Генератор случайных процессов

ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕН ИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскинСощиалистическикРеспублик и 752309(28) Приори гет по делам изобретений и открытий(7) Заявитель Московское ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени Высшее техническое училише им. Н. 3. Баумана(54) ГЕНЕРАТОР СЛУЧАЙНЫХ ПРОЦЕССОВ Изобретение относится к вычислительнойтехнике и может быть использовано как примоделировании случайных процессов с задан.ными статистическими характеристиками, таки для спектрального анализа непрерывно из 5меняющихся во времени сигналов,Известен генератор случайных процессов,содержащий генератор импульсов, датчик слу.чайных импульсов, элементы И, блок управ.пения, счетчик. Для упрощения настройки1 Отребуемого закона генератор содержит шифра.тор и регистр, но функциональные возможности его ограничены 113. Другой известный генератор случайных процессов содержит блок элементов И, выходы которых соединены с входами блока памяти, первые входы - с выходами датчика случай. ных чисел, а вторые входы - с первыми вы. ходами блока управления,второй выход блока управления соединен с первым входом блока считывания, второй вход которого соединен с выходом блока суммирования, а выход - с выходом генератора 121. Однако этот генератор не позволяет формировать случайные процессы с заданными спектральными характеристиками и не может быть использован для спектрального анализа сигналов,Известно также устройство для вычислениякоэффициентов разложения функции в ряд,содержащее накопительный блок, генераторимпульсов ключей, и блоков делителей напряжения (на т выходов каждый) и И каналов из последовательно соединенных сумматоров, аналого-цифрового преобразователяи блок регистрации с соответствующими свя.зями между блоками и узлами 3,К недостаткам известного устройства следует отнести большую конструктивную .сложность,обусловленную наличием ключей и й блоковделителей напряжения на т 1 выходов каждый,а также наличием накопительного блока, содержащего большое количество интеграторов,низкое быстродействие, обусловленное тем, чтодействительные значения спектральных коэф.фициентов могут быть получены только поокончании времени интегрирования (т.е. послеокончания интервала времени на котором про752309 15 3изводится анализ сигнала) и ограниченные функциональные возможности.Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является генератор случайных процессов, содержащий после довательно соединенные датчик случайных чисел, блок элементов И, блок памяти, комму. татор, блоки присвоения знака, блок суммирования и блок считывания, Кроме того он содержит генератор функций Уолша, выходы 10 которого подсоединены к другим входам коммутатора, и блок управления 41.Однако этот генератор не может быть использован для формирования спектральных коэф,фициентов по анализируемому сигналу.Целью предлагаемого изобретения является дополнительное расширение функциональных возможностей за счет формирования спектраль. ных коэффициентов по анализируемому сигналу и последующего автоматического формирования случайного процесса с теми же спектральными характеристиками, что и анализируемый сигнал, а также за счет появляющеися возможности одновременного проведения спект.ч рального анализа сигнала и генерации случаи- ного процесса с заданными статистическими характеристиками.Для достижения поставленной цели в гене. ратор случайных процессов, содержащий последовательно соединенные датчик случайныхзо чисел, первый буферный блок памяти, регистр и коммутатор, к другим входам которого подсоединены входы генератора дискретных ортогональных функций, а также последовательно соединенные сумматор и второй блок буферной памяти, введены сдвиговый кольцевой регистр и последовательно соединенные блок интегрирования, блок осреднения выбор. ки и блок формирования спектральных коэф. фициентов, другие и входов которого объединены с Г 1 входами коммутатора, выход которого подсоединен к входу сдвигового коль. цевого регистра, выход которого подсоединен к первому входу сумматора, второй вход которого подсоединен к выходу блока формиро. 45 вания спектральных коэффициентов, причем входы интегрального преобразователя подсоединены соответственно к входу генератора и к выходу датчика случайных чисел. 50Кроме того блок формирования спектраль. ных коэффициентов содержит о +1 последовательно соединенных сумматоров, выход последнего из которых подсоединен к входу первого из них, и о последовательно соединенных элементов задержки, вход первого из которых подсоединен к управляющему входу блока формирования спектральных коэффициентов и к входу первого сумматора, а входы других сумматоров подсоединены к соответствующимотводам цепочки элементов задержки, причемдругие информационные входы первых Осумматоров объединены и подсоединены к вы.ходу элемента считывания, управляющий иинформационный входы которого подсоединены соответственно к другому управляющемуи первому информационному входу блокаформирования спектр льных коэффициентов,другие о информационных входов которогоподсоединены к входам управления суммиро.ванием.вычитанием г первых сумматоров.Кроме того, блок осреднения выборки содержит последовательно соединенные о элементов задержки и последовательно соединенныесумматор, блок переключения масштаба и гтрегистров, выход последнего из которых подсоединены к информационному входу сумматора, друтой информационный вход которогоподсоединен к входу блока осреднения выборки, два управляющих входа которого подсоединены соответственно к управляющему входублока переключения масштаба и к входу считывания последнего регистра, объединенногос входом цепочки элементов задержки, отводыкоторых подсоединены к входам считываниясоответствующих регистров, а выход послед.него элемента задержки подсоединен к входусчитывания сумматора,На фиг. 1 приведена блок-схема универ.сального генератора случайных процессов; нафиг. 2 и 3 - блок-схемы соответственно бло.ка формирования спектральных коэффициентов и блока хранения и осреднсиия выборки.Универсальный генератор содержит датчик 1случайных чисел, блок 2 буферной памяти,регистр 3, коммутатор 4, генератор 5 дискретных оротогональных функций, сдвиговый кольцевой регистр 6, сумматор 7, блок 8 буфернойпамяти. Блок 9 интегрирования, блок 1 О хра.нения и осредиения выборки, блок 11 форми.рования спектральных коэффициентов. Блок управления на чертеже не показан.Универсальный генератор предназначен в ос. иовном для генерации случайных процессов, по спектральным характеристикам (функция спектральной плотности) совпадающих с анализируемым случайным процессом (но сами реализации генерируемых случайных процессов в общем случае не совпадают с анализируе. мым случайным процессом). В частных слу. чаях универсальный генератор может быть использован в качестве только спектрального анализатора или в качестве только генератора случайных процессов на основании заранее рассчитанных спектральных коэффициентов,В предлагаемом устройстве реализуются алгоритмы расчета спектральных коэффициен.После этого содержимое коммутатора 4 заносится в сдвиговый кольцевой регистр 5, на вход интегрального преобразователя посту. пает исследуемый аналоговый сигнал (для преобразования с одновременной низкочастотной фильтрацией), на управляющие входы бло. ка 11 формирования спектральных коэффициентов (вход элемента 15 задержки), датчика случайных чисел, регистра 6 и один из управляющих входов интегрального преобразовате. ля с соответствующими задержками относитель. но друг друта (с учетом переходных процессов в различных узлах и блоках) поступают импуль сы максимальной частоты. Прн этом в сумма. торе 7 формируется одно значение случайного процесса, а в интегральном преобразователе идет процесс формирования элементарного интеграла 3 формирование и выдача на выход значения случайного процесса заканчивается значительно быстрее, чем формирование величины 1 так как число г 1 практически невелико (десятки, сотни), в то время как от чис. с ла испьпаний в интегральном преобразователе зависит точность преобразования и это числоФдолжно быть как можно больше (миллионы). 7 752309Например, для и =Я случайный ряд Уолша представляется в видец:р,яс,ие,Ивоефр,До, о,я +С со 1 1)+б ЬОг, и+5 аког 1,+р ЪрО (1)Аналогичный ряд Уолша может быть постро. ен и для непрерывного сигнала, при этом расчет спектров Уолша должен быть проведен, по формулам10 С, = с фЬК а 1 Е,=бкфгзЕММаксимальное число возможных реализаций случайного процесса в базисе Уолша составитМ+1о15Набор случайных величин уе = Н вырабатывается датчиком 1 случаиных чисел (ДСЧ),При этом величине р =1 соответствует двоичный код "1" Е -ого разряда случайного числа, а величине ре +1 - нулевое состоя 2 О ние й -ого разряда, Выработанное т - разряд. ное случайное число с помошью блока 2 счи. тывания передается на блок 3 и запоминается на нем.Значения г 1 функций формируются с помощью генератора 5 функций Уолша, а изме. нение значений функций Уолша в соответствии со знаками случайных еднниц - на (о + 11) - входовом коммутаторе 4. В устройстве принято следуюшее правило соответствия между значениями функций Уолша и их двоичным эквивалентом: значению Ю,1) = +1 соответствует "0" состояние сА -го выхода ГДОФ, а значению Ю (г ) = -1 - его единичное состо. яние, (о+111) - входовой коммутатор 435 включает в себя пъ групп блоков суммирования по модулю два, причем каждая К-ая групк-па 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, объединенных в К-ую группу в соответствии с правилом объединения коэффициентов в однотипные группы. Поскольку изме 45 нение знака случайным образом должно производиться одновременно у всех функций Уолша, объединенных в группу, то вторые выходы блоков суммирования по модулю два каждой К-ой группы объединены и подсоединены к50 выходу соответствующего разряда регистра 3.Таким образом каждый выход (каждый разряд) коммутатора 4 представляет собой произведение 1 Ае на значение соответствующей функции Са или ъав текущий момент вре%5 мени(см. выражение (3). Из этого выра. жения видно, что для получения значения случайного процесса(1 ) в данный текущий момент времени 1 необходимо в соответствии со значением этого произвепсния соответствую. щего разряда выхода коммутатора 4 прибавить или вычесть значение соответствуюшего спектрального коэффициента. Для реализации этого алгоритма содержимое коммутатора в каждый текущий дискретный момент временипереписывается в регистре 6 и затем, продвигая содержимое сдвигового кольцевого регистра 6 и сумматоров 14 - 14, с помощью сумматора 7 осуществляется суммирование - вычитание спектральных коэффициентов (в соответ. ствии с означением очередного разряда регистра 6), После суммирования-вычитания всех спектральиых коэффициентов на выход генератора через блок 8 выдается значение слу. чайного процесса в момент времени. При переходе к следующему шагу - моменту дискретного времени ( +1) через время дЕ изменяется состояние генератора, изменяется содержимое регистра 6 и процесс формирования очередного значения ., (1 +1) случайного процесса повторяется.Работа предлагаемого устройства происходит. следующим образом.Перед началом работы в сумматоры 14 - 14, блока 11 формирования спектральных коэффициентов помещаются значения спектральных коэффициентов Сс, обеспечивающие заданные спектральные характеристики генерируемого случайного процесса.Все остальные узлы и блоки предлагаемого устройства находятся в исходном состоянии, а в регистре 2 произвольное случайное число.Через время А 1 элементарный интеграл .3 передается в блок 10 хранения и осреднения выборки, изменяются значения функций с выхода генератора 5 и соответственно изменяется содержимое регистра б. После этого вновь формируется очередное значение случайного процесса в сумматоре 7 и идет процесс формирования очередного элементарного интеграла,3По прошествии времени Т в блоке 10 оказывается полная выборка исследуемого сигна О ла Я,;1 г, ), а на выход устройства оказывается выданной одна реализация слу.чайного процесса (из з отсчетов).Дальнейшая Работа устройства зависит от выбранного (с помощью блока управления) 15 режима работы - либо осуществляется генерация случайного процесса с теми же спектральными характеристиками (но в регистр 3 при этом записывают другое случайное число),а, выборка сигнала заменяется или осредняется 20 с новыми значениями исследуемого сигнала, либо по полученной выборке быстро вычисляются спектральные коэффициенты (за то же время, что одно значение случайного процесса) и процесс работы продолжается так же как 25 описано выше, но с новыми спектральными коэффициентами. При этом генерируемый случайный процесс по спектральным характеристикам совпадает с исследуемым случайным сигналом. 30Кроме того, если исследуемый сигнал представляет собой смесь детерминированного сигнала со случайной помехой и если на регистре 3 сохраняется нулевое состояние, то на выходе предлагаемого устройства будет формироваться З 5 отфильтрованный от высокочастотных помех входной сигнал, т.е. предлагаемое устройство может быть использовано в качестве фильтра.Таким образом, предложенный универсаль 40 ныи генератор позволяет выполнять все функции устройства, и, кроме того, дает возможность осуществить воспроизвсдение реализаций случайного процесса, подобных исследуемому сигналу, без предварительного определения и аппроксимации статистических характеристик исследуемого сигнала. Кроме того, предложенный универсальный генератор может быть использован в качестве анализатора спектра (особенно радиолокационных сигналов, причем позиционное накопление в этом случае может быть осуществлено на блоке 10 хранения и осреднения выборки) .Формула изобретения1. Генератор случайных йроцессов, содержа.55 щий последовательно соединенные датчик случайных чисел, первый блок памяти, регистр и коммутатор, к другим входам которого под. соединены выходы генератора дискретных ортогональных функций, а также последовательно соединенные сумматор и второй блок буферной памяти, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей генератора за счет формирования спектральных коэффициента по анализируемому сигналу, он содержит сдвиговый кольцевой регистр и последовательно соединенные блок интегрирования, блок осреднения выборки и блок формирования спектральных коэффициентов, другие гз входов которого обьединены с и входами коммутатора, выход которого подсоединен к входу сдвигового кольцевого регистра, выход которого подсоединен к первому входу сумматора, второй вход которого подсоединен к выходу блока формирования спектральных коэффициентов, причем входы блока интегрирования подсоединены соответственно к входу генератора и к выходу датчика случайных чисел.2: Генератор по и. 1, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что блок формирования спектральных коэффициентов содержит элемент буферной памяти, (г +1) последовательно соединенных сумматоров, выход последнего иэ которых подсоединен к входу первого из них, и гз по. следовательно соединенных элементов задержки, вход первого из которых подсоединен к управляющему входу блока формирования спектральных коэффициентов и к входу первого сумматора, а входы других сумматоров подсоединены к соответствующим отводам цепочки элементов задержки, причем информационные входы первых и сумматоров объединены и подсоединены к выходу элемента буферной памяти, управляющий и информационный входы которого подсоединены соответственно к друтому управляющему и первому информационному входу блока формирования спектральных коэффициентов, другие гз информационных входов которого подсоединены к входам управления О первых сумматоров. 3, Генератор по п. 1, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что блок осреднения выборки содержит последовательно соединенные О элементов задержки и последовательно соединенные сумматор, блок переключения масштаба и г регистров, выход последнего из которых подсоединен к информационному входу сумматора, другой информационный вход которого под. соединен к входу блока осреднения выборки, два управляющих входа которого подсоединены соответственно к управляюгцему входу блока переключения масштаба и к входу считывания последнего регистра, объециненного с.входом цепочки элементов задержки, отводы которых подсоединены к входам считывания соответ. ствующих регистров, а выход последнего эле11 752309 мента задержки подсоединен к входу считыва.ния сумматора.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское овнцетельство СССР Юо 344431,кл. 6 06 Г 1/02, 1970. 1 з 2. Авторское свидетельство СССР У 370717 кл. Н 03 К 13/02, 1970,3., Авторское свидетельство СССР У 470812,кл, 6 06 Е 15/34, 1975. 4. Авторское свидетельство СССР М 532873,кл.6.07 С 15/00,6 06 Е 1/02,1977 (прототип) .7523(Я оставитель А. Карехред Ж. Кастелев ектор В. Синицка едактор И. Ковальчук к аз 4743/6 Тираж 751 ЦНИИПИ Государственного ком по делам изобретений и откр 13035, Москва,Ж, Раушская