Генератор случайных процессов

Союз Соеетскнк Социалистическив Республин(22) Заявлено 300578 (21) 2622993/18-24 (51)М. Кл. С 06 Р 1/026 07 С 15/00 с присоединением заявки Ио Государственный комитет СССР ло делам изобретений н открытий(72) Авторы изобретения Московское ордена Ленина и ордена Трудового КрасногоЗнамени высшее техническое училище им. Н.Э, Баумана(54) ГЕНЕРАТОР СЛУЧАИНЫХ ПРОЦЕССОВ Изобретение относится к областивычислительной техники и может бытьиспользовано как при моделированиислучайных процессов с заданнымистатистическими характеристиками,так и для спектрального анализанепрерывно изменяющихся во временисигналовИзвестен генератор случайныхпроцессов, содержащий генераторимпульсов, датчик случайных импульсов, элементы И, блок управления,счетчик. Для упрощения настройкитребуемого закона генератор содержит шифратор и регистр, но функциональные возможности его ограничены 1),Другой известный генератор случайных процессов содержит блок элементов И, выходы которых соединеныс входами блока памяти, первые входы - с выходами датчика случайныхчисел, а вторые входы - с первымивыходами блока управления, второй выход блока управления соединенс первым входом блока считывания,второй вход которого соединен с выходом блока суммирования, а выход -с выходом генератора. Однако этотгенератор не позволяет формировать случайные процессы с заданными спек-, тральными характеристиками и не может быть использован для спектрального анализа сигналов (2),Известно также устройство длявычисления коэффициентов разложения функции в ряд, содержащее накопительный блок, генератор импульсов и ключей, П блоков делителей напряжения (на и выходов каждый), п каналов из последовательно соединенных сумматора, аналого-цифрового преобразователя и блок регистрации с соответ ствующими связями между блоками иуздами (3), К недостаткам известного устройства следует отнести большую конструктивную сложность, обусловленную наличием и ключей и и бло ков делителей напряжения на и выходов каждый, а также наличием накопительного блока, содержащего большое количество интеграторов низкое быстродействие, обусловленное тем, 25 что действительные значения спект.ральных коэффициентов могут быть получены только по окончании времени интегрирования (т,епосле окончания интервала времени, на котором 30 производится анализ сигнала) ограниченные функциональные возможности 3),Наиболее близким техническим решением к изобретению является генератор случайных процессов, содержаций последовательно соединенныедатчик случайных чисел, блок элементов И, блок памяти, коммутатор,блоки присвоения знака, блок суммирования и блок считывания, Кроме того он содержит генератор Функции Уолша, выходы которого присоединены к другим входам коммутатора,и блок управления (4),Однако этот генератор не можетбыть использован для формированияспектральных коэффициентов по анализируемому сигналу,Целью изобретения является дополнительное расширение функциональных воэможностей генератора эа счетформиронания спектральных коэффициентов по анализируемому сигналуи последующего формирования случайного процесса с теми же спектральными характеристиками, что и анализируемый сигнал,Постанленная цель достигается тем, что генератор случайных процессов, содержащий сумматор, последовательно соединенный с первым блоком памяти, и последовательно соединенные датчик случайных чисел, второй блок памяти, регистр и коммутатор, к другим входам которого подсоединен своими информационными выходами генератор дискретных ортогональных функций, а выход первого блока памяти является выходом генератора, содержит блок интегрирования блок элементов ИЛИ, блок сумматоров, два сдвиговых кольцевых регистра, третий блок памяти и четвертый блок памяти, вход которого подсоеди - нен к выходу коммутатора, а выход - к входу первого сдвигового кольцевого регистра, выход которого подсоединен к управляющему входу сумматора, информационный вход которого объединен с информационными входами блока сумматоров и подсоединен к выходу третьего блока памяти, информационный вход которого подсоединен к выходу второго сднигоного кольцевого регистра, все, кроме первого, входы которого подсоединены к соответствующим выходам блока сумматоров, а первый вход второго сдвигового кольцевого регистра подсоединен к ныходу блока элементов ИЛИ, первый вход которого подсоединен к первому выходу блока сумматоров, управляющие входы которых подсоединены к соответствующим выходам генератора дйскретных ортогональных функций, а вторсй вход блока элементов ИЛИ соединен с выходом блока интегрирования, вход которого соединен с выходом датчикаслучайных чисел.Кроме того, блок интегрированиясодержит элемент НЕ, два компаратора, цифроаналоговый преобразователь, элемент ИЛИ, элемент И, элемент задержки, реверсивный счетчик,регистр памяти и элемент выделениязнака, вход которого объединен спервым входом первого компаратора и,через элемент НЕ соединен с первымвходом второго компаратора и является первым входом блока, второйвход которого подсоединен к входуцифроаналогового преобразователя,выход которого подсоединен к вторым15 входам компараторов, выходы которых подсоединены к нходам элементаИЛИ, выход которого соединен с первым входом элемента И, выход которого подсоединен к счетному входу2 О реверсивного счетчика, вход установки н нуль которого через элементзадержки подсоединен к управляющемувходу элемента памяти, информационный вход которого подсоединен к выходу реверсивного счетчика, управляющий вход которого подсоединен квыходу элемента выделения знака, причем третий и четвертый входы блокаподсоединены соответственно к второму входу элемента И и к управляющему входу элемента памяти, выходкоторого является выходом блока.На фиг. 1 приведена блок-схемагенератора случайных процессов;на фиг, 2 - блок-схема блока интегЗ 5 рирования.Генератор содержит блок интегрирования 1, датчик 2 случайных чисел,блок 3 памяти, регистр 4, генератор5 дискретных ортогональных функций40 (ГДОФ), коммутатор б, блок 7 памяти,сдвиговый кольцевой регистр 8, блок9 сумматоров, блок 10 элементов ИЛИ,сдниговый кольцевой регистр 11, блок12 памяти, сумматоры 13 и блок 1445 памяти, Блок управления на чертежене показан, указаны только его выходы: с, Ь, с, о, е, Г, к и р, которые присоединены к управляющимвходам соответствующих узлов иблоков.Блок интегрирования 1 содержитэлемент 15 выделения знака, элементНЕ 1 б, компараторы 17 и 18, цифроаналоговый преобразователь 19,элемент 20 ИЛИ, элемент 21 И, ре 55 версивный счетчик 22, элемент задержки 23, регистр 24 памяти,Генератор предназначен в основном для генерации случайных процессов по спектральным характеристикам60 (функция спектральной плотности),совпадающих с анализируемым случайным процессом (но сами реализациигенерируемых случайных процессов вобщем случае не совпадают с анализи 65 руемым случайным процессом), В част 771 б 51ных случаях универсальный генераторможет быть использован в качестветолько спектрального анализатора илив качестве только генератора случайных процессов на основании заранеерасчитанных спектральных коэффициентов (помещаемых в сдвиговый кольцевой.регистр 11), Поэтому в дальнейшемизложении оба режима работы (Анализ и Генерация) будут рассмотрены последовательно,Работа предлагаемого устройствав режиме Анализ происходит следующим образом,Исследуемый аналоговый сигналпоступает на вход блока интегрирования 1, с которого через время 5 Л. 15снимается код, пропорциональный величине элементарного интеграла ЭЗначение этого кода через блок 10элементов ИЛИ поступает в регистр11 со .сдвигом, т,е. таким образом, 2 Очто через и шагов преобразованияпосле начала анализа (через времяТ: ., ) к информационным входамблока 12 памяти подключены выходытой ячейки памяти, в котоРой хРанится код 3, , Начиная с этого момента,включается генератор 5 дискретныхортогональных функций, работающих смаксимальной частотой в течение времени, значительно меньшего ЬС,и осуществляется вычисление спектральныхкоэффициентов, Если предложенноеустройство используется только в качестве анализатора с непрерывнымобновлением спектральных коэффициентов, то одновременно с их вычис- З 5лением в блоке интегрирования осуществляется вычисление очередногоэлементарного интеграла , , Значения спектральных коэффициентовформируются в соответствующих сумматорах блока 9 сумматоров, Для обеспечения заданного режима работыблоком управления генерируютсяследующие серии импульсов,Значения функций Уолша формируются с помощью генератора 5 функций Уолша, а изменение значениЯ функций Уолша на (и +гт) в соответствии со знаками случайных единиц - в комму" татаре б, В устройстве принято следующее правило соответствия между значениями функций Уолша и их двоичным эквивалентом: значению Юо, (1)=+1 соответствует О состояния с-го выхода ГДОФ, а значению Юа(Ф )1 - его единичное состояние, (1 + т) - входной коммутатор б включает в себя п групп блоков сувмирования по модулю два, причем каждая К-ая группа содержит 2" блоков суммирования по модулю два, К первым входам блоков суммирования по модулю два К -ой группы подключаются выходы только тех функций Уолша, которые соответствуют спектральным коэффициентам, объединенным в К -ую группу в соответствии с правилом объединения коэффициентов в однотипные группы, Поскольку изменение знака случайным образом должно производится одновременно у всех функций Уолша, объединенных в группу, то вторые выходы блоков суммирования по модулю два каждой К -ой группы объединены и подсоединены 50 С ерия С( - опорная максимальная(с точки зрения работоспособностиэлементной базы) частота, подаваемая на датчик 2 случайных чисел,С этой частотой на выходе ДСЧ 2появляются случайные числа,Серия О - то же, что серия Оно задержанная на интервал временисГТ (время переходных процессов вэлементах 16, 17, 18, 19 и 20интегрального преобразователя 1),Серия С - импульсы с частотой 1/Ь+ и задержанные по отношениюсоответствующих импульсов из серии Ь на У 1 (время переходныхпроцессов в элементе 21 И и в ревер- бб сивном счетчике 22), С этой частотой осуществляется считывание синтегрального преобразователя информации с записью ее в регистр 11 и обнуление сумматоров в блоке 9,Серия В - та же, что серия ано включаемая после очередногоимпульса серия С (через время дС )и включаемая после окончания вычисления спектральных коэффициентов(о чем сигнализирует импульс с выхода генератора 5 в блок управления,появляющейся при обнулении счетчиков генератора 5, т,е, после окончания генерирования всех ортогональных Функций), Серия е управляет работой блоков 5 и 14, В связи с тем,что в режиме Анализ выходамиустройства являются выходы сумматоровблока 9, то отключение серии отблока 14 не обязательно (что упрощаетблок управления)Серия д - импульсы передачи информации из блока 9 в регистр 11 иперехода от режима Анализ крежиму Генерация (первый из импульсов поступает не ранее, чемчерез время Т:г, ь 1 после началаанализа),Серия 1 - то же, что серия Зно с задержкой на ГЬ (время переходных процессов в блоках 9 и 11),Серия К - то же, что серия ЬПосле поступления из блока управления импульса из серии б устройствопереходит в режим работы Генерация, Работу устройства в этом режиме поясним на примере использования в качестве базисных ФункцийУолша, Выработанное п -разрядноеслучайное число с помощью блока 3передается на блок 4 и запоминаетсяв нем,к выходу соответствующего разрядаблока 4,Таким образом, каждый выход(каждый разряд) коммутатора 6 представляет собой произведение )ь назначение соответствующей функцииСаб или ьо 8 в текущий момент времени ( Для получения значенияслучайного процесса(ь) в данныйтекущий момент времени ъ необходимоприбавить или вычесть значение соответствующего спектрального коэффиТента (которые импульсом сериипереписаны в регистр 11), Дляреализации этого алгоритма содержимое коммутатора н каждый текущийдискретный момент времени ъ переписывается н регистр 8 и затем, проднигая содержимое сдвиговых кольцевыхрегистров (в 8 - позарядное, в 11по словам), с помощью сумматора 13осуществляется суммирование - вычитание спектральных коэффициентовиз регистра 11 (в соответствии созначением очередного разряда регистра 8). После суммирования - вычитания всех спектральных коэффициентов на выход генератора черезблок 14 выдается значение случайногопроцесса в момент времени 1 ,Припереходе к следующему шагу - моментудискретного времени ( + 1) черезвремя ЬС изменяется состояние генератора 5, изменяется содержимоерегистра 8 и процесс формированияочередного значения б ( + 1) случайного процесса повторяется,Для обеспечения режима работыГенерация блоком управлениягенерируются следующие серии импульсов: серия С( - та же, что и н режиме Анализ, серии Ь и С отсутствуют, серия с( - импульсы передачи (беэ стирания) информации изблока 9 в регистр 11 и передачислучайного числа в регистр 4, Всеостальные серии импульсов н режимеГенерация включаются толькопосле прохождения импульса серии цСерия 6 - то же, что серия С прианализе, т.е. с частотой 1/А , нос задержкой относительно импульссвсерии д на время Р 4= (т,е, безпервого импульса, т.к, ГДОФ 5 уженаходится в исходном состоянии),Серия- то жв, что серия Спри анализе, но с задержкой ботносительнс импульсов серии Й (навремя переходных процессов в регистре 4 и в коммутаторе 6),Серии М и 1 - то же, что серияа , но включаемая после очередногоимпульса серии Р с пропуском первогоимпульса и выключаемйя спустя и тактов.Серия 1 - то же, что серия К , нос первым импульсом и с задержкойд (время переходных процессов вЬсдвиговом ко.чьцевом регистре 11),Для воспроизведения каждой новойреализации случайного процесса наинтервале 1 с одинаковым спектральными характеристиками импульсомсерии д осуществляется передачавычисленных (или установленных)спектральных коэффициентон из блока9 в регистр 11 и передача очередногослучайного числа с датчика 2 случайных чисел в регистр 4, После этогоработа универсально:о генератораслучайных процессов происходит таким же образом, как описано выше,В случае необходимости формирования случайного процесса с новымихарактеристиками достаточно либо15 изменить "одержимое блока 9 сумматоров, либо перевести устройствов режим работы Анализ и на входподать исследуемый сигнал,Таким образом предложенный уни 2 О нерсальный генератор позволяет выполнять все функции известного устройства и, кроме того, дает воз -можно:ть осуществить реализациюслучайного процесса, подобногоисследуемому сигналу, без предварительного определения и апроксимациистатистических характеристик исследуемого сигнала. Кроме того, предложенный универсальный генераторможет быть использован н качествеанализатора спектра.Формула изо 5 ретенияГенератор случайных процессов,содержащий последовательно соединенные сумматор и первый блок памятии последовательно соединенные датчикслучайных чисел, второй блок памя ти, регистр и коммутатор, к другимвходам которого подсоединен своимиинформационными выходами генератордискретных ортогональных функций,выход перного блока памяти является 4 выходом генератора, о т л и ч а ющ и й с я тем,.что, с целью расширения функциональных возможностейгенератора за счет формированияспектральных коэффициентов по анализируемому сигналу и последующегоформирования случайного процесса сопределенными спектральными характеристиками, он содержит блок интегрирования, блок элементов ИЛИ,блок сумматоров, два сдвиговыхкольцевых регистра, третий блок памяти и четвертый блок памяти, входкоторого подсоединен к выходу коммутатора, а выход - к входу первого сдвигового кольцевого регистра, Я выход которого подсоединен к управляющему входу сумматора, информационный вход которого объединен синформационными входами блокасумматоров и подсоединен к выходу 65 третьего блока памяти, информацион10 771651 ный вход которого подсоединен к выходу второго сдвигового кольцевого регистра, все, кроме первого, входы которого подсоединены к соответствующим выходам блока сумматоров, а первый вход второго сдвигового кольцевого регистра подсоединен к выходу блока элементов ИЛИ, первый. вход которого подсоединен к первому выходу блока сумматоров, управляющие входы которых подсоединены к соответствующим выходам генератора дискретных ортогональных функций, а вгорой вход блока элементов ИЛИ соединен с выходом блока интегрирования, вход которого соединен с вЫходом датчика случайных чисел.1, Генератор случайных процессов по п,1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что блок интегрирования содержит элемент НЕ, два компаратора, цифроаналоговый преобразователь, элемент ИЛИ, элемент И, элемент за" держки, реверсивный счетчик, регистр памяти и элемент выделения знака, вход которого объединен с первым входом первого .компаратора и через элемент НЕ соединен с первым входом второго компаратора и является первым входом блока, второй вход которого подсоединен к входу цифроаналогового преобразователя, выходкоторого подсоединен к вторым вхо"дам компараторов, выходы которыхподсоединены к входам элемента ИЛИ,выход которого соединен с первымвходом элемента И, выход которогоподсоединен к счетному входу реверсивного счетчика, вход установкив нуль которого через элемент задержки подсоединен к управляющемувходу элемента памяти, информационный вход которого подсоединен квыходу реверсивного счетчика, управляющий вход которого подсоединенк выходу элемента выделения знака,причем третий и четвертый входы15 блока подсоединены соответственнок второму входу элемента И и к управляющему входу элемента памяти, выходкоторого является выходом блока,Источники информации,Щ принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССРМ 344431, кл. 6 06 Р 1/02, 1970.2, Авторское свидетельство СССРМ 370717, кл, Н 03 К 13/02, 1970.3. Авторское свидетельство СССРМ 470812, кл . С 06 Р 15/34, 1975.4. Авторское свидетельство СССРМ 532873, кл. 6 07 С 15/02,С 06 Р 1/02, 1977 (прототип),ВНИИПИ Заказ 6698(Тираж 751 Подписное филиал ППП фПатентф,г.ужгород, ул.Проектна