Генератор случайного процесса

А ае оо СОЮЗ СОВЕТСНИХсаииамапехРЕСПУБЛИК 15 Р С 06 Р 7/58 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ССО 3 фПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОЧНРЫТИЙ(46) 30.06.84 Бюл. В 24 (72) Г.П.Лопато, А.Г.Якубенко, С.Ф.Костюк и А.И,Кузьмич (71) Иинский радиотехнический институт(56) 1, Авторское свидетельство СССР Вф 391577, кл. С 06 Р 7/58, 1971,2. Авторское свидетельство СССР В 734768, кл, С 06 Р 7/58, 1978,3. Авторское свидетельство СССР, В 767745, кл. С 06 Р 7/58, 1978. (прототип)(54)(57) ГЕНЕРАТОР СЛУЧАЙНОГОПРОЦЕССА, содержащий генератор импульсов, выход которого соединен сосчетным входом первого делителячастоты и со входом "Опрос" датчикаслучайных чисел, первый и второйвыходы которого соединены с установочными входами соответственно первого делителя частоты и реверсивногосчетчика, информационный выход которого соединен с адресным входом блока памяти, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что, с целью повыщения точности, он содержит два 0 -триггера,дваэлемента И, элемент ИЛИ, два делителя частоты, два регистра памяти имодулятор полярности, информационныйВход которого подключен к выходублока памяти, выход первого регистра памяти соединен с управляющимивходами первого и второго делителейчастоты, выход генератора импульсовсоединен со счетным входом второгоцелителя частоты, выход которогб соединен со счетным входом третьегоделителя частоты, выход которогосоединен с синхронизирующим входомреверсивного счетчика, с синхронизирующим входом первого 0 -триггера,с первым входом синхронизации второго регистра прияти и с входом синхронизации записи первого делителя частоты, выход . которого соединен свторым синхронизирующим входом второго регистра памяти и с первьиии вхо-.дами первого и второго элементов И,выходы которых соединены соответст"венно с суммирующим и вычитающимвходами реверсивного счетчика,выход переполнения которого соединенс единичным входом первого 8 -триггера, 1) -вход которого подключенк третьему выходу датчика случайныхчисел, выходы первого и последнегоразрядов реверсивног счетчика соеди- РФиены соответственно с синхронизирующимвходом и П -входом второго П -триггера, единичный выход которого соединен с первым.,входом элемента ИЛИ,.остальные входы которого начинаясо второго и до последнего подключены к выходам всех разрядов реверсивного счетчика соответственно, выходэлемента ИЛИ соединен с нулевым входом первого Э -триггера, нулевойи единичный выходы которого соединены с вторыми входами соответственнопервого и второго элементов И, еди- фВничкый выход первого Р -триггера соединен с управляющим входом модулято.ра полярности, выход которого соединен с информационным входом второгорегистра памяти, выход которогоявляется выходом генератора.Изобретение относится к областивычислительной техники и может бытьиспользовано при построении вычислительно-моделирующей аппаратуры длярешения задач исследования и оптимизации структурно-сложных систем,при создании автоматизированньксистем испытания на вибрационные,акустические, электрические и другиевоздействия. 10Известно устройство, содержащееблок генераторов первичного нормального шума, блок формирующихфильтров, сумматор и нелинейныйбезынерционный преобразователь, поз 15воляющее формирование процессов спроизвольной заданной сйектральнойплотностью мощности в фиксированномдиапазоне частот 1.Недостатками устройства являются 20сложность технической реализацииза счет множества генераторов первичного нормального шума и формирующих филь.ров, ограниченностьчастотного диапазона низкая точность 25воспроизведения заданной функцииспектральной плотности мощности.Известно устройство, содержащеегенератор случайных чисел, группугенераторов импульсов, группусчетных триггеров и группу элементов И, многовходовую схему ИЛИ,регистр памяти, сумматор, блок памяти, два счетчика и циклический регистр сдвига 2 .Недостатками устройства являютсянизкое быстродействие, так как одинотсчет выходного процесса формируется путем последовательного суммиро.вания совокупности коэффициентов 4 Отем большей, чем больше требуетсяточность, сложность технической реализации при необходимости обеспечения высокой точности, так как приэтом устройство содержит большое количество генераторов импульсов, триггеров и элементов И,.или низкая точность при малых аппаратурных затратах. Наиболее близким к данному изоб плетению по технической сущности явля. ется генератор случайного процесса, содержащий генератор импульсов, делитель частоты, датчик случайных чи сеЛ, счетчик и блок памяти, соеди ненные последовательно, причем выход блока памяти является выходом устройства, второй вход счетчика соединен с вькодом генератора импульсов 3,Работу устройства мОжно представить как последовательность циклов,на кажцом из которых путем последовательного циклического чтения информации из блока памяти начинаясо случайного в начале цикла адресаформируется отрезок реализации про.цесса. В блок памяти записываетсяпериод полигармонической функции сопределенными соотношениями амплитуд гармоник, с частотами, кратнымичастоте первой (самой низкочастотной) гармонической функции, формируемый процесс представляет собойпоследовательность склеенных" отрезков одной полигармонической функции со случайными начальными фа -зами. При этом функции спектральнойплотности мощности формируемого процесса аппроксимируются композициейкомпонентных функций (зп х/х) сравной шириной основных лепестков,сдвинутых с равномерным шагом пооси частот, с весами, пропорциональными амплитудам соответствующихим гармоник записанной в памяти поли"гармонической функции.Недостатком данного устройстваявляется низкая точность воспроизведения произвольных заданньк функций СПИ, т.е. количество компонентных функций не превышает И/2 где- количество ячеек блока памяти,Цель изобретения - повышениеточности воспроизведения произвольных заданных функций спектральнойплотности мощностиПоставленная цель достигается тем, что в генератор случайного процесса, содержащий генератор импульсов выход которого соединен со счетным входом первого делителя частоты и с входом "Опрос" датчика случайных чисел, первый и второй выходы которого соединены с установочными входами соответственно первого делителя частоты и реверсивного счетчика, информационный выход которого соединен с адресным вхедом блока памяти, введены два, О-триггера, два элемента И, элемент ИЛИ, два делителя частоты, два регистра памяти и модулятор полярности, информационный вход которого подключен к выходу блока памяти, выход первого регистра памяти соединен с упНа чертеже представлена структурная схема устройства.Устройство содержит генератор импульсов 1, первый делитель 2 частоты, датчик 3 случайных чисел, реверсивный счетчик 4, блок 5 памяти, модулятор 6 полярности, первый 7 и второй 8 регистры памяти, второй 9 и третий 10 делителя частоты, первый 11 и второй 12 элементы И, элемент ИЛИ 13, первый 14 и второй 15 2 -триггеры.Генератор 1 может бьгть выполнен на микросхеме 155 АГ 1,по типовой 45 55 равляющими входами первого и второго дЕлителей частоты, выход генератора импульсов соединен со счетным входом второго делителя частоты, выходкоторого соединен со счетным входом 5третьего делителя частоты, выход ко торого соединен с синхронизирующимвходом реверсивного счетчика, с синхронизирующим входом первого О -триггера, с первым входом синхронизации, 1 Овторого регистра памяти и с входомсинхронизации записи первого делителя частоты, выход которого соединен с вторым синхрониэирующим входомвторого регистра памяти и с первыми 15входами первого и второго элементов И, выходы которых соединены соответственно с суммирующим и вычитающим входами реверсивного счетчика,выход переполнения которого соединен с единичным входом первого 2 -триггера, Э -вход которого подключенк третьему выходу датчика случайныхчисел, выходы первого и последнегоразрядов реверсивного счетчика соеди 25вены соответственно с синхронизирующим входом и Ц -входом второго3-триггера, единичный выход которого соединен с первым входом элемента ИЛИ, остальные входы которого ЗОначиная со второго и до последнегоподключены к выходам всех разрядовреверсивного счетчика соответственно, выход элемента ИЛИ соединен снулевым входом первого Э -триггеранулевой и единичный выходы которогосоединены с вторыми входами соответственно первого и второго элементовИ, единичный выход первого Ю -триггера соединен с управляющим входом 4 Омодулятора полярности, выход которого соединен с информационным входомвторого регистра памяти, выход которого является выходом генератора. схеме включения, при этом изменениечастоты, необходимое при настройке,осуществляется вручную, однако дляобеспечения высокой стабильностипроцесса, формируемого устройством,желательно применять генератор набазе кварцевого резонатора с цифро - .вым управлением частотой,Делители частоты 2 и 9 содержатвходы исходной последовательности,входы управления коэффициентом пересчета, выходы поделенной последовательности, Делитель частоты 2 содержит также вход синхронизации установки начального состояния и входзадания кода начального состояния.Делитель частоты 10 содержит входисходной последовательности импульсов и выход поделенной последовательности импульсов. Делители частоты могут быть выполнены на микросхемах 599 ХЛ 4 (по типовой схемевключения) .Реверсивный счетчик 4 (типа.155 ИЕ 7) содержит вход кода начального состояния, вход синхронизацииустановки начального состояния,входы синхронизации суммирования ивычитания, выход кода состояний ивыход переполнения при суммировании.Блок 5 памяти содержит вход адреса и выход информации. Если устройство предназначено для формирования процессов с фиксированным набором функций спектральной плотности, мощности, блок 5 памяти можно выполнить на элементах постоянной памяти, например 155 РЕЗ 565 РТ 4, 566 РТ 5 и др . Если устройство предназначено для формирования процессов с произвольной функцией спектральной плотности мощности, необходимо применять элементы оперативной памяти, например 155 РУ 2, 188 РУ 2, 541 РУ 2 и др.Конкретная реализация модулятора 6 полярности зависит от способа кодирования информации, записанной в .блок 5 памяти. Если используется классическое представление в прямых кодах, модулятор полярности состоит иэ одного двухвходового элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, например 155 ЛП, включенного в цепь знакового разряда, При использовании представления информации в инверсных кодах модулятор полярности состоит из группы двухвходовых элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ40 45 50 55 ИЛИ, первые входы которых являютсяразрядными входами модулятора полярности, соединенные вторые входы -расходами модулятора полярности,а выходы - выходам модулятора полярности,Регистры 7 и 8 можно выполнитьна элементах 155 ХЛ 1, 155 ТМ 5,155 ТВМ 8 и др, Причем регистрсодержит вход параллельной записии два входа синхронизации приема информации, объединенные по ИЛИ, длячего можно использовать, например,элемент 155 ЛЛ 1 (если применяютсяэлементы 155 ТМ 5, 155 ТМ 8 и им подобные),Элементы И 12 и 13 типа 155 ЛАЗ.Элемент ИЛИ 13 содержит количество входов на один больше по числуразрядов счетчика 4 и может бытьвыполнен на интегральных элементах155 ЛЕЗ, 155 ЛР 1, и др, Триггеры 14и 15 типа 155 ТМ. Триггер 14 содержит вход установки единичного состояния, вход установки нулевого состояния,Ы -вход и вход синхронизацииустановки и состояния по П -входу,Вход триггера 15 объединяет двавхода:1) -вход, соединенный с выходом старшего разряда счетчика 4,и вход синхронизации установки состояния по Р -входу, соединенныйс младшими разрядом счетчика 4.Датчик случайных чисел 3 предназначен для формирования случайных равномерно распределенных чисел,формируемый устройством процесс представляет собой последовательность "склеенных" отрезков периодической . полигармонической Функции (базовой функции процесса) со случайными от отрезка к отрезку фазами. Базовая функция представляет собой сумму синусоид с частотами, кратными частоте первой (самой низкочастотной) с определенными соотношениями амплитуд и соотношениями Фаз, равными нулю или 7 , что обеспечивает центральную симметрию базовой функции на йериоде ее повторейия. Причем в точке симметрии и в точках, отстоящих от нее на интервалах, кратных половине периода повторения, базовая функция равна нулю. Поэтому в блок 5 памяти устройства записывается только половина дискретных отсчетов периода базовой функции начиная с отсчета 5 1 О 15 20 25 ЗО 35 равного нулю. При формированиипроцесса первая половина полигармонической функции формируется последовательным Считыванием информациииз блока 5 памяти в прямом направлении, вторая половина - путем реверсивного чтения с изменением знака (полярности) на противоположный,Работу устройства представим какпоследовательность циклов одинаковой длительности, на каждом изкоторых формируется один отрезокреализации процесса, представляющийсобой отрезок полигармоническойфункции со случайной начальнойфазой,Очередной цикл начинается выработкой импульса на выходе делителя10 частоты, по которому триггер14 устанавливается в случайное состояние в соответствии с состояниемсигнала на выходе датчика 3 случайных чисел, счетчик 4,устанавливается в случайное состояние, в соответствии с кодом, поступающим с выхода датчика 3 случайных чисел, делитель 2 частоты устанавливается в случайное состояние в соответствии скодом с выхода датчика 3 случайныхчисел . По импульсу с выхода делителя частоты 1 О принимается также новый код процесса в регистр 7Рассмотрим работу устройства приусловии записи в регистр 8 кода,задающего коэффициент пересчета делителей 2 и 9 частоты равным единице,После установки в начале цикла счетчика,4 и триггера 14 в случайные состояния из блока 5 памяти по адресу, определяемому состоянием счетчика 4, считывается код отсчета поли- гармонической функции, поступающий через модулятор 6 полярности .на вход регистра 7. По следующему импульсу с выхода делителя 2 частоты код процесса принимается в регистр 7, состояние счетчика 4 изменяется на единицу, чем подготавливается адрес чтения следующего кода отсчета полигармонической функции из блока 5 памяти. Если триггер 14 в нулевом состоянии, коды с выхода блока памяти проходят через модулятор 6 полярности беэ изменения, импульсы с выхода делителя 2 частоты проходят через элемент И 11 на вход синхро40 45 50 55 низации суммирования счетчика 4.При этом состояние счетчика 4 покаждому импульсу увеличивается,последовательность кодов полигармонической функции читается из блока5 памяти в прямом направлении ипоступает без изменения на выходустройства. При единичном состояниитриггера импульсы с выхода делителя 2 частоты проходят через элементИ 12 на вход синхронизации вычитания счетчика 4, по каждому импульсусостояние счетчика 4 уменьшается наединицу, последовательность кодовполигармонической функции читаетсяиз блока 5 памяти в обратном нацравлении и поступает на выход устройства через модулятор б полярностис инвертированием полярности.Чтение памяти в прямом направлении идет до тех пор, пока счетчикне достигает максимального состояния, после чего с поступлением следующего импульса на вход суммирования счетчик 4 переходит в нулевоесостояние и на его выходе.вырабатывается импульс переполнения, по которому триггер 14 устанавливается вединичное состояние,Так как 0 -вход триггера 15 соединен со старшим разрядом счетчика 4, а вход синхронизации установки состояния поЭ-входу соединен с младшим разрядом счетчика 4, фронтом сигнала на выходе синхронизации триггера 15 при наличии единицы в старшем разряде счетчика 4 триггер 15 устанавливается в единичное состояние. Поэтому после перехода счетчика 4 в режиме прямого счета из состояния всех единиц в нулевое состояние триггер 15 всегда находится в единичном состоянии, обусловл .:вающем выра-. ботку сигнала логической единицы на выходе элемента ИЛИ 13. Единичное состояние триггера 14 запрещает прохождение импульсов через элемент И 11 на вход суммирования счетчика 4 и разрешает прохождение импульсов через элемент И 12 на вход вычитания. При. этом следующим импульсом с выхода делителя 2 частоты счетчик 4 переводится обратно в максимальное)состояние. Так как импульсы делителя 2 частоты не поступают на вход суммирования счетчика 4 при максимальном состоянии счетчика 4 импульс переполнения на его выходе не выра 0 15 20 25 30 35 батывается, с каждым последующим импульсом с выхода делителя 2 частотысостояние счетчика 4 уменьшается.При перехоце от прямого чтения базовой функции к реверсивному счетчикпроходит нулевоесостояние,на выходустройства поступает код из последнейячейки памяти 5, затем из нулевойи опять из последней, но с противоположнои полярностью. Посколькубазовая функция равна нулю в точках,кратных половине периода повторения,и в нулевую ячейку записывается кодотсчета, равный нулю (центр симметрии), указанный переход счетчика 4через нуль необходим для нормальногоформирования второй половины периодабазовой функции. К моменту достижения счетчиком 4 в режиме обратногосчета нулевого состояния в триггер15 принимается состояние логическогонуля с выхода старшего разряда счетчика 4 по фронту сигнала, поступаю -щему на вход синхронизации установкисостояния триггера 15 с младшего разряда счетчика 4, При этом при достижении счетчиком 4 нулевого состояния на всех входах элемента ИЛИ 13сигналы логического нуля, Вырабатываемым на выходе элемента ИЛИ 13 сигналом нуля триггер 14 устанавливает-,ся в нулевое состояние, переключающее счетчик .4 в режим прямого чтения .1 Вход синхронизации записи триггера 15 можно также подключить и квыходу делителя 2 частоты, при этомтриггер 15 будет повторять состояния старшего разряда счетчика 4 сзадержкой на один такт,Таким образом, на каждом циклепроизк здится последовательное периодическое чтение кодов отсчетов базовой функции с автоматическим переключением из режима прямого чтенияв реверсивный и наобррот начиная сослучайного в начале цикла адресаи направления чтения. Причем заданиеоч цикла к циклу случайного равно- .вероятного начального состояниясчетчика 4 и триггера 14 обеспечивает задание случайных равномернораспределенных на периоде повторе-,ния базовой функции начальных фаз .отрезкой реализации с точностью додискретного отсчета базовой функции.Количество дискретных отсчетов выходного процесса, формируемое на каждом1100 Ь 22- количество отсчетов отрезка реализации процесса(коэффициент пересчета делителя 10 частоты;- длительность периода дискретизации формируемогопроцесса;Ь 1)- частота первой (самойнизкочастотной) гармонической функции, входящейв базовую функцию;количество ячеек блока5 памяти.ичину Я целесообразНо выбиравной целой степени двойки,ак во-первых, интегральныенты памяти имеют емкость, равелой степени двойки, .во вторых,ычисления базовой полигармоний функции можно успешно примеэффективные алгоритмы быстрогоразования Фурье. Поскольку ветном представлении для задаинуса по теореме Котельниковаодимо минимум две точки над, в блок памяти устройстватипа можно записать периодармонической функции с колком гармоник кратной частотылее Н/2, при этом функция спектой плотности мощности задаетсяеством компонентных функцийа в предложенном устройстледствие использования симметания МИ.ким образом, при сохраненииого быстродействия, предложенстройство по сравнению с проом йри равенстве емкости блоамяти обоих устройств позволяетие требуемой функции спектральлотности мощности в два разам количеством компонентныхй, что значительно повышаетсть задания произвольных трефункций спектральной плотмощности. При обеспечении одиой точности предложенное устройство требует в два раза меньше информации настройки, при этом сокращается время настройки, что особенно существенно при использовании устройства в составе автоматизированных испытательных систем. 1 дТ5 п д+ 1,м д5(,и=к=-мцикле, определяется коэффициентом пересчета делителя 10 частоты.При задании коэффициента пересчета делителей частоты 2 и 9 равным2 обеспечивается задание допол дТнительно я равновероятных значенийфазы на длительности одного периодадискретизации формируемого процесса. Я,:2 рИмпульсом с выхода делителя 10частоты делитель 2 частоты (его счет 10 чик) устанавливается в равномерноев диапазоне 0 - я состояние, причем Н Импульсом с выхода делителя частотыпринимается также новый код в ре- Вел гистр 7. Вследствие установки дели рать теля частоты 2 в случайное состояние так к длительность первого с начала цикла элеме интервала следования импульса на ную ц выходе делителя 2 и, следовательно,для вдЛительность первого интервала дис ческо кретизации формируемого процесса будет нять случайной, равномерно распределенной преоб в интервале О-рьТ, где, дТ - дли- . дискр тельность периода следования им- ния с пульсов генератора Т. Период следо необх вания последующих импульсов на выходе перио делителя частоты до конца цикла по- прото стоянен и равенГд Т. Длительность полиг последнего интервала равна дополне- честв нию длительности первого до величи- ЗО не бо ны Г ЬТ.ральнТаким образом, с помощью делите- количлей частоты 2 и 9 обеспечивается М й М дополнительная модуляция положения ве вс отрезка реализации, т.е. задание до риров полнительного количества дискретных Та состояний фазы. Возможность управ- высок ления количеством дополнительных ное у состояний фазы расширяет функцио- . тотип нальные возможности генератора 4 б ков и случайных процессов при использовании задан его для формирования случайных элект- ной и Рических пРоцессов в Реальном масшта- блши бе времени. функциФу ц пектральной плОТности 45 тОчнО мощности процесса, формируемого предложенным устройством определяется ности соотношением иаков55 где А - амплитуда Ь.-й гармоническкой функции, входящей в ба-:зовую функцию процессаПо сравнению с генератором случайных процессов установки СУВ У-ШСВЗ, позволяющим формирование случайного процесса с произвольнойфункцией спектральной плотностимощности в диапазоне частот 5 ++ 2000 Гц предложенное устройствопозволяет формирование случайныхпроцессов в значительно болеешироком диапазоне (от долей герц донескольких мегагерц), простую перестройку частотного диапазона путемизменения частоты генератора импульсов (без изменения формы функцииспектральной плотности мощности) . Вотличие от генератора случайных процессов установки СУВ У-ШСВЗ предложенное устройство позволяет не только формирование случайных, но и регулярных процессов, для чего необходимо запретить работу датчика случайных чисел, остановив, напримерего синхронизацию. Изготовленноена базе предложенного изобретенияспециализированное вычислительноеустройство формирования электрических случайных и регулярных процессовс управляемыми спектральными характеристиками отличается .от генератораслучайных процессов установки СУВУ"ШСВЗ приблизительно в 10 раз меньшими габаритами и весом,В качестве базового образца взята ЗО ЭВМ СМвариант СМ 50/40, в состав которой входит устройство связи с объектом, Используя алгоритм функ " 1100622 12ционирования предложенного устрой"ства, с помощью данной ЭВМ можно,формировать псевдослучайный процесссо структурой, аналогичной структурепроцесса, формируемого предложеннымустройством. Причем оба вариантаобеспечивают потенциально одинаковуюточность формирования процессов. Однако процесс формируемый, с помощью0 ЭВМ, является псевдослучайным и имеет период повторения, при решениизадач исследования сложных объектовприменение псевдослучайных процессовв ряде случаев недопУстимо. Анализ15 времени выполнения операций ЭВМСМпоказывает, что быстродействие данной ЭВМ при формировании псев-.;, дослучайных процессов в 40-50 разменьше быстродействия предложенного20 устройства, выполненного на инте - -.,гральных схемах ТТЛ серий. Стоимость базового образца 50 тыс.руб.Стоимость изготовленного на базепредложенного изобретения устройст 25 ва формирования электрических процессов с управляемыми спектральнымихарактеристиками, ориентированного. айана использование в составе автоматизированных систем испытаний, 3,9 тыс.руб. Причем данное устройство отличается от ЭФМ СМ У 1800 приблизительнов 15 раз меньшими эксплуатационнымизатратами.