Генератор случайного процесса

ФмЪ НИЕ ИЗОБРЕТЕН ИЯ и 752305 Союз СоветскикСоциалистическикРеспублик К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(28) Приори гет па делам нзобретеннй н открытнй(54) ГЕНЕРАТОР СЛУЧАЙНОГО ПРОЦЕССА Изобретение относится к вычислительной техпике и может быть использовано при по.троении имитационно-моделирующей аппарату. ры для решения задач исследования и оптимизации структурно-сложных систем.Известные генераторы случайных процессов по совокупности существенных признаков могут быть сгруппированы в два класса. К первому классу относятся генераторы, содержащие в своей структуре один или несколько формирующих фильтров для придания случайному процессу требуемых спектральных свойств.Известны генераторы, использующие один формирующий фильтр, содержа 1 цие генератор исходного случайного процесса, спектральные свойства которого известны и нормированы (1)15Управление спектральной плотностью мощности случайного процесса выполняют изменением частотной характеристики формирующих фильтров. С математической точки зрения20 такое управление является достаточно простым, так как спектральная плотность мощности выходного случайного процесса определяется произведением квадрата модуля частотной характеристики формирующего фильтра и спектральной плотности мощности исходного случайного процесса. Однако, с практической точки зрения, проектирование и изготовление фор. мирующих фильтров с перестраиваемой в ши. роких пределах частотной характеристикойпредставляет собой достаточно трудную техническую задачу. Формирующие фильтры, проектируемые на основе аналоговых средств (ем. костей и индуктивностей), достаточно просты и стабильны, однако допускают перестройку частотных свойств в широких пределах только механическим путем и не допускают прямого цифрового управления, Реализация формирующих фильтров цифровыми методами частично лишена этих недостатков и допускает прямое цифровое управление частотной характеристикой. Однако цифровой фильтр требует выполнения нескольких операций умножения и суммирования для формирования текущего отсчета выходного случайного процесса, что существенно оказывается на уменьшении быстродействия программно управляемых генераторов. Кроме того, расчет парамезров формирующих фильтров752305 достаточно сложен, так как требует выполнения интегральных преобразований,Генераторы случайных процессов, использующие несколько формирующих фильтров, содержат дополнительно в своей структуре несколько генераторов исходных случайных процессов и блок суммирования с заданными весами 21.Управление спектральной плотностью мощности случайного процесса в таких генераторах основано на том, что при суммировании не. зависимых случайных процессов спектральные плотности их мощности суммируются. А так как суммирование случайных процессов производится с определенными весами, то их вариация приводит к изменению спектральной плотности мощности процесса на выходе генератора. Указанные генераторы допускают прямое цифровое управление спектральными свойствами, однако требуют выполнения операций умножения исходных случайных процессов на весовые коэффициенты и суммирование полученных результатов. Следовательно, ввиду необходимости вычисления суммы произведений, для формирования одного отсчета генера- торы, содержащие несколько формирующих фильтров, эквивалентны по быстродействию генератором, содержащим один формирующий фильтр.К другому классу можно отнести генераторы, использующие для формирования выходного случайного процесса множество случайных импульсных потоков. (6 - 11) . Такие устройства содержат в своей структуре множество генераторов импульсов, конъюнкторы, дизъюнктор и доугие вспомогательные элементы, выполняющие над множеством исходных случайных процессов только логические операции, в свя. зи с чем обладают высоким быстродействием. Однако выходной процесс представляет собой поток импульсов фиксированной формы еле 4 О дующих через случайные интервалы времени. Управляемой статистической характеристикой потока является функция распределения слу. чайного временного интервала между импуль. сами, вариация которой приводит к изменению 45 спектральных свойств процесса на выходе гене. ратора 31.К недостаткам известных генераторов можно отнести ограниченность класса воспроизводимых спектральных плотностей мощности, а также сложность методики расчета параметров их настройки по заданной спектральной плотности мощности, так как их целевое назначение- моделирование случайных событий.Наиболее близким. к предлагаемому по технической сущности является генератор, предназначенный для формирования случайного процесса с заданным многомерным распредели. телем, которое в конечном итоге определяет его спектральные свойства, Эта цель достига. 1ется тем, что он содержит блок генераторов,включающий множество генерагоров нормальныхслучайных процессов, статистический коммутатори выходной блок, предназначенный для преобра.зования сигналов к дискретной форме. Таккак выходной блок выполняет лишь вспомогательные функции типа информационных преобразований, то существенными признакамипротивопоставляемого устройства являютсяналичие статистического коммутатора и блокагенераторов, выходы которого соединены свходами статистического коммутатора. Прин.цип действия генератора основан на том, чтодля формирования текущего отсчета выходногослучайного процесса случайным образом выбирают один (и только один) из выходовблока генераторов и умножают значение сигнала на определенный коэффициент 4.Так как указанные функции выполняет статистический коммутатор, то в своей структуреон должен содержать устройство умножениятекущего значения сигнала на заданный коэффициент, запоминающее устройство для хранения коэффициентов и вероятностей 1, й-по.люсник с управляемыми вероятностями выборавыходов блока генераторов,Кроме того, упомянутый принцип действияможет быть реализован только при условии,что процессы на выходах блока генераторовдолжны иметь в общем случае отличные другот друга и регулируемые статистические свойства.При реализации генератора федствами ана.логовой вычислительной техники перечисленныевыше требования к функционированию егоэлементов не налагают принципиальных ограничений на его быстродействие, так как операции умножения (деления) и суммированияне требуют временных затрат и могут выполняться, например, при помощи потенциометров (деление) или более сложных резистивныхсхем (суммирование) .Однако такой путь не является эффективным, когда речь идет о создании генераторовслучайных процессов, управляемых от ЭВЧ.Необходимость создания таких генераторовопределяется прежде всего тем, что их использование в качестве узлов и подсистем в сложных имитационно.моделирующихкомплексахс элементами автоматизации статистическогоэксперимента требует обеспечения возможностипрограммного управления статистическимисвойствами случайного процесса. Несмотряна то, что программное (цифровое) управление обладает рядом преимуществ перед аналого.вым,сформулированное требование являетсяпринципиальным, так как в конечном итогеопределяет эффективность практического ис.752305пользования генераторов случайных процессов,Р 1 спьгтание изделий электронной промышленности на воздействие случайньгх факторов требует применения генераторов случайных процессов, которые являются электрическими 5аналогами исследуемых воздействий. Причем,если генератор случайного процесса обладаетвозможностью программного управления отЭВМ, то процесс испытаний может быть авто.матизирован, т.е, задание режимов испытаний, 1 Овариация режимов и анализ результата выполняются по специальным программам, хранимым в управляющей ЭВМ, Это приводит кповышению информативности испытаний, произ.водительности испытательного оборудования и, 15в конечном итоге, к повышению качества выпускаемой продукции.С целью программного управления, реализа.ция известного устройства средствами ггкфро.вой техники принципиально возможна, однако 20ведет к уменьшению быстродействия устройства в целом, по следующим причинам: формирование нормальных случайкых процессовс заданными статистическими свойствами требует выполнения над некоторым исходным 25случайным процессом как минимум двухарифметических операций: умножения (получение заданной дисперсии) и сложения (получение заданного математического ожидания);преобразование нормального случайного про- Зоцесса статистическим коммутатором требуетвыполнения операции умножения.Таким образом, для вычисления текущегозначения выходного случайного процесса выполнение как минимум двух операций умножения, реализация которых средствами цифровойтехники требует значительных временных затрат,Вследствие этого можно утверждать, что рассматриваемое устройство при реализации про.граммного управления обладает пониженным 40быстродействием,Пель изобретения - повышение быстродей.ствия генератора при реализации программногоуправления спектральными свойствами процесса. 45 6ключей, вторые входы ключей, являются входами статистического коммутатора, а их выходы - выходами статистического коммутатора.Кроме того. блок генераторов содержитгенераторы гармонических колебаний, выходыкоторых являются выходами блока генераторов, а выход первого генератора гармонического колебания соединен со входами остальных генераторов гармонических колебаний.Предлагаемое устройство обладает повышенным быстродействием за счет того, что дляформирования текущего значения выходногослучайного процесса не требуется выполненияопераций умножения. Высокое быстродействиеопределяется так же тем, что часть устройстваможет быть реализована средствами аналоговой техники, а часть (датчик случайных чк.сел) - цифровыми методами, вследствие того,что в предлагаемом устройстве спектральныесвойства выходного процесса определяютсязаконом распределения случайных чисел навыходе датчика, управляющего работой ключевых схем.Таким образом, введение сумматора в струк.туру генератора случайного процесса, позволяетзаменить операцию умножения процесса навыходе блока генераторов операцией подключения или отключения его ко входу сумматора.Кроме того, благодаря введениго сумматора иуказанным особенностям функционирования стоха-стического коммутатора оказывается возможнымповысить быстродействие блока генераторовэа счет использования генераторов гармоничес.ких колебаний, схемотехника построения которых достаточно хорошо изучена и не имеетпринципиальных ограничений по быстродейст.вию,На чертеже приведена структурная схемагенератора случайного процесса.Устройство вг.тгсчает блок 1 генераторов,статистический коммутатор 2, сумматор 3, ключи 4 (4 - 1,4 - М), датчик 5 случайных чисели генераторы 1 - 11 - й гармонических колебаний, Для достижения поставленной цели в генератор случайного процесса, содержащий стат гсти. ческий коммутатор и блок генератороввыходы которого соединены со входами статисти 50 ческого коммутатора соответственно, введен сумматор, входы которого соединены с выходами статистического коммутатора соответственно, а выход сумматора является выходом генератора.55Кроме того, статистический коммутатор содержит датчик случайных чисел и ключи, причем выходы датчика случайных чисел соецинены с первыми входами соотвегствующих Выходы генераторов 1 - 11 - М гармонических колебаний соединены со вторыми входа-.ми ключей 4 - 14 - й схем соответственно,Первые входы ключей 4 - 14 - й соединенысоответственно с выходами 1, ,М датчика 5случайных чисел, Выходы ключей 4 - 1,4 - М, являясь выходами статистического коммутатора 2,соединены со входами 1 1 ч сумматора 3 соответственно. Генераторы 1 - 1, , 1 - йгармонических колебаний блока 1 генераторовфункционально связаны таким образом, чтовыход генератора гармонических колебаний752305 Названные блоки выполняют следующиефункции.5Блок генераторов 1 непрерывно формируетна своих выходах множество исходных процессов. В зависимости от конкретного исполненияэтого блока, исходные процессы на его выхо.дах могут быть либо случайными, либо представлять собой гармонические колебания с заданными частотами и фиксированными фазовыми соотношениями.В последнем случае он содержит генераторыгармонических колебаний 1 - 1, , 1 - й, формирующие на своих выходах гармонические ко.лебания с заданными частотами. Требуемыефазовые соотношения колебаний поддерживаются благодаря соединению выхода генератора 1 - 1 со входами синхронизации остальныхгенераторов 1 - 2, 1 - М.Статистический коммутатор 2 предназначендля периодического подключения ко входамсумматора случайного числа выходов блока 1.генераторов с заданными вероятностями подключения каждого из них. При этом подключение (если оно выполняется) происходит впрямой или инверсной форме (сигнал с выхода блока генераторов инвертируется или неинвертируется) случайным образом с равнойвероятностью,Указанные функции реализуются с помощьюключей 4 и датчика 5 случайных чисел. В соответствии со значением случайного сигнала,поступающего на первый вход ключа онапропускает или не пропускает на выходсигнал, поступающий на ее второй вход.При этом передача сигнала выполняется либо синвертированием, либо без инвертирования сравной вероятностью. Описанный принципдействия позволяет синтезировать ключевуюсхему и, в соответствии с этим, более детально она не рассматривается.Датчик 5 случайных чисел периодическичерез заданные интервалы времени формирует 4независимые случайные числа с управляемымивероятностями появления сигнала на каждомиз его выходов.Сумматор 3 выполняет арифметическоесуммирование величин, поступающих на еговходы, Функционирование устройства происхо.дит следующим образом, После формированияочередного нового случайного числа датчиком 5случайных чисел, оно поступает на первыевходы ключевых схем и, соответственно, управляет подключением нового случайного числа выходов блока генераторов по соответствую.щим входам сумматора. Одновременно с этимвыполняется равновероятный выбор ключевы. с: 23 Г/юо где 2.Исходя из данного соотношения, нетрудно расчитать такие вероятности Р появления сигналов на соответствующих выходах датчика щ случайных чисел, что Воспроизводимая функ.ция ( (ш) будет совпадать с заданной (со)в точках 1 ш . Названные вероятности рассчиотываются в соответствии со следующим соот.ношением Рк 4 й (коала) l т- и явля.55ются исходными данными для расчетапараметров настройки датчика случайных чисел,Таким образом, помимо высокого быстро.действия при реализации программного управления, предлагаемйй генератор отличает также 1-1 соединен со входами остальных генерато.ров 1 - 2, .,1 - й; 8ми схемами прямой или инверсной передачи сиги ало в,После выполнения этих действий в течение заданного интервала времени т никаких переключений в схеме не йроисходит до формирования нового случайного числа.Спектральные свойства случайного процесса на выходе генератора определяются вероятностями появления сигналов на выходах датчика случайных чисел, т.е. в конечном итоге настройкой датчика случайных чисел на форми. рование случайных двоичных сигналов с за данными статистическими свойствами. Известно большое число различных датчиков случайных чисел с программным управлением. В предлагаемой структуре может быть использо-. ван любой иэ них беэ дополнительных ограничений.Связь между спектральной плотностью мощ. ности случайного процесса на выходе генератора случайного процесса и вероятностями появления единицы на соответствующих. выходах датчика случайных чисел оказывается наиболее простой, если предположить, что частоты гармонических колебаний на выходах блока генераторов кратны величине сто (оэ г = .д с.о)1 а интервал времени . между моментами формирования новых случайных чисел датчиком задан, исходя из величины жКроме того, гармонические колебания на выходах блока 1 генераторов находятся в определенных фазовых соотношениях (начальная фаза каждого гармонического колебания равна .3 С (4) .При выполнении указанных условий спектральная плотность мощности случайного процесса на выходе устройства определяется следующим соотношением:752305 Г 111 1ь А, КарасоКастелевич Составите Редакто Долин х Корректор Н. Григо Заказ 4 Тираж 751 ЦНИИПИ Госуда по делам иэо 3035, Москва, Жое ственного комитета СССРбретений и открытий- 35 Раушскаянаб. д,4/5 Ф Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектна9простота математических операций при расчете вероятностей настройки Р, на формирование процесса с заданными свойствами,Ввиду, того, что все расчеты, связанные с настроикой программно-управляемых устройств реализует управляющая ЭВМ, то простота математических операций позволяет сократить затраты машинного времени на расчет и уве. личить число сопрягаемых с ЭВМ генераторов без существенного увеличения времени их обслуживания. формула изобретения1. Генератор случайного процесса, содержащий статистический коммутатор и блок генераторов, выходы которого соединены со входа 15 ии статистического коммутатора соответственно, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью вовишения быстродействия генератора, он содержит сумматор, входы которого соединены с выходами статистического коммутатора соответственно, а выход сумматора является выходом генератора.2. Генератор по п. 1, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что статистический коммутатор со 10держит датчик случайных. чисел и ключи, при. чем выходы датчика случайных чисел соединены с первыми входами соответствующих ключей, вторые входы ключей являются входами статистического коммутатора, а их вы. ходы - выходами статистического коммутатора.3. Генератор по и. 1, о т л и ч а ю щ и й. с я тем, что блок генераторов содержит гене. раторы гармонических колебаний, выходы которых являются выходами блока генераторов, а выход первого генератора гармонического колебания соединен со входами остальных ге. нераторов гармонических колебаний. Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Бобнев М. П. Генерирование случайныхсигналов, М., "Энергия", 1971.2. Авторское свидетельство СССР Хо 391577,кл. 6 06 Е 1/02, 1971.3. Авторское свидетельство СССР У 312253,кл. 0 06 Е 1/02, 1969,4. Авторское свидетельство СССР И 391576,кл. 6 Об Е 1/02, 1971 прототип).