Цифровой генератор случайных процессов

Союз СоветскихСоциалистическикРеспублик ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 1 750466 61) Дополнительное к авт. свил-еуубликовано 23.07.80.ата опубликования оп по делам изооретеии и открытий(71) Заявите й радиотехнический инсти 54) ЦИФРОВОЙ ГЕНЕРАТОР СЛУЧАЙНЫХ ПРОЦЕССО Изобретение относится к области вычислительной техники и может быть использовано в качестве блока модульной ЭВМ, специализированного блока универсальной ЭВМ, зацающей аппаратуры для воспроизведения случайных процессов с заданной спектральной плотностью мощности при построении автоматизированных систем исследования надежности с помощью вибростендов. Известен ряд генераторов для формирования случайных процессов заданной спектральной плотностью мощности, в которых требуемая спектральная плотность мощности случайного процесса аппроксимируется непересекающимися спектральными плотностями полосовых случайных процессов с постоянной абсолютной полосой пропускания ЬЬЗ (или переменной относительной полосой с 1 а: ), причем вели. чина спектральной плотности мощности в полосе пропускания разная К К К При этом обязательным условием данйого способа является независимость полосовых случайных процессов. Данный метод и определил структурыпостроения генераторов случайных процессов.Известен генератор случайных процессов,содержащий тт - источников "белого" шума, 5т 1 -полосовых формирующих фильтров срегулируемым усилием в полосе. Выходнойслучайный процесс получается в результатесуммирования на сумматоре всех выходныхсигналов формируюших полосовых фильтров,Понятно, что вид воспроизводимой спектральной плотности мощности на выходе определя.ется значениями коэффициентов. усиления филь.ров и количеством полосовых формирующихфильтров. Изменяя коэффициенты усиленияи количество полосовых формирующих фильтров, можно с требуемой точностью получатьслучайные процессы с заданной спектралЬнойплотностью мощности 1 .Данным устройствам присуши существенныенедостатки, к которым следует отнести наличие дрейфа у аналоговых фильтров, зависимость результатов работъ от нестабильностиреактивных элементов (1., С) схемы и особенно генератора "белого" шума, низкую тех75 10 25 35 40 45 50 55 20 30 нологичность изготовления, трудоемкость на.стройки, а также сложность и высокую стои.мость фильтров, особенно при высоких требованиях к качеству и крутизне амплитудно-частотной характеристики, громоздкость аппаратуры.Кроме того, особую сложность вызывает реализация фильтров сверхнизких частот.Известен также генератор, в котором аналоговые фильтры заменены цифровыми фильт.рами, построенными на базе стандартных эле.ментов вычислительной техники 2,Однако в этом случае для построения гене.ратора случайных процессов необходимы значи.тельные аппаратурные затраты, которые выражаются количеством фильтров, примененныхв этом устройстве. Иногда для уменьшенияколичества формирующих фильтров используют фильтры одной октавности т.е. с постоянной относительной полосой пропусканияд ЬЗ 21. Очевидно, таким способом можноаппроксимировать узко ограниченный классспектральной плотности мощности, Введениецифровых фильтров в генератор требует приме.кения аналоговых филыров нижних частот,которые подключаются к выходу или к входуцифровых фильтров (предполагается наличиеаналого-цифрового и цифроаналогового преобразователей в цифровом фильтре) для подавления повторов амплитудно-частотной характе.ристики, следующих с частотой дискретизации,Количество аналоговых фильтров нижнихчастот и генераторов "белого" шума в данномслучае равно числу цифровых фильтров.Недостатком такого генератора являетсязависимость результатов,его работы от нестабильности реактивных элементов схемы (особенногенератора "белого" шума) .Для повышения точности задания требуемойспектральной плотности мощности необходимоувеличивать количество полос, т.е. количествофильтров, при этом можно добиться высокойточности задания требуемогО спектра, Однако,очевидно, что точность задания требуемогоспектра зависит от аппаратурных затрат нареализацию данного устройства, которые сильноограничивают ее,Наиболее близким к предлагаемому по тех.нической сущности является цифровой генератор случайных процессов, содержащий пультуправления, который представляет собой последовательно соединенные регистр константыи дешифратор, цифровой фильтр, мультиплек.сор, коммутатор, генератор тактовой частоты,генератор "белого" шума, цифроаналоговыйпреобразователь, аналоговые фильтры нижнихчастот, сумматор 3 .Анализ данного устройства показывает, чтопри достаточно большом наборе цифровыхфильтров различной октавности 5 (1-октавные,1/З-октавные, 1/б.октавные) можно аппрокси.мировать больший класс спектров и несколько уменьшить аппаратурные затраты, в данномслучае В СК где 1: - количество фильтровв двух предыдущих случаях, но число фильтровнижних частот равно их количеству во второманалоге 2. Данный генератор не лишен недостатка: нестабильность реактивных элементовсхемы. Если учесть современные требованиявиброметрии, когда необходимо доводитьцентральные частоты до 0,5 Гц, то, кроме того,формирование данным устройством инфранизко-частотных полосовых случайных процессоввызывает особую сложность из-за трудностейизготовления фильтров нижних частот. Следовательно, точность задания требуемого спектрав области нижних частот данным устройствомнизкая. Для увеличения точности заданияспектра необходимо увеличивать Э ( количество разнооктавных фильтров, обычно берутдва, три типа фильтров: 1 - октавный, 1/3 -октавный, реже 1/6 - октавный), что сопряжено со значительными анпаратурными затра.тами, так как увеличивается число однотипныхблоков - цифровых полосовых фильтров,представляющих собой специализированные вычислительные устройства,Таким образом, недостатком известного генератора случайных процессов является низкаяточность задания требуемой спектральнойплотности мощности, значительные аппаратурные затраты, зависимость результатов работыот нестабильности реактивных элементов схемы.Цель изобретения - увеличение точностизадания требуемой спектральной плотностимощности и сокращение аппаратурных затрат,а также уменьшение зависимости результатовработы от нестабильности реактивных элементов схемы и увеличение быстродействия длянекоторых видов спектральных плотностеймощности, т,е. поднятие верхнего частотногодиапазона генератора.Для достижения поставленной цели в известный цифровой генератор случайных процессов,состоящий из пульта управления, цифроаналогового преобразователя, фильтра нижних частот,последовательно включенных генератора тактовых частот, мультиплексора и генератора "белогошума, прйчем первый выход пультауправления соединен с первым входом мульти.плексора, введены блок регистров динамической памяти, коммутатор, дешифратор, два блокаоперативной памяти, два множительных блока,два накапливающих сумматора, блок синхронизации, шесть блоков элементов И, два блокаэлементов ИЛИ, причем первый выход блокасинхронизации соединен с первыми вждамипервого и второго блоков элементов И, приэтом выход первого блока элементов И соеди.нен со входом цифроаналогового преобразо.вателя, выход которого соединен со входомфильтра нижних частот, выход которого является выходом устройства, а выход третьегоблока элементов И соединен со входом цепочкипоследовательно соединенных первого блокаоперативной памяти, первого множительногоблока, первого накапливающего сумматора, пер.вого блока элементов И, выход четвертогоблока элементов И соединен со входом цепочки 10последовательно соединенных второго блокаоперативной памяти, второго множительногоблока, второго накапливающего сумматора ипятого блока элементов И, выход которогосоединен с первыми входами первого и второго блоков элементов ИЛИ, выход первогоблока элементов ИЛИ соединен со входомпервого множительного блока, а выход блокарегистров динамической памяти соединен спервым входом шестого блока элементов И, 20выход которого подключен ко вторым входам второго множительного блока и первого и вто.рого блоков элементов ИЛИ, причем второйвход пятого блока элементов И соединен совторым выходом блока синхронизации, третий 25выход которого соединен со вторым входомшестого блока элементов И, вторые входытретьего и четвертого блоков элементов И соединены с четвертым выходом блока синхронизации, пятый и шестой выходы которогосоединены с адресными входами соответственно первого и второго блоков оперативнойпамяти, выход генератора белого шума соединен со вторым входом второго блока элементов И, выход которого соединен с вычитающим входом второго накапливающего сумматора, при этом выход мультиплексора соединен с первым входом блока синхронизациии сдвигающим входом блока регистров динамической памяти, информационные входы которого соединены с выходами коммутатора,управляющий вход которого соединен с выходом дешифратора, а информационный вход -с выходом второго блока элементов ИЛИ,второй и третий выходы пульта управлениясоединены с первыми входами соответственночетвертого и третьего блоков элементов И,четвертый выход - со вторым входом блокасинхронизации, а пятый выход пульта управления соединен с третьим входом блока синхронизации и входом дешифратора,Е =1 сС Ъ - вещественные числа - пара.а. 1у К )гпИ метры функции.К: ъи30Причем гпсмх Р(ы)5 (И)-В(ы,р) -р (5) Для того, чтобы относительная ошибкааппроксимации не выходила за наперед заданныепределы Я, весовая функция выбираетсящ по правилу Р(о 3) =Яы)Известно, что в рамках корреляционной теории для широкого класса случайных процессов (линейных стационарных и нестационарных) их структурные модели полностью определяются формирующими фильтрами. Поэтому, как видно из рассмотрения аналогов, задача построе ния генератора случайных процессов сводится ьь 6к той или иной структурной реализации фор.мирующего фильтра.Для увеличения задания точности требуемойспектральной плотности мощности в основуструктуры данного цифрового генератора случайных процессов положен следующий метод.Зная, что спектральная плотность на выходелинейной системы получается из спектральнойплотности на выходе умножением на квадратамплитудной характеристики системыВ,ф)=Эх(ы), Н(ю)не ограничивая общности, положим, что входной процесс с единич.ной спектральной плотностью ("белый" шум),а(ы) =н(-З)НиО 43 цРешая (1) относительно НЯ) (задача факто.ризации) и применяя метод билинейного7 - преобразования, находим передаточнуюфункцию Н(Е) цифрового формирующегофильтра соответствующего порядка. Решениезадачи (1) осложняется тем, что Э (ЬЭ)задана обычно графически или таблично, Поэтому необходимо найти аппроксимирующуюфункцию р ,1 Я)В(цс): 2 . .,где с 3 - абсолютная ошибка;РОЗ) - весовая функция, позволяющая учитывать неодинаковый вес ошибокаппроксимации на различных частотах. Требование минимального К согласуется с требованием нахождения передаточной функции с наименьшим необходимым количеством параметров, т.е, минимального порядка, Функ. ция 5(И,с) находится с помощью математического программирования.На фиг. 1 представлена, структура цифрового генератора случайных процессов; на фиг, 2 - временная диаграмма работы блока управления.Цифровой генератор случайных процессов содержит пульт 1 управления, цифроаналоговый преобразователь 2, фильтр 3 нижних частот, генератор 4 тактовых частот, мультиплексор 5, генератор 6 "белого" шумаблок 7 регистров динамической памяти, коммутатор 8, дешифратор 9, первый блок 10 оперативной памяти, второй/50466 7 блок 11 оцеративцоц памягц, первый 12 и второй 13 мцожигсльцыс блоки, первьш 14 и второй 15 накапливающие сумматоры, блок 1 б сггхро 1 эацги, шесть блоков 17 - 22 элсмец. тов И (первый блок 22, второй блок 20, трегий блок 19, четвсртый блок 18, пятый блок 21, шестой блок 17), два блока 23 и 24 элементов ИЛИ,Коммутатор 8 представляет собой группу (П - 1) одного блока элементов И, каждый из которых одним входом подключен к соответ. ствующему выходу дешифратора 9, а вторым входом - к выходу динамической памяти. Количество элементов И в блоке равно разряд. ности г"1 регистров динамической памяти.Пулы 1 управления предназначен для ввода параметров цфрового генератора случацных процсссов. Он содержит переключатель "цане. сенце параметров - работа" и набор кнопочных гереключателей или микротумблеров для ца. дания параметров, а также кнопку "Запись", которая разрешает запись параметров в соответствующий блок оперативной памяти, В случае использования цифрового генератора слу. чайных процессов в автоматизированной сис. теме виброиспытаний или в качестве моду. ля ЭЦВМ пульт управления заменяется блоком сопряжения с управляющей ЭВМ или с ЗЦВМ,В целом устройство является аппаратурным аналогом цифрового формирующего фильтра, в основу которого положена кионическая форма рекурсивного фильтра с параметрами съ, ъ ) где 15 - коэффициенты знаменателя передаточцой фуцкци Н(7) Окоцффщеты числителя передаточ. ной фуцкгпи Н(Е) ( ) -г,т а алгоритм функциоцировацця следуюцийкЧц хо ЛгВыполнение условий (2) при расчете параметров делает цифровой генератор случайныхпроцессов адаптггруемьм к требуемой спект.ральной плотости мсщности. С этой целью вустройство введены дешифратор 9 и коммута.тор 8. Адаптация осуществляется по количеству коэффициентов р, согласно (5) и (6),здесь К -" 4,г 1 цФункционирование устройства происходитследующим образом,10 15 20 25 50 35 11 а пульте 1 управления в однц из репсгровзадается код числа К, где К - порядокзнаменателя передаточной функции (5), пятыйвыход которого соединен с третьим входомблока 16 и дегдифратором 9, Данный код вблоке управления используется как код адресастаршего коэффициентаЛя,рг этом он дешифри.рустся цешцфратором 9, возбуждается соответ.ствующий выход дешифратора 9,. которыйуправляет коммутатором 8. Таким обрацомкоммутируется вход с (1 - К ).ным выходом,Далее ца пульте 1 управления набираготсякоды параметров )1 и Фподается коман.да "Запись" (четвертый выход пульта 1 управ.пения) в блок 16, там формируются адресапараметрови Ф которые соответственнопо связям а-а н б б передаются в адресныечасти второго блока 11 оперативной памятии первого блока 10 оперативной памяти; кактолько сформировались адреса, блок управления вырабатывает сигнал "Запись" в оперативную память (связь в-в) и из пульта управления записываются параметры фь иэ 1(соответственно второй и третий выходы пуль.та управления) через соответствующие четвер.тый и третий блоки элементов И во второйи первый блоки оперативной памяти. Такпродолжается К раз, т.е. по числу коэффициентов 5, максимальное количество которыхравно гп, а К изменлется от 1 до и, такимобразом можно перестраиваться от цифровогоформирующего фильтра первого порядка до1 т -ого. Так для нужд виброметрии достаточно16 - 20 порядка (5), Итак, параметры дляформирования случайного процесса с требуемойспектральной плотностью мощности занесеныв блоки оперативной памяти, и генератор го.тов к работе,Из пульта 1 управления (выход первьй) поступает сигнал на управляющий вход мультиплексора 5, с помощью которого выбирается требуемая частота дискретизации генератора 4 тактовых частот, которая поступает на вход генератора 6 "белого" шума в блок 16 и на сдвигающий вход динамической памяти. Данный сигнал пульта управления переводит цифровой генератор случайных процессов в автоматический режил, который функционирует согласно алгоритму (6).Для удобства объяснения функционирования генератора, рассмотрим работу с й .ого шага. К этому моменту времени в блоке 7 регистров динамической памяти хранятся К промежуточ.ньгх рецультатов С . Значение входного про.цесса ("белый" думХ ) считывается но сит.иналу с блока 16 (выход первый, см, временную диаграмму работы блока 16 ца фиг. 2) через второй блок 20 элементов И во второй накал.750466 11преобразователь, фильтр нижних частот, после. довательно включенные генератор тактовых частот, мультиплексор и генератор "белого" шума, причем первый выход пульта управления соединен с управляющим входом мультиплексора, отличающийся тем,что, с целью повышения точности задания требуемой спектральной плотности мощностигенератор содержит блок регистров динамической памяти, коммутатор, дешифратор, два блока оператив. ной памяти, два множительных блока, два накапливающих сумматора, блок синхронизации, шесть блоков элементов И, два блока элементов ИЛИ, причем первый выход блока синхронизации соединен с первыми входа. ми первого и второго блоков элементов И, выход первого блока элементов И соединен со входом цифроаналогового преобразователя выход. которого соединен со входом фильтра нижних частот, выход которого является выходом генератора, выход третьего блока элементов И соединен со входом цепочки последовательно соединенных первого блока оперативной памяти, первого множительного блока, первого накапливающего сумматора, первого блока элементов И, выход четвертого блока элементов И соединен со входом цепочки последовательно соединенных второго блока оперативной памяти, второго множительного блока, второго накапливающего сумматора и пятого блока элементов И, выход которого соединен с первыми входами первого и второго блоков элементов ИЛИ, выход первого блока элементов ИЛИ соединен со входом первого множительного блока, а выход блока регистров динамической памяти соединен с первым входом шестого блока элементов И, выход которого подключен ко вторым входам второго множительного блока первого и второго блоков элементов ИЛИ, второй вход пятого бло. 2ка элементов И соединен со вторым выходомблока синхронизации, третий выход которогосоединен со вторым входом шестого блокаэлементов И, вторые входы третьего и четвертого блоков элементов И соединены с четвертым выходом блока синхронизации, пятыйи шестой выходы которого соединены с адресными входами соответственно первого ивторого блоков оперативной памяти, выход ге нератора белого шума соединен со вторымвходом второго блока элементов И, выходкоторого соединен с вычитающим входом второ.го накапливающего сумматора, при этом выходмультиплексора соединен с первым входомблока синхронизации и сдвигающим входомблока регистров динамической памяти, информационные входы которого соединены с выходами коммутатора, управляющий вход которого соединен с выходом дешифратора, а ин формационный вход - с выходом второгоблока элементов ИЛИ, второй и третий выходыпульта управления соединены с первыми входами соответственно четвертого и третьегоблоков элементов И, четвертый выход - со 25 вторым входом блока синхронизации, а пятыйвыход пульта управления соединен с третьимвходом блока синхронизации и входом дешифратора,ЗО Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1, Коваль В. Г. Задающая аппаратура длявоспроизведения случайных вибраций приисследовании надежности. - "Вестник машино 35 строения", 1970, И б.2. Верешкин А. Е Катковник В. Я, Линейные цифровые фильтры и методы их реализации. М., "Советское радио", 1973.3, Авторское свидетельство СССР по заявкеУ 2445994/18 - 24, кл. 6 07 С 15/00 прототип), 750466750466 ч Ч еда Тираж 751 Подписное ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 3035, Москва, Ж - 35, Раушская наб д, 4/5