Генератор случайного процесса

ОЮЗ СОВЕТСКИХМИАЛИСТИЧЕСНИХСПУБЛИК 8 МЮ С 0 САНИЕ О ОМУ С Т ЕЛЬСТВ РСК й ство ССС1971.во СССР1978,во СССР1978 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЭОБРЕТЕКИЙ И ОТНРЫТИ 4(54)(57) ГЕНЕРАТОР СЛУЧАЙНОГО ПРОЦЕССАсодержащий первый блок памяти, датчик случайных чисел, генератор импульсов, выход которого соединен со входом первого делителячастоты, выход которого соединен сосчетным входом первого счетчика,о т л и ч а ю щ и й с я тем,что, с целью расширения функциональных возможностей генератора засчет обеспечения возможности управлений вероятностными характеристикамиФормируемых процессов, он содержитвторой блок памяти, два сумматора,второй счетчик, второй делитель частоты, два триггера, элемент.Й ирегистр памяти, выход которого является выходом генератора, выходпервого счетчика соединен с первымвходом первого сумматора, второйвход которбго подключен к выходу второго,блока памяти, а выход первого сумматора соединей с информационным входом первого блока памяти, выход которого соединен с инФормационным входом второго сумматора, выход которого соединен с информационным входом регистра памяти, синхронизирующий вход которого объединен со входом ".Сброс" второго сумматора, со входом второго делителя частоты и с нулевым входом первого триггера и подключен к выходу первого делителя частоты, выход генератора импульсов соединен со счетным входом второго счетчика, с первым входом элемента И, со входом датчика случайных щчисел и с первым управляющим входом второго сумматора, второй управляющий вход которого объединен с входом сброса второго счетчика и под- . С ключен к выходу первого триггера единичный вход которого объединен с нулевым входом второго триггера и подключен к выходу переполнения второго счетчика, информационный выход . которого соединен с адресным входом (" второго блока памяти, информационный вход которого подключен к выходу Сф датчика случайных чисел, выход второго делителя частоты соединен с единичным входом второго триггера, выход которого соединен со вторым фЬ входом элемента Н, выход которого соединен с управляющим входом второго блока памяти.Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано при построении имитационно-моделирующей аппаратуры для решения задач исследования и оптимизации структурно-сложных систем, при создании автоматизированных систем испытания на вибрационные, аккустические и другие воздействия.Известно устройство, содержащее блок генераторов первичного нормаль ногошума, блок формирующих Фильтров, сумматор и нелинейный безинерционный преобразователь, позволяющее формирование случайных процессов с произвольной заданной селект. .ральной плотностью мощности в фиксированном диапазоне частот ( 1).Недостатками. этого устройства являются сложность технической реализации за счет множества генераторов первичного нормального шума и формирующих Фильтров, ограниченность частотного диапазона и низкая точность воспроизведения заданной функции спектральной плотности мощности.Известно также устройство, содержащее генератор случайных чисел, группу генераторов импульсов, группу счетных триггеров и группу элементов И, многовходовую схему ИЛИ, регистр памяти, сумматор, блок памяти, два счетчика и циклический регистр . сдвига 2.Недостатками .этого устройства являются низкое быстродействие, так как один отсчет выходного процесса З 5 Формируется путем последовательного суммирования совокупности коэфФициентов, тем большей, чем больше требуется точность, сложность технической реализации при необходимос ти обеспечения высокой точности, так как при этом устройство содержит .большое количество генераторов импульсов триггеров и элементов И, или низкая точность, при малых аппаратурных затратах.Наиболее близким к изобретению по технической сущности является генератор случайного процесса, содержащий генератор импульсов, делитель частоты, датчик случайных чисел, счетчик и блок па- мяти, Указанные блоки соединены последовательно, второй вход счетчика соединен с выходом генератора импульсов, выход блока памяти являеся выходом устройства. Работу у;,тройства можно представить как последовательность циклов, на каж" дом из которых путем последователь-. ного циклического чтения информации 60 из блока памяти начиная со случайного в начале цикла адреса, формируется отрезок реализации процесса. Формируемый устройством процесс представляет собой последовательность 65"склеянных" отрезкой одной периодической функции со случайными началь ными Фазами. В блок памяти записы-. вается.период полигармонической Фун ции с определенными соотношениями амплитуд входящих в нее гармонических Функций, с частотами, кратными частоте первой ( самой низкочастотной ) гармонической Функции. При этом Функция спектральной плотности мощности формируемого процесса аппроксимируется композицией компонентных Функций (ь 1 п х /х ) с равной шириной основных лепестков, сдвинутых по частоте с равномерным шагом, с весами, пропорциональными амплитудам, соответствующим им гармоник записанной в память полигармоничеакой Функции ( 33.Недостатком известного устройства является отсутствие возможности простого управления вероятностными характеристиками. Формируемого процесса, например изменение дисперсии процесса без изменения области его существования. Кроме того, устройство не позволяет Формирование узкополосных процессов с нормал ным распределением мгновенных значений амплитуд. Недостатком устройства также является то, что процесс представляет собои отрезки одной периодической функции, поэтому еслииспольэовать известное устройствов качестве источника помех, при испытании некоторой системы, испытываемая система может адаптироваться к данному воздействию. Указанные недостатки и ограниченность Функциональных возможностей сужают область использования устройства.Целью изобретения является расширение функциональных возможностей устройства за счет обеспечения воз. можности управления вероятностнымихарактеристиками Формируемых процессов. Поставленная цель достигается тем, что в генератор случайного процесса, содержащий первый блок памяти, датчик случайных чисел, генератор импульсов, выход которого соединен со входом первого делителя частоты, выход которого соединен со счетным входом первого счетчика, введены второй блок памяти, два сумматора, второй счетчик, второй делитель частоты, два триггера, элемент И и регистр памяти, выход которого является выходом генератора, выход первого счетчика соединен с первым входом первого сумматора, второй вход которого подключен к выходу второго блока памяти, . а выход первого сумматора соединен с информационным входом первого блока памяти, выход которого соединенс информационным входом второгосумматора, выход которого соединенс информационным входом регистрапамяти, синхронизирующий вход которого объединен со входом "сброс"второго сумматора, со входом второго делителя частоты и с нулевымвходом первого триггера и подключен к выходу первого делителя частоты, выход генератора импульсов соединен со счетным входом вто;рого счетчика, с первым входом элемента И, со входом датчика слу"чайных чисел и с первым управлявцим входом первого сумматора, второй управляющий вход которого объединен с входом сброса второго счетчика и подключен к выходу первоготриггера, единичный вход которогообъединен с нулевым входом второготриггера и подключен к выходу пере- ;Яполнения второго счетчика, информационный выход которого соединен с адресным входом второго блока памяти,информационный вход кОторого подключен к выходу датчика случайных 25чисел, выход второго делителя частоты соединен с единичным входомвторого триггера, выход которогосоединен со вторым входом элемента И,выход которого соединен с управляющим входом второго блока памяти.На фиг, 1 приведена блок-схемагенератора, на фиг. 2 - виды законовраспределения, воспроизводимые генераторомУстройство содержит генератор 1импульсов, первый делитель 2 частоты,первый счетчик 3, первый сумматор 4,первый блок 5 памяти, второй сумматор б, регистр 7 памяти, триггер 8второй счетчик 9, нторой блок 10 40памяти, датчик 11 случайных чисел11, второй делитель 12 частоты иблок 13 управления содержаций триггер 14 и элемент И 15,Генератор 1 может быть выполнен 45по любой известной схеме, напримерна микросхеме 155 АГ 1 по типовойсхеме включения, однако для обеспечения высокой стабильности процесса, Формируемого устройством, 5 Ожелательно применить генератор набазе кварцевого резонатора,Делители 2 и 12 частоты содержатвходы исходной последовательностии выходы поделенных последовательностей импульсов.Одним из наиболее простых является вариант реализации делителейна интегральных счетчиках 155 ИЕ 9.Для обеспечения требуемого диапазона задания коэффициента пересчетапоследовательно соединяются несколько счетчикон, выход переноса последцего из них через инвертор соединяется со входом управления "за пись/счет" всех счетчиков. 11 ри этом .счетный. вход первого счетчика является входом делителя, выход переноса или старшего разряда последнего счетчика является ныходом делителя. Коэффициент пересчета задается кодом, поступающим на входызадания начального состояния счетчиока.Счетчик 3 содержит счетный вход ивыход кода состояния, может быть выполнен на микросхеме счетчиков155 ИЕ 5, 155 ИЕ 7 и другие. В качествесумматора 4 может использоватьсялюбой известный комбинационный сумматор ( например, 155 ИМЗ, 155 ИПЗ , содержащий нходы переменных и выходсуммы.Блок 5 памяти содержит вход адресов и выход информации. Блок 10 памяти содержит также вход 2 информации и вход 3 управления записью.Блоки памяти могут быть выполненына интегральных элементах оперативной памяти 155 РУ 2, 155 РУ 5 и др.Сумматор б накапливающего типа.Можно использовать множество известных вариантов накаплинаюцего сумматора, Распространенным вариантом,который может использоваться н устройстве, является накайливаюций сумматор, содержащий комбинационныйсумматор и регистр, а также двухвходовой элемент И,Первый вход переменной комбинационного сумматора является первымвходом накапливающего сумматора б,выход кода состояния регистра является выходом накапливающего сумматора б и соединен со входом второйпеременной комбинационного сумматора, выход суммы которого соединенсо входом параллельного приема ющформации регистра,. Вход обнулениярегистра является при этом входои 2обнуления накапливающего сумматораб, входы элемента И являются входами 3 и 4 синхронизации суммирования и разрешения суммирования сумматора б, выход элемента И соединен со входом синхронизации параллельного приема инФормации регистра. Накапливаюций сумматор может быть выполнен на интегральныхсхемах 155 ИМЗ или 155 ИПЗ, регистрна элементах 155 ТМ 8 или 155 ТМ 2,элемент И - 155 ЛАЗ,Регистр 7 может быть выполнен на интегральных схемах 155 ТМВили 155 ИР 1, содержит вход параллельной записи информации 1, вход синхронизации записи 2 и выход кода состояния. Триггера 8 и 14 типа 155 ТМ 2 содержат входы установки нулевого 1 и единичного 2 состояния и выходы состояния. Элемент И 15 - типа 155 ЛАЗ.Счетчик 9 с управляемым коэффициентом перссчета содержит вход 1синхронизации счета, вход 2 установки начального состояния (илизапрещения счета, выход 1 кодасостояния и выход 2 сигнала переполнения. Счетчик 9 может бытьвыполнен на интегральных счетчиках155 ИЕ 7, которые содержат все указанные входы и выходы, а такжевходы задания начального состояния, которые являются в данном случае входом задания коэффициентапересчета,Блок 13 управления предназначендля выработки сигналов управлениязаписью информации в блок 10 памяти. Его реализация, структура за,висит от применяемых для построения блока 10 памяти элементов, однако наличие триггера 14 являетсяпринципиальным для работы устройства, независимо от реализации блока 10 памяти, Применение-предложенной структуры блока 13 управления возможно при использовании дляпостроения блока 10 памяти элементов 155 РУ 2,155 РП 1 и др с аналогичной организацией записи. В случае использования элементов с болеесложной диаграммой записи, например188 РУ 2, необходимо применение болеесложного блока управления.Датчик 11 случайных чисел предназначен для формирования равномерно-распределенных случайных чисел,Можно использовать любой известныйдатчик случайных чисел, обладающийдостаточным быстродействием,Работу устройства можно представить как последовательность повторяющихся циклов, на каждом из которых формируется отрезок реализации выходного процесса, представляющий собой сумму Отрезков одной периодической функции со случайными начальными фазами, одновременно изменяющимися в начале цикла. Каждый цикл состоит из Н шагов, на каждом из которых вычисляется один отсчет формируемого процесса путем последовательного суммирования затактов отсчетов Г отрезков периодической Функции. Отрезки периодической функции, образующие отрезок реализации формируемого процесса назовем . наслоениями, а периодическую функцию, из которой они получаются, назозем базовой функцией процесса, Последовательность отсчета задания одного периода базовой функции хранится в блоке 5 памяти. Вычисление суммы отсчетов наслоений, последовательно считываемых на каждом шаге из блока 5 памяти, осуществляется накапливающим сумматором б. Адреса считываемых отсчетов наслоений по 5О памяти считывается код, задающий фазу следующего наслоения, из блока 5 памяти считывается новый код, который по импульсУ генератора 1 прибавляется к содержимому накапливающего сумматора б. Состояние счетчика 9 последовательно уменьшается до нулевого, в сумматоре б накапливается значение выходного процесса как суммы значений базовой функции, являющихся отсчетами наслоений. Вырабатываемый на втором выходе счетчика 9 сигнал переполнения при переходе счетчика че рез нулевое состояние устанавливает триггер 8 в единичное состояние, запрещающее суммирование и изменение состояния сумматора б, счетчик 9 устанавливается в исход ное начальное состояние. 15 20 25 30 35 40 лучаются путем прибавления сумматором 4 к коду номера вычисляемого отсчета выходного процесса, поступающего с выхода счетчика 3, кодов начальных Фаз наслоений, считываемыхиз, блока 10, по адресам, последовательно формируемым на каждом шагесчетчиком 9, причем коэффициентпересчета счетчика 9 определяет количество наслоений. К концу очередного шага вычисления с выхода сумматора б на информационный вход регистра 7 поступает вычисленный код выходного процесса. Триггер 8 находится в единичном состоянии, при этом сигнал с его выхода счетчик 9 устанавливается в исходное состояние и запрещается работа (изменение состояния ) сумматора б, Следующий шаг вычислений начинается после выработки на выходе делителя 2 частоты импульса, по которому код выходного процесса с выхода сумматора б записывается в регистр 7, сумматор б обнуляется, состояние счетчика 3 увеличивается на единицу, триггер 8 устанавливается в нулевсе,состояние, чем разрешается работа счетчика 9 и накапливающего суммайора б. По адресу, определяемомуначальным состоянием счетчика 9, изблока 10 памяти считывается код,задающий случайную фазу первогонаслоения, который суммируетсяс кодом состояния счетчика 3. По вычисленному на выходе сумматора 4адресу из блока 5 памяти считывается код отсчета базовой функции,поступающий на вход накапливающегосумматора б. По вырабатываемомуна выходе генератора 1 очередномутактовому импульсу считываемыйиз блока 5 памяти код прибавляетсяк содержимому накапливающего сумматора б (нулевому в начале шага вычислений ), состояние счетчика 9уменьшается на единицу, Из блока 10кций;М - количество отсчетов черезкоторые изменяются фазы наслоений;у - длительность интервала дискретизации формируемого процесса;дд - количество гармоническихфункций, входящих в базовуюфункцию;Ю - частота первой гармонической функции,- количество наслоений,функция спектральной плотностимощности задается как и в прототипекомбинацией компонентных функций(ь 1 п.х/х 2) причем изменение количества наслоений не влияет на ее форму.Изменение количества наслоений влияет на вид закона распределения,причем особенно существенно приформировании узкополосных процессов,когда функция спектральной плотностимощности задается одной или несколькими компонентными Функциями. В общем случае закон распределения амплитуд формируемого процесса определяется 1 -кратной сверткой законараспределения базовой функции.Так как формируемый процесс представляет собой сумму статическинезависимых функций, происходит нормализация его закона распределе-"ния. Причем распределение тем ближе к нормальному, чем больше количество наслоений.На фиг. 2 показаны законы рас-пределения амплитуд узкополосного процесса, Формируемого устройством, при задании функции спектральной плотности мощности однойкомпонентной Функцией для количества наслоений 1,2,4,10. Эаконы распределений приведены для нормированных по амплитуде процессов. Случай Г =1 соответствует и известному устройству. С увеличением колиделения все более "вытягнваютсяфпри =10 распределение амплитудФормируемого процесса практическиможно считать нормальным. При задании функции спектральной плотности мощности двумя компонентнымифункциями закон распределения Последовательность описанных ша- кратннми частоте первой (самой низ гов повторяется, на каждом шаге кочастотной), функция спектральной состояния счетчика 3 увеличивается плотности мощности формируемого прона единицу.,При этом на 1 -ых тактах цесса имеет вид последовательно выполняемых шагов иди считываются последовательно отсчеты 5 м2 МфЩ)ф 2Г(Щ)-Г Е базовой функции, по последовательно яхт циклически изменяющимся адресам,. м+кщ) равным сумме состояний счетчика 3где Д - амплитуды гармонических Фуни считываемого на 1 -том такте кода из блока 10 памяти. Т.е. на последо вательно выполняемых шагах одного цикла последовательно считываются и суммируются Г наслоеВий, являющиеся отрезками базовой функции, период которой записан в блоке 5 15 памяти, с соотношениями фаз, опре.- деляемыми кодами, считываемыми иэ блока 10 памяти,Смена фаз наслоенийпроисходит при установке триггера 14 в единичное состояние по импульсу с выхода делителя 12 частоты, вырабатываемого по импульсу делителя 2 частоты в начале некоторого шага вычисления. При этом в течение данного шага разрешается прохождение импульсов через элемент И 15, по которым в блоке 10 памяти по последовательно формируемым счетчикам у адресам записываются новые значения фаз, формируемые датчиком 11 равномерно-распределенных случайных чисел чем и обеспечивается задание равномерно распределенных на периоде базовой функции начальных фаэ .наслоений, Синхронизация схемы случайных чисел на выходе датчика 11 случайных чисел происходит по импульсам с выхода генератора 1 импульсов; После смены в блоке 10 памяти фаз наслоений начинается новый 40 цикл формирования процесса.Таким образом, на выходе устройства формируется процесс, состоящий из фсклеянных" отрезков реализациИ, представляющих собой суюсу отРез ков базовой функции со случайными начальными фазами. Причем количество отсчетов отрезков реализаций(М количество шагов одного цикла ) определяется коэффициентом пересчета 50 делителя 12 частоты, количество суммируемых отрезцов базовой функции наслоений)(,Г)определяется задаваемым кодом начального состояния (коэффициентом пересчета) счетчика 9, длительность интервала дискретиза-чества наслоений законы распреции Формируемого процесса равна произведению длительности периода следования импульсов генератора 1 на ксэффициент пересчета делителя 2 час-,. тотые 0Если в блоке 5 памяти записан период базовой функции, представляю- можно считать практически широкопощей собой полигармоническую Функцию лосного процесса, когда количество с частотами гармонических функций 65 компонентных функций больше 20 ивсе гармонические функции, образующие заданную функцию процесса,имеют нулевые фазы, форма законараспределения процесса, формируемого известным или предложеннымустройством при " =1, близМЪ. кформе нормального распределения,однако в отличие от нормальногоимеет подъем на краях и дополнительно ряд перегибов. В данном случае достаточно задание двух наслоений, чтобы обеспечить с высокойточностью соответствие распределения амплитуд нормальному.При увеличении в формируемомпроцессе количества наслоений в сСраз, враз увеличивается областьсуществования амплитуд формируемого процесса и дисперсия. Еслис изменением количества наслоенийосуществлять нормализацию процесса по амплитуде, управление количеством наслоений обеспечиваетвозможность изменения дисперсиипроцесса без уменьшения областиего существования, Нормализацияпроцесса осуществляется умножением на величину 1/Азначений амплитуд процесса. Если при измененииколичества наслоений осуществлятьнормализацию процесса по дисперсии,для чего необходимо умножение значений амплитуд на величину1/суправление количество наслоенийпозволяет управление границамиобласти существования процесса, безизменения дисперсии,В структуре предложенного устройства отсутствует блок нормализации,так как его наличие не являетсяпринципиальным, реализация данногоблока зависит от применения устройства, Если устройство используетсяв качестве приставки к ЭВМ, обеспечивающей формирование последовательностей кодов случайных процессов при статистическом моделировании, блок нормализации может отсутствовать нормализация процессав этом случае осуществляется ЭВМ.При использовании генератора случайных процессов в составе устройства,формирующего электрический процесс,нормализация может осуществлятьсярегулировкой коэффициента усилениявыходного каскада, причем заданиекоэффициента усиления может производиться как вручную, так и программно, Для выполнения нормализацииили масштабироваиия выходного процесса в обоих, случаях можно применить на выходе устройства цифровойумножитель, например один из умно 5 30 15 20 25 30 35 40 50 60 жителей микропроцесоорного компонента К 1802 на 8, 12 или 16 разрядов в зависимости от требуемой точности. Нормализация и масштабирование амплитуды выходного процессаможет также осуществляться путеммасштабирования базовой функциипроцесса, при этом в устройстве нетребуется при любом применении использование отдельного блока нормализации ( масштабирования) .Временная структура процесса;формируемого предложенным устройством при количестве наслоений, равным либо больше двух, значительноотличается от структуры процесса,формируемого известным устройством,При формировании узкополосного процесса, задаваемого одной компонентной функцией, когда в базовую функцию входит одна гармоника, выходной процесс представляет собой последовательность "склеянных" отрезков гармонической функции нетолько со случайной фазой, но исо случайной амплитудой. В остальных случаях формирования процессов,когда в базовую функцию входят двеи более гармонических функций, форма процесса от отрезка реализациик отрезку случайно изменяются. Еслипроцесс, формируемый известным устройством, представляет собой последовательность отрезков однойфункции со случайными фазами, процесс,формируемый предложенным устройством, представляет собой последовательность случайно чередующихся отрезков различных функций,Таким образом, предложенное устройство позволяет формирование случайных процессов с управляемымиспектральными и вероятностными характеристиками, что позволяет расширить класс решаемых с помощьюпредложенного устройства задач и,следовательно, расширить областьего применения, При задании соответствующего количества компонентныхфункций устройство обеспечивает потенциально любую практически требуемую точность воспроизведения произвольной функции спектральной плотности мощности, причем увеличениеточности задания спектра не влечетуменьшения быстродействия, Если приформировании процесса количествонаслоений не велико, устройство отличается высоким быстродействием,так как для формирования отсчетапроцесса требуется небольшое количество операций чтения памяти исложения.Заказ 601 комиоткушска илиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 50 Тираж 706 НИИПИ Государственного по делам изобретений и 035, Москва, Ж, Ра Подписноетета СССРрытийнаб., д. 4/5