Генератор случайного процесса

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(22)Заявлено 18.10.79 (21) 2830643/18-24с присоединением заявки Мо(23) ПриоритетОпубликовано 230781 Бюллетень йо 27Дата опубликования описания 23. 07. 81 и 1849211 Союз Советскмя Социалистическнк Республик(51)м, кл 3 С 06 г 7/580 07 С 15/00 Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий(72) Авторы изобретения В.Н. Ярмолик, А,Е. Леусенко и А.Н, Мороз ский инсти нс) Заявите ОГО ПРОЦЕССА 54) ГЕНЕРАТОР ильность элем казывается на арактеристик роцессов, а п изкочастотных Изобретение относится к вычислительной технике и может быть исполь. зовано в качестве блока специализированной электронной вычислительной машины для получения случайных5 процеесов, в качестве задающей аппаратуры для воспроизведения случайных вибраций при исследований надежности и правильности функционирования изделий различного назначения с по-. .мощью вибростендов.Известны генераторы случайного процесса, содержащие полосовые фильт" ры, в которых предусмотрена ручная регулировкауровня выходного сигнала, 5 Генераторы содержат устройства для генерирования случайных процессов, содержащие контур обратной связи,В этих устройствах случайный процесс с тем или иным видом спектра 20 получается путем задания определяемого уровня выходного сигнала на выходе каждого фильтра с последующим суммированием их на суммирующем устройстве 1 .3Однако нестаб ентов (,С-элементы) с стабильности основных х генератора случайных п ри фор мирования инфран слу- ЗО чайных процессов возникают затруднения. Кроме того, процесс задания ,требуемого вида спектра трудоемкий и длительный.Наиболее близким по техническойсущности к изобретению является генератор случайного процесса, содержащий блок тактовых частот, выходы которого соединены с входами в муль" типлексоров, выходы которых соединены с входами в источников шума, и в цифровых фильтров, вторые входы цифровых фильтров соединены с выходами источников шума, а выходы через в источников опорного сигнала соединены с входами коммутаторов, другие входы которых объединены с входами мультиплексоров и через в дешифраторов соединены с выходами в регистров кода, а выходы коммутатора соединены с входами и фильтров низких частот, выходы которых подключены к входам сумматора ( 2;Недостаток известного генератора состоит в методической погрешности задания требуемого спектра, что объясняется кусочно-постояннойаппроксимацией спектральной плотности мощ,ности. Наиболее существенным оказы,вается влияние кусочно-постоянной.,аппроксимации на точность задания спектров при имитации широкополосных случайных вибропроцессов, для которых характерно наличие н спектральной характеристике резонансных всплесковпровалов.5Цель изобретения - повышение точности генератора.Поставленная цель достигается тем, что н генератор, содержащий блок генераторов тактовых частот, выходы которого соединены с входами группы мультиплексоров соответственно, входы которых объединены с первыми входами соответствующих коммутаторов и подключены к выходам соответствующих дешифраторов, входы которых подключе ны к выходам соответствующих регистров кода, выходы мультиплексоров соединены с входами соответствующих источников шума и первыми входами соответствующих цифровых фильтров, выхо- Щ ды которых соединены с первыми входами соответствующих источников опорного сигнала, выходы которых соединены с вторыми входами соответствующих кОммутатОрОввыходы кОтОрых соединены с соответствующими входами филь.гров низких частот, выходы которых соединены с входами сумматора соответственно, введены первая и вторая группы элементов И, группа элементов ИЛИ-НЕ, группа сумматоров по модулю два, группа элементов задержки, группа вероятностных двоичных элементов и группа триггеров управления, единичные и нулевые выходы которых соединены соответственно с первыми входами элементов И-НЕ группы и,элементов И второй группы, выходы которых соединены с первыми входами соответствующих сумматоров по модулю два группы, выходы кото рых соединены с входами соответствующих цифровых фильтров группы и элементов задержки группы соответственно, выходы которых соединены с вторыми входами соответствующих 45 элементов И второй группы и элементов И-НЕ группы, выходы которых соединены с первыми входами элементон И гервой группы, соответственно, выходы которых соединены с вторыми входами соответствующих сумматоров по модулю два группы, выходы источников шума группы соединены с входами вероятностных двоичных элементов группы, соответственно, первые и вторые выходы которых соединены с вторыми входами элементов И первой группы и источников опорного сигнала, соответственно.На фиг. 1 приведена структурная схема генератора случайного процесса; щ на фиг, 2, За и 5 а - функциональные схемы блоков генератора; на Фиг. Зб, Зв,5 б и 5 а - временные диаграммы; на фиг. 4, б и 7 - зависимости, частотных характеристик. Генератор содержит блок 1 генераторов тактовых частот, а мультиплексоров 2, а источников 3 шума, а цифровых фильтров 4, а источников 5 опор-ного сигнала а коммутаторов б, а.дешиФраторов 7, а регистров 8 кода ифильтров 9 низких частот, сумматор10, а вероятностных двоичных элементов 11 группы, а элементов 12 Ипервой группы, а сумматоров 13 по модулю два, а элементов 14 И второйгруппы, аэлементов 15 И-НЕ группы,а элементов 16 задержки группы и атриггеров 17 управления группы.В блоке 1 тактовых частот генерируется сетка центральных частот,обеспечивающая перекрытие заданногочастотного диапазона, и подается навходы мультиплексоров 2, которые всоответствии с сигналами, поступающими па его вход с дешифраторон коммутирует на входы источников 3 шумаи цифровых фильтров 4 требуемыечастоты, которые определяются кодами,занесенными на регистры 8 кодов,выходы которых подключены к входамдешиФраторов, с выходов которых разрешающий сигнал поступает на первыевходы а коммутаторов 6. Сигналы сравномерным спектром с ныходон аисточников 3 шума поступают на входыа вероятностных двоичных элементов11, где осуществляется изменение вероятности появления единицы на выходев каждом канале. Выходные сигналы сэлементов 11, проходя через элементы12 И первой грппы и сумматоры 13по модулю два, поступает на входыцифровых Фильтров 4. Кроме того, управляющие сигналы с а вероятностныхдвоичных элементов 11 поступают навходы а источников 5 опорного сигна,ла, на ьгорые входы которых подключены выходы а цифровых фильтров 4, авыходы источников 5 подключены к вторым входам а коммутаторон б,Выходы а сумматоров 13 подключены к входам а элементон 16 задержки, выходы которых подключены к вторым входам элементов 15 И-НЕ и элементов 14 И второй группы, а на первые входы а элементов 15 Й-НЕ и элементов 14, И подключены нулевые и единичные входы а триггеров 17 управления, соответственно. Выходы а элементов 15 И-НЕ подключены к вторьщ,.входам а элементов 12 И первойгруппы, а выходы элементов 14 И подключены к вторым входам а сумматоров 13, и выходов а коммутаторов бсоединены 1-ми входами и фильтров 9низких частот, выходы которых подключены к входам сумматора10,Блоки 1-10 выполняют аналогичныеФункции, как и подобные блоки в известном генераторе. Вероятностныйдноичный элемент 11 представляетсобой устройство, позволяющее генерировать бинарные последовательностис изменяемыми вероятностями появления ф 1". Причем, в данном случаеэлемент 11 позволяет регулировать вероятность появления "1" в широкихпределах от О до 1. Структурно подобное устройство реализуется по известным типовым схемам. Элементы12-15 выполняют функции двухвходовыхсхем И, сумматора по модулю два,И и И-НЕ, собтветственно, а элемент1 б задержки выполняет функцию задержки информации на один такт(фиг.2),Устройство работает следующимобразом.Для получения заданной спектральной плотности мощности на регистры8 кодов заносятся коды частот такимобразом, что более широкополосныефильтры находятся на участках с малым изменением спектральной плотности, а более узкополосные - на 20резонансных всплесках и провалах,Код тактовой частоты определяетцентральную частоту фильтра. Блок генераторов тактовых частот 1 генерирует полную сетку частот, предусматривающую любую перекомбинацию Фильтров с различной полосой пропускания,Все тактовые частоты с блока 1подаются на мультиплексоры 2. Дешифраторы 7 в соответствии с кодом, занесенным в регистр 8, дают разрешение на прохождение на входы источников 3 шума и фильтров 4 определенной тактовой частоты. Коды регистров8 не повторяются. В"его тактовыхчастот и, а одновременно набранныхкодов в( и.Далее "белый шум" с выходов источника 3 шума под действием синхронизирующих импульсов тактовойчастоты поступает на вход вероятностных двоичных элементов 11, которые регулируют вероятность появления единицы на первых выходах элементов 12 И (фиг. 1 и 2).В зависимости от вида спектральной плотности мощности в каждой полосе, формируемой цифровым фильтром 4, триггеры 17 управления устанавливаютсяв единичное или нулевое состояние.В случае, если спектральная плотность мощности в данной конкретнойполосе имеет выпуклый вид, триггеруправления устанавливается в нуле-.)вое состояние. В этом случае функциональная схема (фиг.2) автоматически преобразуется в схему, изображенную на Фиг. За. В случае, если спектральная плотность мощности имеетвогнутый вид, триггер управленияустанавливается в единичное состояние, В этом случае схема, показанная Щна фиг.2, повторяет работу схемы,приведенной на фиг.б,Рассмотрим случай, когда необходимо воспроизвести выпуклый вид спектральной плотности мощности в данной Я,частотной полосе. В этом случае совокупность элементов 12-17 (фиг.2) структурной схемы путем фиксирования на триггере 17 управления нулевого состояния преобразуется в схему, приведенную на Фиг.За. На вход элемента И (фиг.За) с выхода вероятностного двоичного, элемента 11 поступает случайная последователь- ность независимых случайных двоичных цифр хк с вероятностью Р(х 1=1)Р, где = 1, 2, 3Входная последовательность хК (фиг. 4 б) преобразуется в последовательность г(фиг. Зв) таким образом, что в новой последовательности отсутствуют следующие друг за другом единицы. Энергия низкочастотных и высокочастотных составляющих уменьшается. При этом возрастает амплитуда составляющих, имеющих частоту 1/2 Т. Особенно сильно возрастает амплитуда составляющей с частотой 1/2 Т и близ- КИХ Ей СОСтаВЛяЮщИХ Прн Р(хК=1)- 1. Аналитически алгоритм преобразования последовательности независимых случайных двоичных цифр х в последовательность г к (Фиг. Зб, в) описывается выражейиемКорреляционная функция последовательности гК определяется выражением= Р(г + 02,:фР(г =1,г:),и преобразуя выражение (2), получаютЯ(а):Р й(СО)+Р Р(г:1). ЩЗначение Р (г=1) получается по следующей зависймости:р(Я х 4)р ( р 2 (р 2,рЬ+Яр 4+р 5,3 рь+5 рТ, )р = РФ+Р) и Для нахождения корреляционной функции й(в) решают неоднородное разностное уравнение первого порядка с постоянными коэффициентами (5) при наЧальных условиях К(о)Р/(1+Р)ени ель Корреляционная=Р) Р+и преобразуя выраж ункция последр определяется в к.1) (1- Р 1, ХЯ 5 (2 получаю ен в)-(1-2 Р) б(Ф)= ц Р (э)1 Спектральная плотность мощности Случайной последовательностиот личаетсяот спектральной плотности мощности входной последовательности х на сомножитель Ф(Ц, крторый определяется следующим образом: аФ)= - : (-ир "ф.ип 1 1 ущТ(Н Р)р ф )п 1 ЯУтТ% р,а -3 ОТ 1РР о (ф Р о=О10Р(-Р (НР) (нР)-4 Р(вй УТЮ) (7)Выражение (7) показывает что используя на входе элементов 12 дельта-модулированную импульсную последовательность хк, имеющую равномерный спектр на выходе преобразователя, состоящего из элементов 12-17, при нулевом состоянии триггера 17 управления получается случайный процесс г с изменяемой спектральной плотК ностью мощности, имеющей выпуклый вид спектра (фиг.4). Используя последовательность хК,поступающую с вероятностного двоичного элемента 11, можно генерировать узкополосные слу чайные процессы с изменяемой Формой спектральной плотности, при этом форма изменяется эа счет измен я вероятности входной последоват ности хк, ЗОРассмотрим второй случай, когда необходимо воспроизвести вогнутый вид спектральной плотности мощности в определенной частотной полосе. В этом случае сово- З 5 купность элементов 12-17 (фиг. 1 и 2) путем фиксирования на триггере 17 управления единицы преобразуется в схему, приведенную на фиг. 5 а. На вход сумматора по модулю два (фиг. 5 а) с выхода вероятностного двоичного элемента 11 поступает случайная последовательность независимых случайных двоичных цифр х 1,.Входная последовательность хк (фиг.5 б) преобразуется в последова тельность К (Фиг.5 в). Аналитически алгоритм преобразования независимых случайных двоичных цифр хх в после довательность Е (фиг.5) описывается выражением 56К 1 к-=к Х, 2 К 10.Для нахождения корреляционнойфункции б(е), решают неоднородноеразностное уравнение первого порядкас постоянными коэффициентами (9).Врезультате получают Спектральная плотносТь мощности случайной последовательности гх отличается от спектральной плотности мощности входной последовательности х на сомножитель %, который определяется следующим образом: рХ йр)э 1 о ЭТУ для а от- Фро- е При измерении ве элементах 11 на вых фильтров 4 изменяет сигнала. Сигнал упр пающий с выхода эле рой нход источников ла, регулирует пони ние уровня на выход ров 4. В случае нес произнедения равном роятности Р в в одах щ цифровых ся общий уровень авления, посту- ментов 11 на вто 5 опорного сигнажение или понышеах цифровых Фильтбходимости носерных участков Выражение (11) показывает, что используя на входе элементов 12 дельта-модулированную импульсную после- довательность хк,имеющую равномерный спектр, при единичном состоянии триггера 17 получается случайный процесс. гк с изменяемой спектральной плотностью мощности, имеющей вогнутый вид спектра (фиг,б).Таким образом, изменяя вероятность появления двоичных символов х К на выхоДах а Двоичных неРОЯтностных элементов 11 при соответствующих состояниях в триггеров 17 управления на выходах сумматоров 13 получаются случайные процессы с изменяемой формой, имеющей или выпуклый или вогну. тый вид (Фиг,4 и б),Далее выходные процессы с в сумматоров 13 поступают на входы щ цифровых фильтров 4, где происходитIполосовая фильтрация входных цифровых процессов. Цифровые фильтры 4 выделяют полосу частотных составляющих из исходного процесса с центральной частотой, равной 1/2 Т, а так как каждого фильтра тактовая частот лична, в результате на выходе ци вых фильтров получаются случайны процессы, частотные составляющие которых лежат строго н определенных непересекающихся частотных диапазонах В данном случае оказывается возможным аппроксимировать частотные составляющие в каждом диапазоне не только кусочно-постоянные как в известном ,генераторе, а и нелинейным образом ,путем изменения вероятности Р(х=1)=Р в элементах 11.впектральной характеристики с постоянным уровнем триггер 17 управления устанавливается в единичное значение и на выходе элемента 11 устанавливается Р(к=1)=0,5.Источники 5 опорного сигнала изменяют уровни выходного сигнала в соответствии с видом спектра задаваемого случайного процесса. Выходной сйгнал с выходов источников 5 поступает на вход того или иного Фильтра 9 10 низких частот. Функцию коммутации осуществляют коммутаторы,б, которые в соответствии с кодами,;:. находящимися в регистрах 8, и соответственно сигналом на выходе дешифратора, подключают выход источников 5 к тому или 15 иному фильтру 9 низких частот.,На выходе суммирующего устройства получается результирующий случайный процесс с заданным спектром. Пример воспроизводимого процесса с требуе мым спектром показан на фиг. 7.Набор кодов тактовых частот и установка триггеров 17 производится вручную, однако эту функцию можно возложить на управляющую программу25 ЭВМ, В этом случае программа распределения фильтров по частотному диапазону выполняется автоматически. Используя данный подход для реализации генератора случайного процесса, ЗО оказывается возможным в процессе его работы оперативно изменять вид спектральной плотности мощности.Изобретение позволяет осуществлять более точное задание требуемого вида спектра, что достигается введением нелинейной аппроксимации. Это влечет за собой возможность более точной коррекции резонансных выбросов и провалов. С меньшим набором цифровых фильтров оказывается возможной 4 О аппроксимация более сложных спектральных характеристик.Таким образом, расширение функциональных возможностей устройства осуществляется за счет возможности 45 воспроизведения процессов с более сложным видом спектра,Предлагаемое устройство отличается простотой технической реализации и сравнительно небольшими аппа р ратурными затратами. Все блоки реализуются с использованием типовых элементов вычислительной техники,например, интегральных схем серии 155.Экономический эффект от применения изобретения определяется более точным заданием необходимых условий виброиспытаний, что позволит получить более полную информацию о надежности отдельных узлов испытываемого изделия и предотвратить выпуск бракован ных изделий. Формула изобретения Генератор случайного процесса,содержащий блок генераторов тактовыхчастот, выходы которого соединены свходами мультиплексоров соответственно, входы которых объединены с первыми входами соответствующих коммутаторов и подключены к выходам соответствующих дешифраторов, входы ко"торых подключены к выходам соответствующих регистров кода, выходы мультиплексоров соединены с входами соответствующих источников шума и первымивходами соответствующих цифровыхФМльтров, выходы которых соединены спервыми входами соответствующих источников опорного сигнала, выходыкоторых соединены с вторыми входамисоответствующих коммутаторов, выходыкоторых соединены с соответствующимивходами фильтров низких частот, выхода которых соединены с входами сумматора соответственно, о т.л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повышения точности, он содержит первую ивторую группы элементов И, группуЬлементов И-НЕ, группу сумматоровпо модулю два, группу элементов задержки, группу вероятностных двоичныхэлементов и группу триггеров управления, единичные и нулевые выходы которых соединены соответственно с первыми входами элементов И-НЕ группыи элементов И второй группы, выходы которых соединены с первыми входа-.ми соответствующих сумматоров помодулю два группы, выходы которыхсоединены с входами соответствующихцифровых фильтров группы и элементовзадержки группы, выходы которых соединены с вторыми входами соответствующих элементов И второй группы иэлементов И-НЕ группы, выходы которыхсоединены с .первыми входами элементов И первой группы, соответственно,выходы которых соединены с вторымивходами соответствующих сумматоровпо модулю два группы, выходы источников шума группы соединены с входамивероятностных двоичных элементовгруппы, соответственно, первые ивторые выходы которых соединены свторыми входами элементов И первойгруппы и источников опорного сигнала,соответственно.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Коваль В.Т. Задающая апцаратура для воспроизведения случайныхвибраций при исследовании надежности. - "Вестник машиностроения", 1970.2. Авторское свидетельство СССР9 631961, кл. О Я 6 .Г 1/02, 1977849211 М а а ов Редакто Тираж 745 Подписно НИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 5, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5