Генератор случайного процесса

1,1 та .1.ъ;ск,вйОС АНИ ЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 767745 Союз СоветскихСоциалистическихРеслублик Ж с.Д гпо делам изобретений и открытий(72) Авторы изобретения Э. А. Баканович, С. Ф. Костюк и А. Г. ЯкубенкоГ Минский радиотехнический институт(54) ГЕНЕРАТОР С,ЛУЧАЙНОГО ПРОЦЕССА 1Изобретение относится к области вычислительной техники и может быть использовано при построении имитационно-моделирующей аппаратуры для решения задач исследования и оптимизации структурно- сложных систем.Известные генераторы случайных процессов по технической сущности могут быть сгруппированы в три класса.К первому классу относятся генераторы, содержашие в своей структуре для придания случайному процессу требуемых спектральных свойств один или несколько формирующих фильтров.Генераторы, использующие один формирующий фильтр, кроме того, содержат генератор исходного случайного процесса, спектральные свойства которого известны и нормированы 1. Управление спектральной плотностью мощности случайного процесса на выходе таких генераторов выполняется изменением частотной характеристики формирующих фильтров. Этот принцип управления с математической точки зрения является достаточно простым, так как спектральная плотность мощности случайного процесса на выходе таких генераторов опре 2деляется произведением спектральной плотности мощности исходного случайного процесса на квадрат модуля частотной характеристики формирующего фильтра. Однако с практической точки зренияпроектирование и изготовление формирующих фильтров и перестраиваемой в широких пределах частотной характеристикой представляет собой достаточно трудную техническую задачу. Формирующие фильтры, 10 проектированные на основе аналоговыхсредств (емкостей и индуктивностей) достаточно просты и стабильны, однако нетехнологичны и их простые конфигурации допускают перестройку частотных свойств в широких пределах только механическим 15епутем. Реализация формирующих цепеи цифровыми средствами частично лишена этих недостатков, однако цифровой фильтр требует выполнения операций умножения и суммирования и представляет собой вы числительное устройство, высокая точностьи быстродействие которого требует существенных аппаратурных затрат. Кроме того, расчет параметров формируюшсго фильтра по известной частотной характеристике до767745 4 30 Ы 3статочно сложен, так как требует выполнения интегральных преобразований.Генераторы случайных процессов, использующие несколько формирующих фильтров 2, содержат дополнительно в своей структуре несколько генераторов исходных процессов и блок суммирования.Управление спектральной плотностью мощности случайного процесса на выходе таких генераторов основано на том, что спектральные плотности мощности суммируются при суммировании независимых случайных процессов. Если при этом спектральные плотности мощности случайных процессов отличны друг от друг (например, сдвигом по оси частот), а суммирование выполняется с определенными (детерминированными или вероятностными) весами, то их изменение приводит к изменению спектральной плотности мощности выходного случайного процесса. Методика расчета параметров настройки указанных генераторов оказывается проще, чем для генераторов, содержащих один формирующий фильтр, однако с точки зрения аппаратурных затрат рассматриваемый вариант оказывается более емким. К другому классу можно отнести генераторы, использующие для формирования выходного случайного процесса множество импульсных потоков 3) . Такие устройства содержат в своей структуре множество генераторов импульсов, конъюнкторы, дизьюнктор и некоторые другие вспомогательные элементы, причем общим для их структур является то, что выходы генераторов подключены к входам конъюнкторов, выходы которых подключены (непосредственно или через другие логические элементы) к схеме дизъюнкции. Процесс на выходе таких генераторов представляет собой последовательность импульсных сигналов определенной формы, следующих через случайные интервалы времени, причем регулируемой статистической характеристикой выходного случайного процесса является закон рас- . пределения случайных временных интервалов.Известно, что вариация закона распределения случайных временных интервалов между импульсами приводит к изменению спектральных свойств процесса на выходе генератора. Такой класс генераторов слу-чайных 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 ограничений.Однако, если при использовании этого класса генераторов представляет интерес спектральная плотность мощности случай 4ного процесса, то несмотря на однозначнуюсвязь спектральных свойств процесса и функции распределения случайных временныхинтервалов выполнить обратный расчет,т. е. вычислить требуемую функцию случайных временных интервалов по заданной3спектральнои плотности мощности оказывается затруднительно как из-за сложностиматематических преобразований, так и из-заограниченного класса воспроизводимых спектральных плотностей мощности,К третьему классу могут быть отнесеныгенераторы 4, формирующие отрезки реализаций случайных или детерминированныхпроцессов с известными статистическимисвойствами. Генератор формирует на своемвыходе отрезки случайных сигналов треф угольной формы и содержит в своей структуре раскрытие в виде отдельных блоковсумматор (его роль выполняет реверсивныйсчетчик) и устройство умножения (однаоперация умножения выполняется при помощи источника эталонного напряжения,регистра и первого преобразователя код -напряжение, а вторая - при помощи моду- лятора полярности) . В структуре рассматриваемого генератора таже можно выделитьформирователь исходной (треугольной) фунИ кции, реализованной при пбмощи реверсивного счетчика и второго преобразователякод - напряжение.Общим недостатком рассматриваемогокласса генераторов является их низкое быстродействие ввиду наличия в их структуреустройств умножения, выполнение котороготребует существенных временных затратпри использовании средств цифровой вычислительной техники или низкая точностьпри использовании средств аналоговой вызз числительной техники. Кроме того, генераторы обладают ограниченными возможностями по воспроизведению произвольныхспектральных плотностей мощности процессов на их выходах и формирует только40отрезки реализаций ограниченной длительности. По технической сущности наиболее близким к заявляемому является генератор 5, содержащий генератор импульсов, счетчик, сумматор, устройство умножения, причем названные блоки соединены последовательно и выход устройства умножения является выходом генератора случайного процесса. Наличие в структуре устройства отдельного триггера знака процесса отнести к существенным признакам нельзя, так как в общем случае устройство умножения может выполнять операцию с учетом знаков операндов, Процесс на выходе рассматриваемого генератора представляет собой отрезок реализации ограниченной длительности такой формы, что его спектральная плотность мощности известна (близка к равномерной),Недостатками этого генератора является: ограниченные функциональные возможности23 ЗО ЗЯ 40 45 50 Ы по воспроизведению произвольных спектральных плотностей мощности; формирование отрезков реализаций случайных процессов ограниченной длительности; низкое быстродействие генератора ввиду наличия в его структуре устройства умножения.Целью предлагаемого изобретения является устранение этих недостатков, а именно расширение функциональных возможностей генератора за счет формирования случайных процессов неограниченной длительности с произвольной спектральной плотностью мощности и повышение его быстродействия.Эта цель достигается тем, что помимо генератора импульсов и. счетчика, первый вход которого соединен с выходом генератора импульсов, входящих в прототип, предлагаемый генератор дополнительно содержит делитель частоты, датчик случайных чисел и блок памяти, причем вход делителя частоты подключен к выходу генератора импульсов, выход делителя частоты через датчик случайных чисел соединен с вторым входом счетчика, выход которого подключен ко входу блока памяти, выход блока памяти является выходом генератора случайного процесса,На чертеже представлена структурная схема генератора случайного процесса,Устройство содержит генератор импульсов 1, делитель частоты 2, датчик случайных чисел 3; счетчик 4, блок памяти 5.Выход генератора импульсов 1 соединен с первым входом счетчика 4 и входом делителя частоты 2, выход которого соединен со входом датчика случайных чисел 3, второй вход счетчика 4 соединен с выходом датчика случайных чисел 3, а выход со входом блока памяти 5, выход которого является выходом генератора случайного процесса. Названные блоки выполняют следующие функции. Генератор импульсов 1 формирует последовательность импульсных сигналов с заданным (регулярным) периодом следования. Делитель частоты 2 выполняет пересчет импульсных сигналов, поступающихна вход.Датчик случайных чисел 3 по сигналу, поступающему на его вход, формирует равномерно-распределенное двоичное число.Счетчик 4 выполняет суммирование поступающих на его первый вход импульсных сигналов. Второй вход счетчика предназначен для его установки в исходное состояние в соответствии с поступающим на него двоичным кодом. На выходе счетчика формируется двоичный код его состояния.Блок памяти 5 предназначен для хранения предварительно записанной в него кодовой последовательности, причем на выход запоминающего устройства поступает кодовая комбинация, адрес которой задается кодом на входе запоминающего устройства. Функционирование генератора происходит следующим образом.При появлении сигнала на выходе генератора импульсов 1 происходит увеличение содержимого счетчика" 4 на единицу и в соответствии с новой кодовой комбинацией, поступающей на вход блока памяти 5, читается содержимое запоминающего устройства по соответствующему адресу. Описанная процедура повторяется до тех пор, пока на выходе делителя частоты 2 не появится сигнал (через каждые М сигналов генератора импульсов 1). При появлении этого сигнала датчик случайнйх чисел 3 формирует случайный код, поступающий на второй вход счетчика 4 и устанавливающий его в соответствующее случайное состояние.Называя отрезок времени между моментами появления импульсов на выходе делителя частоты 2 циклом работы генератора случайного процесса, можно указать, что процедура формирования случайного процесса представляет собой последовательность циклов, в каждом йз- которыхпроисходит последовательное чтение содержимого блока памяти 5, начиная со случайного адреса. При этом, число кодовых комбинаций, читаемых из блока памяти 5 в течение одного цикла, определяется коэффициентом пересчета М делителя частоты 2. Описанная процедура генерирования случайного процесса доказывает, что предлагаемая структура генератора не налагает никаких дополнительных ограничений на длительность формируемых реализаций и спектральную плотность их мощности. Кроме того, в отличие от прототипа, где для формирования очередного отсчета выходного процесса требуется операция умножения, в предлагаемом устройстве присутствует лишь операция чтения содержимого запоминающего устройства, что не требует существенных временных затрат.Перечисленные отличительные свойства предлагаемого генератора по сравнению с прототипом определяют технико-экономическую эффективность его использования, которая слагается из следующих элементов,Формирование отрезков реализаций случайных процессов неограниченной длительности позволяет использовать генератор не только для проверки анализируемой аппаратуры (целевое назначение прототипа), но и для имитации реальных случайных процессов при решении задач исследования,. и моделирования объектов, информационные процессы в которых имеют стохастическую природу.Исследование таких объектов или их моделей основано на получении статистических характеристик случайных процессов в определенных точках их структуры. В связи с тем, что дисперсия статистических оценок уменьшается с ростом времени моделирования, то использование предлагаемого.1 Ф ф,Фу Ф 3767745 Формула изобретения Составитель А. Карасоехред К. Шуфричираж 751 редактор Е. КарауЗаказ 7195/44 рректор М. Косодписное ва Госу елам сква, Пате ого комитета СС ний и открытий Раушская наб. жгород, ул. П ВНИИП по 113035, М илиал ПППгенератора при решении указанных задач позволяет получать неограниченйую точность определения статистических оценок характеристик случайных процессов, так как длительность имитируемых реализаций случайных процессов не имеет принципиальных ограничений и может быть произвольной.Формирование случайных процессов с произвольной (заданной) спектральной плотностью мощности с помощью предлагаемого генератора позволяет использовать его как в качестве эталонного генератора для проверки анализирующей аппаратуры, так и в качестве имитатора реальных случайных процессов, Применительно к рассмотренной выше задаче исследования и моделирования реальных объектов указанное свойство генератора определяет высокую адекватность имитируемых случайных процессов реальным, что также способствует повышению точности получаемых решений. Повышенное быстродействие предлагаемого генератора позволяет расширить класс моделируемых с его помощью случайных процессов и решаемых задач, а также проводить моделирование в реальном масштабе времени. В связи с тем, что современные запоминающие устройства имеют цикл считывания информации 10 - 100 нс, то частотный диапазон формируемых с помощью предлагаемого генератора случайных процессов достигает 5 - 50 мГц. Это-позволяетиспользовать его при имитации ударных и вибрационных процессов, акустических шумов, ультразвуковых колебаний, видео- и радиоимпульсных воздействий.Таким образом, предлагаемая структурагенератора является достаточно универсальной и может использоваться при решенииширокого класса задач,Генератор случайного процесса, содержащий генератор импульсов и счетчик, первый вход которого соединен с выходом генератора импульсов, отличающийся тем, что,с целью расширения функциональных возможностей генератора за счет форМированияслучайных процессов неограниченной длине тельности с произвольной спектральной плотностью мощности, он содержит делительчастоты, датчик случайных чисел и блокпамяти, причем вход делителя частоты подключен к выходу генератора импульсов,выход делителя частоты через датчик случайных чисел соединен с вторым входомсчетчика, выход которого подключен к входублока памяти, выход блока памяти являетсявыходом генератора случайного процесса.Источники информации,2 й принятые во внимание при экспертизе1, Бобнев М. П. Генерирование случайных сигналов и измерение их параметров,М., Энергия, 1966.2. Авторское свидетельство СССР391577, кл, 6 06 Г 1/02, 1971.3. Авторское свидетельство СССР37077, кл. б 06 Г 1/02, 1971.4. Авторское свидетельство СССР517018, кл, б 06 Г 1/02, 1974.5. Морозов Н. Ф., Переверткин С. М.,Свалов Ю. Л. Дискретный генератор дляпроверки коррелометров-спектроанализаторов. Тезисы докладов П 11 Всесоюзного симпозиума Методы представления и аппаратурный анализ случайных процессов и полей,Секция 1, Каунас, 1975, с,. 141 (прототип).