения соединен с первыми вхо"дами первого и второго сумматорови блока управления, второй вхоД второго сумматора соединен с вторымвходом первого сумматора и информационным входом третьего коммутатора,а третий вход второго сумматора сое-.динен с вторым входом первого сум"матора и информационным входом третьего коммутатора, а третий входвторого сумматора подключен к выходу второго блока умножения, первыйи второй входы которого соответст 1Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано для имитации случайных процессов с заданными и программно управляемыми спектральными характерис тиками в вычислительно-моделирующих комплексах для управления испытаниями изделий электронной и другой техники на механические, электрические и другие воздействия, а также при построении моделирующей аппаратуры для исследования и оптимизации струк турно-сложных систем.Известен генератор случайного процесса, содержащий формирующие 15 фильтры для придания случайному процессу требуемых спектральных свойств, Управление спектральной плотностью мощности случайного процесса на выходе таких генераторов выполняется 20 изменением частотной характеристики Формирующих фильтров И .Однако с практической точки зрения проектирование и .изготовление формирующих фильтров с перестраива емой в широком диапазоне частотной характеристикой представляет собой достаточно трудную техническую задачу.Известно также устройство, исполь- З 0 эующее для формирования выходного случайного процесса множество импульсных потоков, содержащее множество генераторов импульсов, элементы И, элементы ИЛИ и некоторые другие вспомогательные элементы 21.Процесс на выходе такого генератора представляет собой госледовенно через второй функциональныйи аналого-цифровой преобразователиподключены к выходам первого сумматора и цифро-аналогового преобразователя, третий вход первого суммато"ра соединен с выходом второго регистра памяти и объединен с третьимвходом блока управления, а четвертый вход первого сумматора подключен к выходу первого регистра памятипервый и второй входы которого соединены соответственно с четвертымвходом блока управления и выходомдатчика случайных чисел 2вательность импульсных сигналов определенной формы, следующих через случайные интервалы времени, причем управляемой статистической характеристикой выходного случайного процесса является закон распределения воэможности использования их для генерирования случайного процесса с заданными спектральными характеристиками, так как определить требуемую функцию распределения случайных временных интервалов по Заданной спектральной плотности мощности оказываетсязатруднительным как из-за сложностиматематических преобразований, таки из-за ограниченности класса воспроизводимых плотностей мощности,Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является устройство, содержащее три блока памяти,три коммутатора, блок быстрого преобразования фурье, блок умножения;датчик случайных чисел, функциональный преобразователь, блок формирования интервалов времени, цифра-анало-говый преобразователь, блок управления и соответствующие связи.Данное устройство позволяет получать на выходе случайный процесс вибрационного типа с заданными спектральными характеристиками 3.Недостатком устройства являетсяневысокая надежность функционирования, так как в нем не приняты специальные меры для обнаружения ошибок.Цель изобретения - повышение надежности функционирования устройства путем контроля правильности воспро20 3 10208 изведения спектральной плотности мощности формируемого случайного процесса во всем рабочем диапазоне час- . тот по одной составляющей спектра имеющей наибольщую мощность.Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее три блока памяти, три коммутатора, первый блок умножения, блок быстрого преобразования фурье, датчик случайных чи О сел, первый Функциональный преобразователь, блок формирования интервалов времени, цифро-аналоговый преобразователь и блок управления, входом генератора является информационный вход первого блока памяти, управляющий вход которого объединен с входом датчика случайных чисел и первым вхо" дом блока быстрого преобразования фурье и подключен к первому выходу 20 блока управления, первый и второй входы которого соединены с первыми выходами соответственно блока формирования интервалов времени и блока быстрого преобразования Фурье, вто рой выход блока управления соединен с управляющими входами первого, второго и третьего коммутаторов, первый и второй входы первого блока умножения подключены соответственно к вы- ЗО ходам первого блока памяти и первого функционального преобразователя, вход которого подключен к выходу датчика случайных чисел, а пер.- вый и второй выходы первого блока.35 умножения подключены соответственно к.второму и третьему входам блока быстрого преобразования фурье вто. рой выход которого соединен с информационным входом первого коммутатора," первый и второй выходы которого соединены с информационными входами соответственно второго и третьего блоков памяти, выходы которых подключены соответственно к45 первому и второму информационным входам второго коммутатора, выход которого соединен с входом цифро" . аналогового преобразователя, выход которого является выходом генератора,. вход блока формирования интер 50 валов времени подключен к третьему выходу блока управления, а второй выход блока формирования интервалов . времени соединен с информационным входом третьего коммутатора, первый и второй выходы которого соединены с управляющими входами соответственно второго и третьего блоков памяти, дополнительно введены аналого-цифровой преобразователь, первыйвторой, третий регистры памяти, второй Функциональный преобразователь,второй блок умножения, первый и второй сумматоры и блок сравнения,выход которого соединен с контрольным выходом генератора, первый и второй входы блока сравнения соединенысоответственно с выходами третьегорегистра памяти и второго сумматора,а третий вход блока сравнения соединен с первыми входами первого и второго сумматоров, и блока управления,второй вход второго сумматора соединен с вторым входом первого сумматора и информационным входом третьегокоммутатора, а третий вход второгосумматора подключен к выходу второго блока умножения, первый и второй входы которого соответственно черезвторой Функциональный и аналого-циф- "ровой преобразователи подключены квыходам первого сумматора и цифроаналогового преобразователя, третийвход первого сумматора соединен свыходом второго регистра памяти иобъединен с третьим, входом блокауправления, а четвертый вход первогосумматора подключен к выходу первогорегистра памяти, первый и второйвходы которого соединены соответственно с четвертым входом блока управления и выходом датчика случайныхчисел; На фиг.1 представлена структурнаясхема генератора; на фиг;2 " примерсхемной реализации блока управления;на фиг,3 - схема блока Формированияинтервалов времени. Устройство содержит блоки 1"3памяти, коммутаторы 4 тб, блок 7быстрого преобразования Фурье, первый 8 и второй 9 блоки умножения,датчик 10 случайных чисел, первый 11и второй 12 функциональные преобразователи, блок 13 формирования. интервалов времени, цифро-аналоговый 14 ианалого-цифровой 15 преобразователи,блок 1 б управления, первый 17, вто"рой 18 и третий 19 регистры памяти,первый 20 и второй 21 сумматоры, блок22 сравнения,функциональное назначение структурных элементов устройства следующее.Первый блок 1 памяти предназнацен для приема с его Функциональноговхода и хранения коэффициентов ампли102082ных чисел, поступающих на второйвход, причем на второй выход результат умножения выдается в-комплексносопряженном виде по отношению к первому выходу ЭВторой блок 9 умножения обеспечивает перемножение двоичных кодов, поступающих на его первый и второйвходы.Блок 13 формирования интерваловвремени предназначен для формирования на первом и втором выходах регулярной последовательности импульсов с периодами следования соответственно й 1 дс и дй (дй - шаг дискретизации случайного прОцесса во временной области). Синхронизация работы блока 13 осуществляется. входной импульсной последовательностью.Практически блок 13 представляет.собой обычную пересчетную схему,Цифро-аналоговый преобразователь1 Й предназначен для представлениявходного дискретного случайного процесса в аналоговой форме,25Аналого-циФровой преобразователь15 осуществляет обратное преобразование выходного аналогового случайного процесса в дискретную форму.Блок 16 управления осуществляетЭОобщую синхронизацию работы устройства.Регистр 17 памяти предназначен длязаписи и хранения информации, поступающий на второй вход. Запись информации синхронизируется импульсом, пос З 5тупающим на первый вход,Регистр 18 памяти хранит номер Мкоэффициента заданного амплитудногоспектра, имеющего наибольшее значение,т.е, выполняется условие 40(к) ) Р , (крг).Регистр 19 памяти хранит значениенаибольшего коэффициента Р амплитудного спектра.Первый 20 и второй 21 сумматорынакапливающего типа предназначены длясуммирования кодов, поступающих наих третьи входы, Выполнение операциисинхронизируется импульсами на второмвходе. Установка сумматора в исходное состояние осуществляется импульсами, поступающими на их первые входы, причем исходное состояние второго сумматора 2 1 является нулевым, аисходное состояние первого сумматора 20 определяется кодом на егочетвертом входе.Блок 22 сравнения осуществляетсравнение двоичных кодов, поступаю 0 8щих нг второй и третий входы при разрешающем сигнале на первом входе.Предлагаемый генератор случайного процесса можно разделить на две цасти: контролируемую и контролирующую, Контролируемая часть преднаэначена для Формирования случайного процесса и включает блоки памяти 1-3,коммутаторы 1-6, блок 7 быстрогопреобразования фурье, первый блок 8умножения, датчик 10 слуцайнык чисел первый Функциональный преобоазователь 11, блок 13 формирования интервалов времени, цифро-аналоговыйпреобразователь 1 ч, блок 16 управления.Работа контролируемой части устройства полностью совпадает с. работой прототипа и происходит следующим образом,Случайный процесс на выходе генератора представляет собой последовательность реализаций длительностью Т=й дс каждая. Алгоритм формирования одной реализации слуцайного процесса представляется в виде преобразованияС . РБ,-У (1)где С - исходный массив комплексных коэффициентов спектра, состоящий иэ элементов С(1), 1=0,1,2,М -1, (для каждой реализации выцисляется новый массив С);Р В, - оператор обратного быстрого преобразования Фурье;У - выходной случайный массив(реализация случайного процессЬ), состоящий из действительных элементовУ(1), 7=0,1,2,И,целью облегчения опйсания работы устройства введем понятие цикла,под которым будем понимать интервалвремени функционирования устройства,совпадающий с длительностью Т. реализации на его выходеБудем также различать текущую реализацию (реализацию, которая передается на выход устройства в текущемцикле) и последующую реализацию (реализацию, которая передается на выход в следующем цикле) .В каждом цикле работы контролируемой части устройства параллельнопротекают два процесса.Во-первых, осуществляется последовательная передача на выход устройства знацений У текущей реализации, которая в зависимости от текущего состояния управляющего сигма,ла на первом выходе блока 16 уп"равления может находиться во втором2 или в третьем 3 блоках памяти.Для этого по каждому импульсу, поступающему через интервал времени д С 5с второго выхода блока 13 формирования интервала времени через коммутатор 6 на второй вход второго 2 илитретьего 3 блоков памяти, осуществляется последовательное считывание зна Очений текущей реализации, которыечерез коммутатор 5 и аналого-цифровой преобразователь 14 передаются навыход устройства. Так как в реализации содержится М значений, то длительность реализации во временнойобласти равна Т=МИ.Во-вторых, выполняется вычисление новой (последующей) реализациислучайного процесса, С этой целью 20вначале формируется исходный комп"лексный массив С (1) случайных. коэфФициентов спектра в соответствии с(2), причем этот массив формируется за М /2 такта и поступает в25блок 7 быстрого преобразования Фурьепо второму и третьему (информационным) входам, Для этого в каждомтакте по импульсу, поступающему свторого выхода блока 16 управления,первый блок 1 памяти последовательно выдает коэффициенты Р(п),где и - номер такта, п=1,2,М /2.Одновременно на второй вход первогоблока 8 умножения с выхода первогоФункционального преобразователя 11выдаются комплексные константы. После поступления всех значений С(1) блок 7 быстрого преобразования фурье выполняет преобразование в вида (1), а затем выдает на первый выход импульс конца преобразования, а на второй выход - значения У( 1)1 =0,1,2,М -1, которые записываются через коммутатор 4 в блок 2 памя" ти или в блок 3 памяти в зависимости от управляющего сигнала на первом выходе блока 16 управления.По окончании каждой реализации (каждого цикла) управляющий сигнал на первом выходе блока 16 управления изменяется на противоположный, изменяя таким образом коммутацию блоков 2 и 3 памяти,(меняя их местами).Блок 16 управления (фиг.2) содержит регистр 23/блоки 24 и 25 срав 55 нения, элементы И 26-29, счетчик 30, триггеры 31-33, тактовый генератор 34, Выход регистра 23 соединен 820 10 с первым входом блока 24 элемента сравнения, выход которого соединен с первым входом первого элемента И 26,выход которого соединен.с нулевымвходом триггера 31 и входом "Сброс"счетчика 30, выход которого подключен к вторым входам блоков 24 и 25сравнения, единичный вход триггера31 объединен с единичным входом триггера 32, счетным входом триггера 33,первым входом элемента И 27 .и первымвходом блока 16 управления, выходгенератора 34 тактовых импульсовсоединен с,третьим выходом блока 16управления, вторыми входами элементаИ 26 и элемента И 28, первый входкоторого подключен к единичному выходу триггера 31, а выход соединенсо счетным входом счетчика 30, вторым выходом блока 16 управления ивторым входом элемента И 29, выходкоторого является четвертым выходом блока 16 управления, первый входэлемента И 29 подключен к выходу блока 25 сравнения, первый вход которо"го является третьим входом блока 16управления, выход триггера 33 является первым выходом блока 16 управления, второй вход которого соединенс нулевым входом триггера 32, выход которого соединен со вторым вхо-;дом элемента И 27. Схема блока 16 управления работает следующим образом.В начале каждого цикла работы устройства триггерустанавливается в единичное состояние импульсом конца реализации, поступающим с первого входа блока 16 управления на единичный вход триггера 31 и разрешает прохождение импульсов с выхода тактового генератора 34 через элемент И 28 на счетный вход счетчика 30 сум-, мирующего типа.Так как в начале цикла счетчик 30 находится в нулевом сос- . тоянии, то после прохождения через элемент И 28 М /2-1 импульсов в счет/чике 30 устанавливается двоичный код М/2-1. Ввиду того, что в регист ре 23 постоянно записан также код М /2-1, то на .выходе блока 24 срав/яения появляется уровень логической единицы. Поэтому следующий М/2 импульс проходит через элемент И 26 и поступае на входы сброса счетчика 30 и триггера 31, устанавливая их в нулевое состояние и запрещая . тем самым прохождение через элемент И 28 последующих импульсов1020820 11текущего цикла. Триггер 31 будет оставаться в нулевом состоянии до появления очередного импульса на пер вом входе блока 16 управления. Триггер 33 работает в счетном режиме и з по каждому входному сигналу перебра-. сывается в противоположное состояние.Триггер 32 и элемент И 2 предназначены для выявления сбойной ситуации в устройстве, которая заключа в ется в том, что сигнал конца преобразования на втором входе поступает. позже сигнала конца развертки 1 на первом входе),15В начале цикла триггер 32 находится в единичном состоянии. Поэтому если после начала цикла первым поступает импульс конца преобразования (триггер находится в единичном состоянии ), то он проходит через эле 29 мент И 27, сигнализируя об ошибке.Остальные элементы: блок 25 сравнения и элемент И 29 обеспечивают выделение из каждой серии по М /2 импульсов на втором выходе блока 1625 управления (в+1)-го импульса, где в - двоичный код на третьем входе блока 16 управления. Выделенный импульс передается на четвертый выход блока 16 управления.Блок 13 формирования .интервалов времени 1,фиг.3) содержит счетчики 35 и 36 суммирующего типа, регистры 37 и 38, блоки 39 и 40 сравнения и элементы И 41 и:42. Счетчик 36, регистр 37, блок 39 сравнения и элемент И 41 обеспечивают Формирование на втором выходе блока .13 регулярной последовательности импуль- р сов с регулируемым интервалом следования. По каждому импульсу, поступающему с входа блока 13 на счет ный вход счетчика 35, его состояние увеличивается на единицу, На второй вход элемента И 41 с выхода 39 сравнения поступает высокий разрешающий логический уровень при совпадении двоичных кодов счетчика 35 и регистра 37, Установка счетчика в нулевое положение осуществляется каждым импульсом, поступающим с выхода элемента И 41 на вход сбросасчетчика 35. Поэтому на второй выход блока 13 формирований .интервалов времени поступает каждый в-й входЫ ной импульс. Изменяя содержимоерегистра 3, можно управлять интервалом. 12Вторая часть блока 13: счетчик,36 регистр 38, блок 40 сравнения и элеФ мент И 42 совершенно идентична первой и пропускает.на первый выход Блока 13 каждый Й -й импульс, поступающий с выхода элемента И 41 на счетный вход счетчика 36 и первый вход элемента И 42, причем в регистре 38 хранится двоичный код, равный МНовым в устройстве является введение контролирующей части, состоящей из аналого-циФрового преобразователя 15, регистров 17-19, первого 20 и второго 21 сумматоров и блока 22 сравнения, предназначенных для контроля правильности воспроизведения на выходе устройства спектральной плотности мощности фор-. мируемого случайного процесса, Будем также отличать от заданного амплитудного спектра Р(1), (1 0,1,2.М /2-1) воспроизводимый амплитудный спектр Р Р (1) (1=0,1,2),М /2-1 учитывающий появление неисправностей в работе устройства. Большинство неисправностей ( сбоев и устойчивых отказов ) приводит к появлению ошибок в реализациях случайного про- цесса. Под ошибкой понимается событие, заключающееся в том, что хотя . Ьы для одной пары коэффициентов Р(1), 1(1)не выполняется условие Р(1) =Р( ) ( 1=0,1,2,М /2-1).При этом, проигрывая в глубине обнаружения ошибок на 1-5, используемый метод позволяет сократить аппаратурные затраты на 25-35, причем проверке подвергается коэффилциент амплитудного спектра Р(1)которому соответствует наибольшийзаданный коэффициент амплитудного спектра Р, Поэтому одновременно с загрузкой в блок 1 памяти амплитудного спектра Р.(1), 1=0,1,2,М /2-1 в регистр 19 загружается наибольший коэффициент спектра Р(К),а в регистр 18 - его номер К.В начале любой (1-й) реализации по импульсу конца развертки конец предыдущей реализации , поступающему с первого выхода блока 13 формирования интервалов времени, осу" ществляется запись содержимого ,Я(1 первого регистра 17 в первый сумматор 20; блок 22 сравнения проверяет на равенство коды, поступающие на его второй и третий вхо13 1020 ды, происходит сброс по отрицательному фронту второго сумматора 22 в нулевое состояние и, таким образом, контролирующая часть устройства гото ва к проверке текущей реализации, По З каждому импульсу, поступающему с второго выхода блока 13 происходит добавление к содержимому сумматора 20 кода 4, поступающего с выхода регистра 18. В результате этого в сум . маторе 18 вычисляется аргумент к Г 4(к), а на выходе второго функ" ционального преобразователя 12 функция значение которой поступает на первый вход блока 9 умножения.Одновременно на второй вход бло ка 9 умножения с выхода аналого-цифрового преобразователя 15 поступают дискретные отсчеты У (Р) текущей реализации случайного процесса. Таким образом, для каждого 1=0,1,2,. й "1 И с третьего входа к содержимому второго сумматора 21 по импульсу на его втором входе добавляются частичные произведения У 1 ( 2) созе (1 Г+ф/1)и к концу текущей реализации в сумма- Зр торе 21 накапливается значение коэффициента Р (к). Сравнение Р(1)иР(1) осуществляется блоком 22 сравнения по синхронизирующему импульсу на его первом входе. В случае несовпадения кодов на контрольный выход устройства передается сигнал ошибки. Аналогичным образом устройство работает в каждом цикле (на каждой реализации).Аппаратурые затраты на реализацию контролирующей части генератора со 820 1 чставляют приблизительно 10+204.Кроме того, еще одним достоинствомметода контроля является некритичность работы контролирующих блоковк быстродействию. Так как допустимоеминимальное время умножения блоком9 составляет 10-20 мкс, в то времякак наиболее быстродействующие схемыумножения позволяют выполнить этуоперацию в 50-100 раз быстрее, тоэто позволяет использовать медленнодействующие, но оптимальные в смысле аппаратурных затрат схемы контролирующих блоков.5 Таким образом, технико-экономическая эффективность предлагаемого генера ора по сравнению с. прототипом заключается в повышении его надежности (достоверности воспроизведения заданного спектра мощности) путем контроля правильности воспроизведения спектра мощностиформируемого случайного процесса вовсем рабочем частотном диапазоне поправильности воспроизведения составляющей спектра, имеющей наибольшуюмощность. При этом дополнительныеаппаратурные затраты составляют 1020. Экономический эффект получаетсяза счет увеличения коэффициента использования устройства, так как отказы обнаруживаются в момент их возникновения, а следовательно, уменьшается время восстановления работоспособного состояния устройства.Технико-экономическая эффективность предлагаемого устройства посравнению с базовым объектом выше, чем по сравнению с прототипом, таккак предлагаемое устройство позволяет формировать случайный процесс с техническими характеристиками, превышающими базовые.