Генератор случайного процесса

(53) 681.325( (56) 1. Автор В 391577, кл.2. Авторск Р 667983, кл.3, Авторск Р 7677,45, кл. (прототип). видетельстъо СССР 7/58, 1971,детельство СССРР 7/58, 1977.детельство СССРР 7/58, 1978 ча ко ДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИ ПИСАНИЕ ИЗОБР АВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(54)(57) ГЕНЕРАТОР СЛУЧАЙНОГО ПРОЦЕССА, содержащий датчик случайных чисел, счетчик, информационный выход которого соединен с адресным входом первого блока памяти, генератор импульсов, выход которого соединен с входом первого делителя частоты, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью, повышения точности, он содержит два триггера, второй делительстоты, регистр памяти, умножитель, ммутатор, сумматор, накапливающий сумматор, два блока памяти и элемент И, выход которого соединен с управ" ляющими входами накапливающего сумматора и первого блока памяти и со счетным входом счетчика, информационный выход которого соединен с ад" ресным .входом второго блока памяти и с первым входом сумматора, выход которого соединен с адресным входом третьего блока памяти и с первым ин- формационным входом коммутатора, выход которого соединен с информационным входом первого блока памяти, выод которого соединен с вторым вхоом сумматора, выход генератора импульсов соединен с первым входом элемента И и с входом датчика случайных чисел, выход которого соединен с вторым информационным входом коммутатора, управляющий вход которого подключен к единичному выходу первого триггера, единичный вход которого соединен с выходом переполнения счетчика и с нулевым входом вто- Е рого триггера, единичный выход которого соединен с вторым входом элемен та И, выход первого делителя частоты соединен с входом обнуления накапливающего сумматора, с синхрониэирующим входом регистра памяти, с еди ничным входом второго триггера и с входом второго делителя частоты, выход которого соединен с нулевым входом первого триггера, выходы второго н третьего блоков памяти Соединены соответственно с первым и втбрым входами умножителя, выход которого соединен с информационным входом накапливающего сумматора, выход кото рого соединен с информационным входом регистра памяти, выход которогоявляется выходом генератора.Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано при построении имитационномоделирующей аппаратуры для решения задач исследования и оптимизации структурно-сложных систем, при создании автоматизированных систем испытания на вибрационные, акустические, электрические и другие воздействия.Известно устройство, содержащее блок генераторов первичного нормаль ного шума, блок Формирующих фильтров,сумматор и нелинейный. безынерционныйпреобразователь, позволяющее Формирование случайных процессов с произвольной заданной спектральной плот ностью мощности в фиксированном диапазоне частот 13.Недостатком устройства является сложность техйической реализации за счет множества генераторов первичО ного нормального шума и Формирующих фильтров, ограниченность частотного диапазона, низкая точность воспроизведения заданной функции спектральной плотности мощности. 25Известно также устройство, содержащее блок Формирования случайных временных интервалов, блок источников равномерно-распределенных случайных величин, блок источников гармонических сигналов и блок суммирования 21.Недостатком данного устройства также является сложность технической реализации за счет множества источников случайных величин и гармонических сигналов. Например, если данное устройство использовать для формирования случайного процесса при испытаниях изделий на электродинамическом вибростенде, для обеспечения до статочной точности коррекции амплитудно-частотной характеристики вибростенда количество источников случайных величин,и гармонических сигналов должно быть порядка 400-800. 45Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является генератор случайного процесса, содержащий генератор импуль. сов, 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 из которых путем последовательного циклического чтения информации из блока памяти, 60начиная со случайного в начале цикла адреса, формируется отрезок реализации процесса. Формируемый устройством процесс представляет собой последовательность склеенных отрезков одной периодической функции со случайными начальными фазами, В блок памяти записывается период полигармонической функции с определенными соотношениями амплитуд входящих внее гармоник. При этом функция спектральной плотности мощности Формируемого процесса аппроксимируется композицией компонентных Функций(вп х/х), сдвинутых по частоте сравномерным шагом, с равной ширинойосновных лепестков, с весами, пропорциональными амплитудам соответствующих им гармоник записанной в память полигармонической функции Г 33,Недостатком известного устройства является сложность настройки, так как для вычисления полигармонической функции, записываемой в.блок. памяти, требуется выполнять большойобъем вычислений, простота временной конструкции Формируемого процесса - он состоит из отрезков одной функции, в которых повторяются одинаковые фрагменты формы, т.е. процесс обладает малой энтропией (случайностью). Если устройство используется в качестве генератора помехпри испытании некоторой "интеллектуальной" системы, то система может легче адаптироваться к данному воздействиюКроме того устройство характеризуется большой погрешностью задания Требуемой функции СПИ в обгасти нулевой частоты.Указанные недостатки сужают область применения устройства, ограничивают его Функциональные возможности.Целью изобретения является повышение точности генератора за счет упрощения настройки, повышения энтропии и обеспечения возможности управления мощностью в области нулевой частоты,Для достижения поставленной целив генератор случайного процесса, содержащий датчик. случайных чисел, счетчик, информационный выход которого соединен с адресным входом первого блока памяти, генератор импульсов, выход которого соединен с входом первого делителя частоты, введены два триггера, второй делитель частоты, регистр памяти, умножитель, коммутатор, сумматор, накапливающий сумматор, два блока памяти и элементИ, выход которого соединен с управляющими,входами накапливающего сумматора и первого блока памяти и со счетным входом счетчика, информационный выход которого соединен с адресным входом второго блока памяти и с первым входом сумматора, выход которого соединен с адресным входом третьего блока памяти и с первым информационным входом коммутатора,периода синуса, по адресам, формируемым с помощью счетчика 1, блока 2памяти и сумматора 3. Длительностьинтервалов дискретизации (ЬТ) Формируемого процесса задается коэффициентом пересчета делителя 9 частоты,количество отсчетов процесса, формируемых на одном цикле (Бф) - .коэффициентом пересчета делителя 10 частоты, количество гармонических функций,10 образующих отрезок реализации (И),коэффициентом пересчета счетчика 1,Равномерно распределенные начальныеФазы гармоник Формируются датчикомслучайных чисел 13,15 Очередной шаг вычисления процесса начинается после выработки на выходе делителя 9 частоты импульса,. по которому в выходной регистр 7 записывается с выхода сумматора б вычисленный на предыдущем шаге отсчетпроцесса, сумматор б обнуления, триггер 16 блока 15 управления устанавливается в единичное состояние, разрешающее прохождение импульсов черезэлемент И 17. К началу шага вычислений счетчик 1 находится в нулевомсостоянии. На первом такте из блока пока счетчик 1 не пройдет всю последовательность состояний до максимального и на его выходе 2 .не вырабатывается сигнал переполнения, покоторому триггер 16 блока управлевыход которого соединен с информационным входом первого блока памятид,выход которого соединен с вторымвходом сумматора, выход генератораимпульсовсоединен с.первым входомэлемента И и с входом датчика случайных чисел, выход которого соединен с вторым информационным входомкоммутатора, управляющий вход которого подключен к единичному выходупервого триггера, единичный вход которого соединен с выходом переполнения счетчика и с нулевым входом второго триггера, единичный выход которого соединен, с вторым входом элемента И, выход первого делителя частоты соединен с входом обнулениянакапливающего сумматора, с синхронизирующим входом регистра памяти,с единичным входом второго триггераи с входом второго делителя частоты,.выход которого соединен с нулевымвходом первого триггера, выходы второго и третьего блоков памяти соединены соответственно с первым и вторым входами умножителя, выход которого соединен с информационным входом накапливающего сумматора, выходкоторого соединен с информацйоннымвходом регистра памяти, выход которого является выходом генератора.На чертеже приведена структурнаясхема устройства.Устройство содержит счетчик 1;блок 2 памяти, сумматор 3, блок 4памяти, умножитель 5, накапливающийсумматор б, регистр 7 памяти, генератор 8 импульсов, первый 9 и второй10 делители частоты, триггер 11,коммутатор 12, датчик 13 случайныхчисел, блок 14 памяти и блок 15 управления, в состав которого входиттриггер 16 и элемент И 17,1Работу устройства можно представить как последовательность повторяющихся циклов, на каждом из которйхформируется отрезок реализации случайного процесса, представляющий собой сумму гармонических функций сослучайными фазами, одновременно изменяющимися в начале цикла, с частотами, кратными частоте первой (самойнизкочастотной) гармоники, с определенными заданными амплитудами. Каждый цикл состоит из мф шагов, накаждом из которых за И+1 тактов вычисляется один отсчет формируемогопроцесса как сумма произведений кодов задания амплитуд (коэффициентов А:) гармоник, записанных в блоке14 памяти на значения отсчетов гармоник единичной амплитуды. Произведения вычисляются умножнтелем 5, сума произведений - накапливающим сумматором 6. Отсчеты гармоник всехкратных частот получаются чтениемиз блока 4 памяти отсчетов одного 30 35 40 45 50 55 60 м 65 2 памяти из нулевой ячейки, опредеяяемой нулевым состоянием счетчика 1,считывается код, который без изменения проходит через сумматор 3 на вход адреса блока 4 памяти и через коммутатор 12 - на вход информацииблока 2 памяти. Из блока 4 памятисчитывается код отсчета синуса и умножается умножителем 5 на значениекоэффициента, .считываемого из нулевой ячейки блока 14 памяти. По поступающему через элемент И 17 Ьчередному импульсу генератора 1; полученное произведение прибавляется к содержимому сумматора б (нулевому в начале цикла), состояние счетчика 1 увеличивается на единицу, содержимое нулевой ячейки не изменяется, так как на нулевом такте на вход блока памяти поступает без изменения считываемый иэ нее код. На следующем такте (с номером 1) к считываемому из первой ячейки блока 2 памяти коду сумматора 3 прибавляется единица. По следУющему импульсу генератора 1 к содержимому сумматора 6 прибавляется произведение кода, считываемогоиз блока 4 памяти и из первой ячейки блока 14 памяти, в первую, ячейкублока 2 памяти записывается новыйкод, на единицу больше считанного,состояние счетчика увеличиваетсяна единицу. Описанный процесс идет до тех пор, 1068936где М Ак Частота первой гармонической функции (д= 2 й/(Б аТ), где Б - количество отсчетов задания периода синуса, записанного в блок 4 памяти, причем МН/2.Для настройки предлагаемого устройства формирования процесса с требуемой функцией СПМ необходимо определить коэффициенты Ак и параметры М, И, ьТ, при которых требуемая Функция СПМ оптимально аппроксимируется суммой компонентов функций 1). Наиболее просто Ак можно определить при Бф = Б, так как в этом случае максимум основного лепестка каждой компонентной Функции совпадает с минимумами остальных компонентных функций и коэффициенты А можно принять равными значениям Функции СПМ в точках кМ . Полученные значения Ак являются для предлагаемого устройства параметрами задания формы функции СПМ и записываются в блок 14 памяти.дпя настройки известного устройства необходимо также как и для предлагаемого определить параметры Ак, М, М,: ьТ затем по значениям Ак и М вычислять период полигармонической функции, включающий М гармоник с амплитудами АК, каждая из которых сония устанавливается в нулевое состояние, запрещающее прохождение состояний накапливающего сумматора 6, блока 2 памяти и счетчика 1, которыйпосле перехода через максимальноесостояние устанавливается в нулевое. 5Таким образом, на каждом х-м тактек содержимому накапливающего сумматора 6 прибавляется произведениекоэффициента, считываемого из 1-йячейки блока памяти, на отсчет синуса, считываемого из блока 4 памяти,по адресу, определенному содержимым1-й ячейки блока 2 памяти, увеличенному на . В -ю ячейку блока памятина 1-м такте записывается новое число, равное считанному, увеличенномуна 1. После окончания шага вычисления в сумматоре 6 получается отсчетформируемого процесса. На каждом шаге вычисления содержимое каждой 1-й 20ячейки блокпамяти увеличиваетсяна , 1 = О, М. При этом на З.-ыхтактах последовательно выполняемыхшагов одного цикла по адресам, циклически изменяющимся с шагом, равным 1, считываются отсчеты записанного в блоке 4 памяти периода синуса и умножаются на значение коэффи-.циента, считываемого из -й ячейкиблока 14 памяти, чем и обеспечивается Формирование отрезков гармонических Функций с частотами в 1 разбольшей частоты гармонической функции, Формируемой на тактах с номером 1, с амплитудами, равными коэфФициентам, записанным в -ых ячейках блока 14 памяти. Формируемыев режиме разделения времени отрезкигармонических функций суммируютсянакапливающим сумматором 6.40Цикл формирования процесса заканчивается после выработки на выходеделителя 10 частоты импульса, по которому триггер 11 устанавливаетсяв единичное состояние, разрешающее 45на последнем шаге данного цикла прохождение через коммутатор 12 на вход блока 2 памяти информации с выхода датчика 13 случайных чисел и запрещающее прохождение через коммутатор 12 информации с выхода сумматора 3. При этом на последнем шаге цикла Формирования процесса вычисление отсчета процесса происходит аналогично как и на предыдущих шагах, однако в блок 2 памяти записываются 55 Формируемые датчиком 13 случайных чисел равномерно распределенные случайные числа, чем обеспечивается задание равномерно распределенных случайных Фаз гармоник отрезка ре ализации, формируемого на следующем цикле. Сигналом переполнения счетчика 1, вырабатываемым в конце шага ,вычисления, триггер 11 устанавливае- ся в нулевое состояние, в котором 65 находится до поступления следующего импульса с выхода. делителя 10 частоты.Таким образом, формируемый предлагаемым устройством случайный процесс, представляет собой последовательность отрезков реализаций, состоящих из суммы гармонических функций с независимыми случайными фазами, при этом отрезки реализации имеют отличающуюся случайную форму. Процесс, формируемый известным уст" ройством, состоит из отрезков поли- гармонической Функции с групповой случайной фазой гармоник, поэтому от резки реализаций имеют повторяющиеся фрагменты Формы. Функции спектральной плотности мощности как в известном, так и в предлагаемом устройствах определяются соотношени- ем количество гармоническихФункций;амплитуды гармоническихфункций.,количество отсчета процесса формируемых на одномцикле,длительность интерваладискретизации;частота первой гармонической функции.стоит из И отсчетов. При этом необходимо по сравнению с предлагаемым устройством выполнить дополнительно большой объем вычислений, включающий вычисления синусов, произведений и суммирование, тем больший, чем больше требуется точность воспроизведения требуемых функций СПМ.В функции СПМ процесса, формируемого известным устройством, отсутствует компонентная Функция с нулевой центральной частотой (А = О), самая низкочастотная. компонента имеет центр в точке Ы, . Это обуславливает фпровал", в области нулевой частоты и большую погрешность воспроиз-. ведения в области частот от 0 до М, Функций СПМ не равных нУлю в области частот, близких к нулевой. В каждом отрезке реализации процесса, генерируемого предлагаемым устройством, присутствует постоянное смещение, Формируемое .на нулевых тактах шагов вычисления. Амплитуда смешения равна произведению коэффициента А считываемого иэ нулевой ячейки блока 14 памяти, на значение одного отсчета синуса, считываемого из блока 4.памяти и по адресу, считываемому из нулевой ячейки блока 2 памятиСодержимое нулевой ячейки блока 2 памяти изменяется только при записи в блоке 2 памяти на последних шагах циклов вычислений случайных кодов Фаз, поэтому амплитуда постоянного смещения слуЧайно изменяется от цикла к. циклу. Наличие в отрезках реализации постоянного смещения со случайной амплитудой обуславливает наличие в функции СПМ формируемого процесса компонентной Функции с нулевой центральнойчастотой, что и позволяет управление мощностью вблизи нулевой частоты.Рассмотрим случай, когда счетчик 1 устанавливается в начальное нулевое состояние. Если Формируется слу: чайный процесс, функция СПМ которой равна нулю в области низких частот и а первых коэффициентов Аравны нулю, целесообразно считать задание начального состояния счетчика не нулевым, а ж, при этом исключается на каждом шаге вычислений в первых тактов и, следовательно, увеличивается потенциальное быстродействие. НЕ принципиальным является и направление счета счетчика 1, т,е. можно применить реверсивный счетчик, состояния которого изменяются от максимального к минимальному. ПРедлагаемое устройство можно использовать также и для формирования регулярных процессов с произволь ной формой сигнала на периоде. При этом возможно применение двух способов формирования. Первый - с разложением формы сигнала в ряде Фурье,при котором устройство Формирует полигармонический процесс с произвольными требуемыми соотношениями амплитуд и Фаз гармоник, Амплитуды гармо-5 ник заносятся в блок 14 памяти, пе. Ред началом работы устройства вблок 2 памяти заносятся начальныефазы гармоник, для обеспечения формирования регулярного процесса необ ходимо запретить установку в одиночное состояние триггера 11, т.к. запретить занесение в блок 2 памятислучайных кодов. Если задать постоянным состояние счетчика 1 устрой ство формирует моногармонический процесс, причем состояние счетчика определяет количество отсчетов заданияпериода гармоники. Второй способформирования регулярного процесса -с прямым заданием формы, В блок 2памяти записывается последователь-.ность кодов задания Формы .сигналана периоде, устройство включаетсяв режим, аналогичный формированию 25 моногармонического процесса.Из серийно выпускаемых специализированных устройств Формированияслучайных процессов предлагаемоеустройство можно сравнить с генератором случайного процесса установки СУВУ-ИСВ, позволяющим формирование случайного процесса с управляемой функцией СПМ в диапазоне частот 5-2000 кГц. Предлагаемое устрой"ство позволяет Формирование процес- .сов в значительно более широком диапазоне (0-1 ИГц) (в зависимостиот используемой элементной базы) икроме того позволяет формированиене только случайных, но и периоди ческих процессов. Предлагаемое устройство отличается от генератора установки СУВУ-ИСВ приблизительнов 10 раз меньшими габаритами и ве;сом, обеспечивая при этом точность 45 воспроизведения заданной СПМ в5-10 раэ выае..В качестве базового образца длясравнения можно взять ЭВИ СИ(вариант 50740), в состав которойвходит устройство связИ с объектом.Используя алгоритм Функциониюванияпредлагаемого устройства, с помощьвданной. ЭВМ можно Формировать псевдослучайный процесс со структурой,:аналогичной структуре процесса, Формируемого предлагаемым устройством.Причем в данном случае Оба вариантаобеспечивают потенциально одинаковую точность формирования процессов.60 Однако Формируемый с помощьв ЭВИпроцесс является псевдослучайными имеет период повторения, при решении задач исследования сложныхсистем применения псевдослучайных 65 процессов в ряде случаев недопустимо.1068936 Анализ времени выполнения операцийЭВИ СМпоказывает что быстродействие ЭВИ при формировании псевдослучайных процессов порядка начетыре меньше быстродействия предложенного устройства, выполненногона интегральных схемах ТТЛ серий оставитель А, Карасовехред Л.Микеш Корректор И. впуск Рогул едак 703ного комитета ССний и открытийРаушская наб.,НодписноР д. 4 Ужгород, ул. Проект Филиал ППП фП тю каз 11473/45 Тираж ВНИИПИ Государстве по делам изобрет 113035, Москва, ЖСтоимость базового образца составляет 50 тыс.руб, а ориентировочнаястоимость предлагаемого устройства "4 тыс,руб. Причем предлагаемое устройство отличается от ЭВМ СМ приблизительно в 15 раз меньшимигабаритами и весом, и меньшими эксплуатационными затратами.