Генератор случайного процесса

Союз СоветскнхСоцнапнстнческнхРеспублнк ОП ИКАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ цц 734768(23) Приоритет до делам изобретений и открытий(71) Заявитель Минский радиотехнический институт(54) ГЕНЕРАТОР СЛУЧАЙНОГО ПРОЦЕССА Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано при построении имитационно-моделирующей аппаратуры для решения задачи исследования и оптимизации структурно сложных5 систем. Известны генераторы, использующие один формирующий фильтр, которые содержатгенератор исходного случайного прото цесса, спектральные свойства которого известны и нормированы. Управление спектральной плотностью мощности случайного процесса на выходе таких генераторов выполняется изменением частотной харак 15 теристнки формирующего фильтра, Такое управление с математической точки зре-. ния является достаточно простым, так. как спектральная плотность мощности случайного процесса на выходе генератора определяется произведением спектральной плотности мощности исходного случайного процесса и квадрата модуля частотной характеристики формирующего фильтра 11. 2Однако проектирование и изготовление формирующих фильтров с перестраиваемой в широких пределах частотной характеристикой технически сложно. формирующие фильтры, проектируемые на основе анало говых средств (емкостей и индуктивностей), нетехнологичны и, как правило, их простые конфигурации допускают перестройку частотных свойств в широких пределах только механическим путем, Цифровой же фильтр требует выполнения операций умножения и суммирования и представляет собой вычислительное устройство, высокая точность и быстродействие которого требует существенных аппаратурных затрат. Кроме того, расчет параметров формирующего фильтра по известной частотной характеристике сложен, так как требует выполнения интегральных преобразований.Генераторы случайных процессов, использующие несколько формирующих фильпров, содержат дополнительно в своей структуре несколько генераторов исходных случайных процессов и блок суммирования,731763Управление спектральной плотностьюмощности случайного процесса нв выходетаких генераторов основано на том, чтоспектральные плотности суммируются присуммировании независимых случайных процессов. Если при этом спектральные плотности мощности указанных случайных процессов отличны друг от друга (напримерсдвигом по оси частот), а суммированиевыполняется с определенными детерминированными или вероятностными весами, тоих изменение приводит к изменению спектральной плотности мощности выходногослучайного процесса, Методика расчетапараметров настройки указанных генераторов оказывается проще чем для генераторов, содержащих один формирующийфильтр 21.Однако с точки зрения аппаратурныхзатрат, рассматриваемый вариант является более емким.Известны также генераторы, использу. ющие для формирования выходного случайного процесса множество импульсных потоков, Такие устройства содержат в своей структуре множество генераторов импульсов, элементы И, ИЛИ и некоторыедругие вспомогательные элементы, причем общим для их структуры являетсято, что выходы генераторов подключены к З 0входам элементов И, выходы которых подключены (непосредственно или через другие логические элементы) к входам элемента ИЛИ. Процесс на выходе генераторов представляет собой последовательность 35импульсных сигналов определенной формы,следующих через случайные интервалы времени, причем, регулируемой статическойхарактеристикой выходного случайногопроцесса является закон распределения 40случайных временных интервалов 31.Известно, что вариация закона распределения случайных временных интерваловмежду импульсами приводит к изменениюспектральных свойств процесса на выходе 45генераторе. Названный класс генераторовслучайных процессов отличает простотатехнической реализации, так как в своейструктуре они содержат достаточно простые и в небольшом количестве логическиеэлементы, а также простота расчета параметров настройки для формирования процесса с заданной функцией распределенияслучайных временных интервалов, формакоторой не имеет принципиальных ограни 55чений,Однако выполнить обратный расчет,т,е. вычислить требуемую функцию распре 8деления случайных временных интерваловпо заданной спектральной плотности мощности, оказывается затруднительно какиз-зв сложности математических преобразований, твк и из-за ограниченного класса воспроизводимых спектральных плотностей мощности,Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является генератор случайного процессе, содержащий элемент ИЛИ, входы которогосоединены с выходами группы элементовИ, первые входы которых соединены с выходами циклического регистра сдвига, входкоторого соединен с выходом генератораимпульсов 41.Недостаток этого генератора - ограниченный класс воспроизводимых функцийспектральной плотности мощности.Цель изобретения - расширение функциональных возможностей генератора звсчет формирования случайных процессовс произвольной спектральной плотностьюмощности формируемого процесса,Для достижения поставленной цели генератор содержит группу генераторов импульсов, датчик случайных чисел, группутриггеров, регистр памяти, сумматор, блокпамяти, первый счетчик, второй счетчик,причем первые входы триггеров соединеныс выходами группы генераторов. импульсовсоответственно, вторые входы триггеровсоединены с выходами датчика случайныхчисел, в выходы триггеров соединены совторыми входам группы элементов И,входдатчика случайных чисел соединен с выходом второго счетчика, вход которогосоединен с первым входом первого счетчика, первым входом сумматора, первымвходом регистра памяти и подключен кИ -му выходу циклического регистра сдвига, второй вход первого счетчика соединен со входом циклического регистра сдвига, а выход первого счетчика соединен совходом блока памяти, второй и третийвходы сумматора соединены соответственно с выходом элемента ИЛИ и выходомблока памяти, выход сумматора соединенсо вторым входом регистра памяти, выходкоторого является выходом генератора,Использование новых блоков и связейпозволяет получать процесс нв выходе генератора в виде последовательности случайных чисел с заданными спектральнымисвойствами. В отличие от известного форма функции спектральной плотности мощности не зависит от частот генератора импульсов и определяется исключительно на734768 бором кодов, хранящихся в запоминающемустройстве и может быть произвольной.Указанное свойство устройство приобрелоблагодаря введению в его структуру триггеров, сумматора, запоминаюшегоустройства,регистра и первого счетчика, а простотаметодики расчета параметров настройкиопределяется введением в структуру генератора датчика случайных чисел и второго счетчика. 1 ОНа чертеже приведена структурная схема устройства,Устройство содержит датчик 1 случайных чисел, группу из К генераторов 2(2-1, , 2-М) импульсов, группу из йтриггеров 3 (3-1, , З-й), группу изЦ элементов И 4 (4-1, , 4- И), элемент ИЛИ 5, регистр 6 памяти, сумматор7, блок 8 памяти, первый счетчик 9, циклический регистр 10 сдвига, генератор2 О11 импульсов, второй счетчик 12, Выходы 1, , Й датчика 1 случайных чиселсоединены со вторыми входами триггеров3-1, ., 3- М соответственно, а первые25входы триггеров соединены с выходамигенераторов 2-1, , 2-М соответственно. Первые входы элементов И 4-1, ,4 Я соединены с выходами 1, , Мциклического регистра 10 сдвига, вторыезовходы - с выходами триггеров 3-1,З-й соответственно, а выходы - со. входами 1, .И элемента ИЛИ 5 соотве 1 ственно. Выход элемента ИЛИ 5 соединенсо вторым входом сумматора 7, первый35вход которого соединен с первым входомрегистра 6 памяти, первым входом первого счетчика 9, входом второго счетчика 12 и подключен к выходу циклическо-.го регистра сдвига. Выход второго счет Очика 12 соединен со входом датчика 1случайных чисел, выход генератора 11импульсов соединен со входом циклического регистра 10 сдвига и вторым входомпервого счетчика 9, Вход и выход блока 458 памяти соединен с выходом первогосчетчика 9 и третьим входом сумматора7 соответственно.Выход сумматора 7 соединен со вторым входом регистра 6 памяти, выходкоторого является выходом генератораслучайного процесса,Устройство работает следующим образом.Датчик 1 случайных чисел на выходах1, , М формирует равномерно распределенное случайное число по сигналу, поступающему на его вход Генераторы импульсов 2-1, , 2-И непрерывно формируют бимпульсные последовательности с частотами 2 Щ 4, 2 ю ч соответственно.Триггеры 3-1, , 3-И выполняют счет импульсных сигналов, поступающих на их первые входы, при этом на выходах триггеров присутствуют сигналы меандровой формы с частотами с)4 ., Оз , Вторые входы триггеров являются установочными, появление сигналов на которых вызывает их переключение в соответствующее состояние. Элементы И 4-1, , 4- М выполняют логическую операцию И над сигналами, поступающими на их входы. Элемент ИЛИ 5 выполняет логическую операцию ИЛИ над сигналами, поступающими на его входы. Регистр 6 памяти выполняет операцию приема и хранения кода, поступающего на его второй вход при появлении сигнала на его,первом входе. Сумматор 7 выполняет суммирование и вычитание кодов, Операция суммирования или вычитания выполняется над содержимым сумматора (кодом хранимым в сумматоре) и кодом, поступающим на его третий вход.Управление видом выполняемой операции осуществляется сигналомпоступающим на его второй вход, причем при наличии сигнала выполняется суммирование, а при отсутствии - вычитание, Первый вход сумматора предназначен для установки его содержимого в исходное (нулевое) состояние по соответствующему сигналу.Блок 8 памяти предназначен для хранения и выдачи на его выход предварительно записанных в него двоичных кодов при подаче сигналов, соответствующих ко.- ду адреса на его вход. Первый счетчик 9 выполняет счет сигналов, поступающих на его второй вход, На его выходе при этом присутствуют двоичные коды числа импульсов, поступивших на его вход. Первый вход счетчика предназначен для установки его в исходное (нулевое) состояние,Циклический регистр 10 сдвига по сигналу, поступающему на его вход, выполняет сдвиг хранимого в нем двоичного кода, все разряды в котором нулевые за искпочением одного. На выходах 1, , М циклического регистра 10 сдвига присутствуют сигналы, соответствующие хранимому в нем двоичному коду, Генератор 11 импульсов непрерывно формирует импульсную последовательность с частотой 2 Й ЮВторой счетчик 12 выполняет счет сигналов, поступающих на его вход, На выходе счетчика 12 появляется каждый М-ный входной сигнал, где М - коэффициент пересчета.734768Та к им образом, и редлагае мое устройство позволяет формировать случайныйпроцесс с произвольной (заданной) спектральной плстносьес моецностн, причем ме 5 тодика расчета параметров настройки генератора является достаточно простой и сводится квьеполнениюарифметическихопераций.формула изобретенияГенератор случайного процесса, содержащий элемент ИЛИ, входы которого соединены с выходами группы элементов И,первые входы которых соединены с выходами циклического регистра сдвига, входкоторого соедещен с выходом генератораимпульсов, отлича ющи йся тем,что, с целью расширения функциональньехвозможностей генератора за счет формирсванеи случайных процессов с произвольной спектральной плотностью мощности,он содержит группу генераторов импульсов, датчик случайных чисел, группу триггеров, регистр памятп, сумматор, блокпамяти, первый и второй счетчики, причемпервыМ входы триггеров соединены с выходами группы генераторов импульсов, соответственно, вторые входы триггеровсоединены с выходами датчика случайныхчисел, а выходы триггеров соединены совторыми входами группы элементов И,вход датчика случайных чисел соединен свыходом второго счетчика, вход которогосоединен с первым входом первого счетчика, первым входом сумматора, первымвходом регистра памяти и подключен к35И -му выходу циклического регистра сдвига, второй вход первого счетчика соединенсо входом циклического регистра сдвига,а выход первого счетчика соединен совходом блока памяти, второй и третийвходы сумматора соединены соответственно с выходом элемента ИЛИ и выходомблока памяти, выход сумматора соедецеенсо вторым входом регистра памяти, выход которого является выходом генератора,Если случайные события на выходах дат ,чика случайных чисел статистически независимы между собой, частоты генераторов кратны Озо ( ж 1: 1 о.о) и длительчость цикла равна 2 йЖр),что достигается заданием частоты генератора 11 импульсов равной 2 М Шр,то спектральная плотность мошности случайного процесса на выходе о ЗгийЬМ -где 15методика расчета коэффициентов А 11 оказывается наиболее простой, если потребовать совпадение функции 5 Ж) и заданной 6 ИЗ) в точках ГО), В этом слу чае приведенное соотношение принимает видЬХ 2.(гщ ): А Р1-1 о П.(2)25 где Р1 - функция равная Ск, если- целое число, и равнаяРнулю в противном случае.Отыскание А 11 в соответствии с данным соотношением выполняется достаточЗО но просто методом подстановки, начиная с А 1. ДействрЕтельно при г =1О и известном А,1 вычисляется А 2 и так далее,Рассмотрим вероятность формирования случайного процесса с произвольной спектральной плотностью мощности с помощью предлагаемого генератора, Так как соотношение ( 1) дает однозначную методику вычисления величин А 11, то можно утверждать что для любого набора 6(Г О)с) могут быть найдены требуемые параметры настройки генератора, С физической точки зрения результирующая спектральная плотность мощности случайного процесса представляет собой композицию диутых по 55 оси частот Функций вида 51 И Х /М 3 с22весами А 1, что позволяет их вариацией получать любые формы спектральных функций. генератора определяется соотношением 1 П -- 3 К Е,й ЬЬД Х 1 с Ьо 1 ее 1: " " Хс,.е е е 4 О К= -оо,и может быть вычислено А 1, при е - .2 Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Бсбнев М, П, Генерирование случайных сетналсв и измерение их параметров.М., "Энергияф, 1966.2. Авторское свидетельство СССР391577, клб 06 Р 1102, 1972,3. Лвторское свидетельство СССР308431, кл. Б 06 Р 1102, 1970.4. Лвторское свидетельство СССР312263, кл. б 06 Р 1102, 1970734768 Составитель А,. Карасовыль Техред М, Петко Корректор Е, Папп Ред тор А. к д. 4 5 филиал ППП фПатент, г. Ужгород,ектная, 4 2229/15 Тираж 641 Подписное ЦНИИПИ Государственного комитета ССС по делам изобретений и открытий 113035, Москва,Ж, Раушская нвб.,