Генератор случайного процесса

/3 И 51) Ц Об Р 7 5 ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬПИй НИЕ ОБРЕТЕНИЯЛЬСТВУ ВТОРСКОМУ С(71) Минский радиотехнический инсттут(56) 1. Авторское свидетельство СУ 391577, кл. 6 06 Р 7/58, 1972.2, Авторское свидетельство СССР9 734768, кл. С, 06 Г 7/58, 1977.3. Авторское свидетельство СССРВ 767745, кл. Ц 06 Р 7/58, 1978(прототип). орой елиеля ели- ым коим ИНОГО ПРО- тор импульинен со елителя час исел, пернен с уставыход копервого аю щ и й- овыщения СЛУЧАеверсоеогоныхсоедтчикходол илью. (54)(57) ГЕНЕРАТОР ЦЕССА, содержащий сов, выход которог счетным входом пер тоты, датчик случа вый выход которого новочным входом сч торого соединен с блока памяти, о т с я тем, что, с ц ш А,точности генератора, введены вти третий блоки памяти, второй дтель частоты и два преобразоваткод-напряжение, выход первого дтеля частоты соединен со счетнвходом счетчика и счетным входомвторого делителя частоты, выходторого соединен с синхронизирующвходом счетчика и входом датчикаслучайных чисел, второй и третийвыходы которого соединены соответственно с входами второго и третьегоблоков памяти, первый и второй выходы второго блока памяти соединенысоответственно с управляющими входами первого и второго делителейчастоты, выход первого блока памятичерез первый преобразователь коднапряжение соединен с управляющимвходом второго преобразователя код.напряжение, выход которого являетсявыходом генератора, выход третьегоблока памяти соединен с информационным входом второго преобразователякод-напряжение.Изобретение относится к вычислительной технике и может быть исполь. зовано при построении имитационномодулирующей аппаратуры для решения задач исследования и оптимизацииструктурно сложных систем, для испытаний на вибрационные и другие воздействия,Известно устройство, содержащееблок генераторов перничного нормальноГо шума, блок формирующих Фильтров, сумматор и нелинейный безйнерционный преобразователь, позволяю" щее Формирование случайного процесса с произвольной функцией спектральной плотности мощности в фиксированном диапазоне частот 1 1.Недостатки устройства - сложностьтехнической реализации за счет множества генераторов первичного нормального шума и формирующих фильтров, ограниченность частотного диапазона и низкая точность воспроизведения заданной Функции спектральной плотности мощности.Известно также устройство, содержащее генератор случайных чисел, группу генераторов импульсов, группу счетных триггеров и группу элементов И, многонходовую схему ИЛИ, регистр, сумматор, блок памяти, два счетчика и циклический регистр сдвига 2 3.Недостатками устройства являются низкое быстродействие, так как один отсчет выходного процесса Формируется путем последовательного сум" мирования совокупности коэффициентов тем большей, чем больше требу"ется точность, сложность техническойреализации при необходимости обеспечения высокой точности, так как при этом устройство содержит большее количество генераторов импульсов, триггеров и элементов И, низкая точность при малых аппаратурныхзатратах.Наиболее близким по технической .сущности к предлагаемому является генератор случайного процесса, содержащий генератор импульсов, делитель частоты, датчик случайных чисел, счетчик и блок памяти. Указанные блоки соединены последовательно, второй вход счетчика соединен с выходом генератора импульсов, выход блока памяти является выходом устройства. Работу устройства можно представить как последовательность циклов, на каждом иэ которых путем последовательного циклического чтения информации иэ блока памяти, начиная со случайного в начале цикла адреса, Формируется отрезок реализации процесса. Формируемый устройством процесс представляет собой последовательность склеенныхНа чертеже приведена блок-схемапредлагаемого генератора,60 Генератор содержит генератор 1 импульсов, первый делитель 2 часто ты, счетчик 3, первый блок 4 памятипервый преобразователь код-напряжение 5, второй преобразователькод-напряжение 6, датчик 7 случайб 5 отрезков одной периодической Функ,ции со случайными начальными фазами. В блок памяти записывается период полигармонической функции,представляющей собой сумму гармонических Функций с частотами, кратными самой низкочастотной гармонической функции, и с определенными соотношениями амплитуд. При этом функция спектральной плотности мощности 1 О формируемого процесса аппроксимируется суммой компонентных функцийтипа з 1 х/хз с равной шириной ос 1 нонных лепестков, сднинутых по частоте с ранномерным шагом, с весамй,пропорциональными амплитудам соот:нетствующих им гармоник 3 3.Недостатком известного устройстваявляется низкая точность воспроизведения заданных функций спектральной плотности мощности.Целью изобретения - повышениеточности задания Функции спектральной плотности мощности Формируемогопроцесса,Поставленная цель достигаетсятем, что н генератор случайного процесса, содержащий генератор импульсов, выход которого соединен сосчетным входом первого делителя частоты, датчик случайных чисел, пер- ЗО ный выход которого соединен с установочным входом счетчика, выходкоторого соединен с входом первогоблока памяти, введены второй и третий блоки памяти, второй делитель 35 частоты и два преобразователя коднапряжение, выход первого делителячастоты соединен со счетным нходомсчетчика и счетным входом второгоделителя частоты, выход которого 4 О соединен с синхрониэирующим входомсчетчика и входом датчика случайныхчисел, второй и третий выходы которого соединены соответственно свходами второго и третьего блоковпамяти, первый и второй выходы второго блока памяти соединены соответственно с управляющими входамипервого и второго делителей частоты, выход. первого блока памятичерез первый преобразователь коднапряжение с управляющим нходом второго преобразователя код-напряжение, выход которого является выходом генератора, .выход третьегоблока памяти соединен с информационным входом второго преобразователя код-напряжение.ных чисел, второй блок В памяти,второй делитель 9 частоты и третийблок 10 памяти,Сущность генерации устройствомслучайного процесса заключается вформировании примыкающих. друг кдругу отрезков гармонических сигналов со случайно изменяющейся ьтотрезка к отрезку длительностью,частотой, фазой и амплитудой. Формирование гармонической функции осуществляется путем преобразованияв напряжение электрического сигналапреобразователем 5 циклически считываемой,из блока памяти 4 последовательности кодов, описывающей одинпериод гармонической Функции с частотой, определяемой заданным коэфФициентом пересчета делителя 2 частоты, .адреса чтения последовательности Формируются счетчиком 3.Формирование нового отрезка начинается после выработки на выходеделителя 9 частоты очередного импульса. По этому импульсу счетчик 3устанавливается в равновероятноеслучайное состояние путем записи внего случайного равномерно распределенного числа с выхода 1 датчика7 случайных чисел, чем обеспечивается задание случайной начальной фазы отрезка гармонической Функции сравномерным распределением на периоде повторения гармонической функции. После выработки импульса навыходе делителя 9 частоты на выходы11 и 111 датчика 7,случайных чиселпоступают два новых случайных числа.При этом из блока 8 памяти по адресу, определяемому кодом случайногочисла с выхода 11 датчика 7 случайных чисел, считываются два кода.Первый код задает коэффициент пересчета делителя 2 частоты, т.е. частоту считывания кодов.из блока 4памяти и, следовательно, частотуФормируемого отрезка гармоническойфункции.Второй код, считываемый из блока8 памяти, задает коэффициент пересчета делителя 9 частоты и определяет количество дискретных отсчетовданного отрезка гармонической Функции М , По циклически считываемой,начиная со случайного адреса, последовательности кодов из блока 4 памяти на выходе преобразователя код;напряжение 5 Формируется электрический сигнал отрезка гармоническойфункции с нормированной амплитудой(,постоянной от отрезка к отрезку ),поступающей на вход опорного напряжения преобразователя код-напряжение б. На вход преобразователя бпоступает код из ячейки блока 10,памяти с адресом, определяемым ко:дом случайного числа с третьего выхода датчика 7 случайных чисел.При этом на выходе преобразователя. код-напряжение б получают сигнал,поступающий на вход 1 опорного напряжения с амплитудой, пропорциональ-ной коду на входе 11, т.е, формируемый отрезок гармонической Функциисо случайной амплитудой. Преобразователь код-напряжение б выполняетФункции усилителя с цифровым управ лением коэффициентом управления.Таким образом, на выходе устройства Формируется пРоцесс, состоящийиэ примыкающих отрезков гармоничес.ких Функций со случайными от отрез ка к отрезку частотой и длительностью, случайной, равномерно распределенной на периоде повторения,фазой и случайной амплитудой. Частота и .связанная с ней длительностьотрезков гармонических функций принимают М произвольных значений,задаваемых записанным в блок 8 памяти кодами с вероятностями, определяемыми заковом распределения чиселна выходе 11 датчика 7 случайныхчисел. Величина М определяетсяемкостью блока памяти 8, Амплитудаотрезков гармонических функций принимает Ь произвольных значений,задаваемых кодами, записанными вблок 10 памяти с вероятностями, определяемьми законом распределения чисел на выходе 1 П датчика случайныхчисел.35 Функция спектральной плотностимощности представляет собой. композицию компонентных Функций (зув х/х)с произвольным требуемым положениемпо оси частот (определяется пара О метром со), с произвольной требуемой шириной основного лепестка (определяется параметром Ы)с весами,равными произведению дисперсииамплитуд на вероятности появления 45 соответствую.;их гаРмоник, Вариацияпараметров Йры и Ы обеспечиваетвоспроизведение заданной функцииспектральной плотности мощности,с найбольшей тачцостью.Закон распре- .деления случайных чисел по .выходу 111датчика 7 случайных чисел не влияетна Форму Функции спектральной плотности мощности, а только на общийуровень мощности. Это позволяет независимо управлять спектральными 55 и вероятностными свойствамипрецес-;са. Форма Функции спектральнойплотности задается законом распределения потока случайных чисел повйходу 11 датчика 7 случайных чисел 60 и массивом информации в блоке 8памяти. Закон распределения случайных чисел по выходу 111 датчика 7, случайных чисел и массив информациив блоке памяти 10 определяют общий 65 уРовень мощности и закон распределе-,1034035 Составитель А.КарасовРедактор А.Курах Техред М.Коштура Корректор А.Ильин Тираж 706 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб д, 4/5 Заказ .5626/51 Филиал ППП "Патентф,г. Ужгород, ул, Проектная, 4 ния пиковых значений амплитуд Формируемого процесса.Предлагаемое устройство обладает высокой точностью воспроизведения произвольных функций спектральной плотности мощности, Наиболее существенно преимущество генератора при необходимости формирования случайных процессов с наличием в функции спектральной плотности мощности всплесков и провалов высокой доброт ности. В этом случае плавные участки Функции спектральной плотности мощности аппроксимируются компонентными Функциями с большой шириной основного лепестка, участки, 15 содержащие всплески и провалы, аппроксимируются компонентными функциями с узкой полосой, причем чем больше добротность всплеска или провала, тем уже задается ширина 20 аппроксимирующих Функций. В прототипе и в известных аналогах аппроксимация функций спектральной плотности осуществляются композицией компонентных функций с постоянными соотношениями ширины их фрагментов, концентрирующих основную мощность. Поэтому, например, устройство-прототип не позволяет формирование, случайных процессов с вплесками и провалами в спектре с добротностью, большей добротности основных лепестков соответствующих аппроксимирующих компонентных функций (51 о Х/х).Генератор имеет возможность независимого задания спектральных35 характеристик и закона распределения амплитуд гармоник или закона распределения мгновенных значений процес" са, обеспечивает возможность задания требуемых спектральных и вероятност ных характеристик, обусловливает высокую адекватность формируемых воздействий при исследовании реальных объектов реальным воздействиям, что повышает точность и достовер ность получаемых результатов.Предлагаемый генератор обладает высоким быстродействием, На один Формируемый отсчет выходного процесса требуется выполнение одной опера ции чтения памяти. Устройство позволяет формирование случайных процессов в широком диапазоне частот с .большей шириной спектра.По сравнению с известным генератором процессов установки СУВУ-ШСВЗ,предлагаемый генератор обладает всеми укаэанными преимуществами. Генератор случайных процессов установки СУВУ-ШСВЗ содержит 120 формирующих фильтров с фиксированными амплитудно-частотными характеристиками, при этом нельзя Формировать процессы с провалами и всплесками в спектре с шириной, меньшей ширины полосы пропускания соответствующих фильтров. Кроме того, диапазон частот установки СУВУ-ШСВЗ фиксирован от 5 Гц и до 2 кГц, установка не позволяет изменение закона распределения формируемого процесса. Генератор установки СУВУ-ШСВЗ имеет вес и габариты приблизительно в 10 раз больше предлагаемого генератора.В качестве базового образца для сравнения можно взять серийно выпускаемую мини-ЭВМ СМ 1800 вариант СМ 50/40, в состав которой входит преобразователь код-напряжение, С помощью данной ЭВМ можно формировать псевдослучайный процесс, используя, алгоритм функционирования предла" ,гаемого устройства.При этом и базовый образец, и предлагаемое устройство. обладают, в принципе, одинаковой точность Однако при программной реализации частота формируемого ЭВМ процесса значительно меньше по сравнению с частотой процесса, формируемого предлагаемым устройством 1 порядка в 20-30 раз).Стоимость такого варианта ЭВМ СМ 1800 равна 50000 руб, Стоимость разработанного .и изготовленного устройства прототипа составила 3,5 тыс.руб. Учитывая, что прототип и предлагаемое устройство по своей сложности отличаются не на много, ориентировочная стоимость предлагаемого устройства составит 4 тыс.руб,Особенно эффективно применение .генератора случайных процессов в ;составе автоматизированных испытательных систем и имитационно-моделирующих комплексов. При этом применение предлагаемого специализированного устройства расширяет класс задач, решаеьжх в реальном масштабе времени, управляющая ЭВМ системы комплекса освобождается от решения задачи формирования случайных процессов и может выполнять в это время ряд других действий, связанных с решаемой задачей.