ГЕНЕРАТОР ПОТОКА СЛУЧАЙНЫХ СИГНАЛОВ Российский патент 1999 года по МПК G06F7/58 H03B29/00 

Изобретение относится к области вычислительной техники и может быть использовано в устройствах, моделирующих случайные процессы.

Известен генератор потоков случайных событий [А.с. 1062696, МКИ G 06 F 7/58. Генератор потоков случайных событий / Баканович Э.А., Волковец А.И., Волорова Н.А.- 15.07.82 Бюл. N 37. - 1984.], содержащий датчик случайных импульсов, выход которого соединен с первым входом первого элемента И, второй вход которого подключен к выходу одновибратора, вход которого объединен с установочным входом первого счетчика и является входом "Опрос" генератора, выход первого элемента И соединен со счетным входом первого счетчика, выходы разрядов которого соединены с соответствующими входами первого дешифратора, выходы которого соединены с соответствующими входами первого коммутатора, выходы которого соединены с соответствующими входами первого блока элементов ИЛИ, выход которого является первым выходом генератора, информационный вход блока задержки подключен к выходу одновибратора, а управляющий вход блока задержки является управляющим входом генератора, выход датчика случайных импульсов соединен с первым входом второго элемента И, второй вход которого подключен к выходу блока задержки, выход второго элемента И соединен со счетным входом второго счетчика, установочный вход которого соединен с входом "Опрос" генератора, выходы разрядов второго счетчика соединены с соответствующими входами второго дешифратора, выходы которого соединены с соответствующими входами второго коммутатора, выходы которого соединены с соответствующими входами второго блока элементов ИЛИ, выход которого является вторым выходом генератора.

Однако данный генератор формирует поток случайных событий без регулирования вероятности появления последних в потоке.

Наиболее близким к предлагаемому устройству по сущности технического решения является генератор псевдослучайных N-разрядных двоичных чисел [Пат. 2080651 РФ, МКИ⁶ G 06 F 7/58. Генератор псевдослучайных N-разрядных двоичных чисел / Колесников В.Б., Воронин С.Н.- 27.05.97 Бюл. N 15.], содержащий генератор опорной последовательности равновероятных чисел, блок памяти, генератор периодических импульсов и элементы И, выходы которых соединены с входами блока памяти, выходы которого являются выходами генератора, элемент ИЛИ, линии задержки, формирователи коротких импульсов и умножители частоты, вход первого из которых соединен с выходом генератора периодических импульсов, выход каждого умножителя частоты, кроме последнего, соединен с входом последующего умножителя частоты, выходы умножителей частоты через одноименные формирователи коротких импульсов подключены к входам одноименных линий задержки и к входам элемента ИЛИ, выход которого подключен к входу генератора опорной последовательности равновероятных чисел, выход последнего подключен к первым входам элементов И, вторые входы которых подключены в выходам одноименных линий задержки.

Однако устройство-прототип имеет недостаток - низкий диапазон статистических параметров в генерируемой последовательности N-разрядных псевдослучайных двоичных чисел (ПСДЧ). Это объянется тем, что такие параметры, как математическое ожидание распределения ПСДЧ в последовательности и коэффициент корреляции априорно известны и определяются рекуррентным соотношением порождающего эту последовательность. Кроме того, для управления статистическими параметрами ПСДЧ необходимо в целом изменить правило формирования сетки частот при генерировании выходной последовательности путем добавления новых функциональных связей в устройстве.

Целью изобретения является создание генератора потока случайных сигналов, обеспечивающего формирование потока случайных сигналов с регулируемым коэффициентом корреляции.

Поставленная цель достигается тем, что в генератор псевдослучайных N-разрядных двоичных чисел, содержащий генератор периодических импульсов, n каскадно соединенных умножителей частоты, где n ≥ 2, и n формирователей коротких импульсов. Вход первого умножителя частоты соединен с выходом генератора периодических импульсов, а выход каждого i-го умножителя частоты, где i = { 1,2,...,n}, соединен с входом i-го формирователя коротких импульсов, дополнительно введены источник шума, датчик потока случайных импульсов и источник регулируемого опорного напряжения. Выход источника шума подключен к информационному входу датчика потока случайных импульсов, к тактовому входу, которого подключен общий вывод переключателя. Выходы формирователей коротких импульсов подключены к соответствующим выводам переключателя, выход источника регулируемого опорного напряжения подключен к управляющему входу датчика потока случайных импульсов, выход которого является выходом генератора потока случайных сигналов.

Датчик потока случайных импульсов содержит фиксатор мгновенных значений напряжения, информационный и тактовый входы которого являются соответственно информационным и тактовым входами датчика потока случайных импульсов, генератор линейно-изменяющегося напряжения, вход которого подключен к тактовому входу датчика потока случайных импульсов, первый и второй компараторы, элемент ЗАПРЕТ, линию задержки, D-триггер, выход которого является выходом датчика потока случайных импульсов. Выход генератора линейно-изменяющегося напряжения подключен к первым входам первого и второго компараторов, выходы которых подключены соответственно к прямому и инверсному входам элемента ЗАПРЕТ, выход которого подключен к входу линии задержки. Выход линии задержки подключен к информационному входу D-триггера, выход фиксатора мгновенных значений напряжения подключен к второму входу первого компаратора, выход второго компаратора подключен к синхровходу D-триггера, второй вход второго компаратора является управляющим входом датчика потока случайных импульсов.

При такой совокупности существенных признаков предложенный генератор позволяет формировать поток случайных сигналов с заданным коэффициентом автокорреляции путем регулирования временного интервала снятия мгновенных значений опорного шумового напряжения и изменения вероятности появления случайных импульсов в потоке.

Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявляемого генератора потока случайных сигналов, отсутствуют. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию патентоспособности - "новизна".

Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявляемого изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявляемого изобретения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию патентоспособности - "изобретательский уровень".

Заявляемый генератор поясняется чертежами, на которых на фиг .1 представлена схема заявляемого генератора, на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие принцип работы генератора, на фиг. 3 - схема фиксатора мгновенных значений напряжений, на фиг. 4 - схема источника регулируемого опорного напряжения.

Генератор потоков случайных сигналов (генератор ПСС), показанный на фиг. 1, содержит: источник шума (ИШ) 1; датчик потока случайных импульсов (ДПСИ) 2; генератор периодических импульсов (ГПИ) 3; n умножителей частоты (УЧ) 4.1-4.n; n формирователей коротких импульсов (ФКИ) 5.1-5.n; переключатель 6, источник регулируемого опорного напряжения (ИРОН) 7 и выход генератора ПСС 8 .

Датчик потока случайных импульсов 2 содержит: фиксатор мгновенных значений напряжений (ФМЗН) 2.1 , генератор линейно-изменяющегося напряжения (ГЛИН) 2.2, первый 2.3 и второй 2.4 компараторы, элемент ЗАПРЕТ 2.5, линию задержки (ЛЗ) 2.6 и D-триггер 2.7.

УЧ 4.1-4. n соединены каскадно. Вход первого УЧ 4.1 соединен с выходом ГПИ 3, а выход каждого i-го УЧ 4.1-4.n, где i={1,2,...,n}, соединен с входом i-го ФКИ 5.1-5. n. Выход ИШ 1 подключен к информационному входу ДПСИ 2, к тактовому входу которого подключен общий вывод переключателя 6. Выходы ФКИ 5.1-5. n подключены к соответствующим выводам переключателя 6. Выход ИРОН 7 подключен к управляющему входу ДПСИ 2, выход которого является выходом генератора потока случайных сигналов.

ДПСИ 2 содержит ФМЗН 2.1, информационный и тактовый входы которого являются соответственно информационным и тактовым входами первого. Вход ГЛИН 2.2 подключен к тактовому входу ДПСИ 2. Выход D-триггер 2.7 является выходом ДПСИ 2. Выход ГЛИН 2.2 подключен к первым входам первого 2.3 и второго 2.3 компараторов, выходы которых подключены соответственно к прямому и инверсному входам элемента ЗАПРЕТ 2.5. Выход элемента ЗАПРЕТ 2.5 подключен к входу ЛЗ 2.6. Выход ЛЗ 2.6 подключен к информационному входу D-триггера 2.7, выход ФМЗН 2.1 подключен к второму входу первого 2.3 компаратора. Выход второго 2.4 компаратора подключен к синхровходу D-триггера 2.7. Второй вход второго 2.4 компаратора является управляющим входом ДПСИ 2.

ИШ 1 предназначен для формирования первичного шумового напряжения. Схема такого ИШ известна и описана в [Горошков Б.И. Элементы радиоэлектронных устройств: Справочник. -М.: Радио и связь, 1989. - с.107, рис.7.24].

ФМЗН 2.1 предназначен для запоминания в течение заданного промежутка времени мгновенных значений напряжения, поступающих с выхода ИШ 1. Схема и принцип работы такого ФМЗН известна и описана, например, в [Бобнев М.П. Генерирование случайных сигналов. М. : Энергия, 1971, - с.46, рис. 2.6]. В заявляемом генераторе ПСС с учетом особенностей взаимосвязей с другими элементами схема ФМЗН 2.1 приобретает вид, показанный на фиг. 3, и включает: первый резистор 2.1.1, первый вывод которого является информационным входом ФМЗН 2.1, а второй подключен одновременно к первому выводу второго резистора 2.1.2 и прямому входу элемента ЗАПРЕТ 2.1.4, на инверсный вход которого подключен тактовый вход ФМЗН 2.1. Выход элемента ЗАПРЕТ 2.1.4 одновременно подключен к первому выводу конденсатора 2.1.3 и к входу усилителя постоянного тока (УПТ) 2.1.5. Выход УПТ 2.1.5 соединен с вторыми выводами второго резистора 2.1.2 и конденсатора 2.1.3 и является выходом ФМЗН 2.1.

ГЛИН 2.2 предназначен для формирования напряжения типа "пила". Схема такого ГЛИН известна и описана в [Свечников Г.М. и др. Импульсные схемы на полупроводниках и ферритах. М.: Воениздат, 1972, - с. 80-84; рис. 1.64].

Схемы и принцип работы компараторов 2.3 и 2.4 известны и описаны, например, в [Микросхемы и их применение: Справочное пособие/ В.А. Батушев и др. -М. : Радио и связь, 1983 - (Массовая радиобиблиотека; вып. 1070), -с.213, - рис. 7.6 в].

ЛЗ 2.6 в данном устройстве предназначена для задержки случайного импульса на величину, в два-три раза превышающую длительность среднего времени задержки распространения сигнала t_ср.зд.р в элементе ЗАПРЕТ 2.5. При реализации элемента ЗАПРЕТ 2.5 на типовых элементах И и НЕ среднее время задержки сигнала t_ср.зд.с будет порядка (40-50) нс [Лавриненко Ю.В. Справочник по полупроводниковым приборам. К. : Техника, 1980, -с. 431-435]. Схемы построения ЛЗ 2.6, обеспечивающие такое время задержки, известны. В частности, линия задержки может быть реализована на четырех элементах НЕ [1; -с . 54, рис. 2.4].

ГТИ 3 предназначен для формирования импульсов скважности T/t=2, где Т - период следования импульсов, a t - длительность импульсов. Такие генераторы известны и описаны, например, в [Потемкин И.С. Функциональные узлы цифровой автоматики. -М.: Энергоатомиздат, 1988, - с. 240, рис. 7.9].

ИРОН 7 предназначен для выдачи требуемого уровня напряжения на управляющий вход ДПСИ 2 с целью формирования случайных импульсов с заданной вероятностью. Схема, принцип работы и расчет таких ИРОН 7 известен и приведен, например, в книге [Лихачев В.Д. Практические схемы на операционных усилителях. -М.: ДОСААФ, 1981. -с. 40-41, рис. 28а]. В заявляемом генераторе ПСС с учетом особенностей взаимосвязей с другими элементами схема ИРОН 7 приобретает вид, показанный на фиг. 4, и включает: однополярный источник опорного напряжения 7.1 и два резистора делителя напряжения 7.2 и 7.3. Расчет сопротивлений резисторов 7.2 и 7.3 делителя напряжения можно провести по методике, изложенной, например, в книге [Гольденберг Л.М. Импульсные и цифровые устройства. Учебник для вузов. М., "Связь", 1973, с. 33-35].

Все остальные элементы, входящие в общую (фиг. 1) и частные (фиг. 3, 4) схемы заявляемого устройства, известны. Так, принцип работы и схема элемента ИЛИ приведены в [1; с. 15, рис. 3.1], элемента И в [1; с. 14, рис. 1.2] и D-триггера в [1; с. 121, рис. 4.15].

Генератор ПСС работает следующим образом. В начальный момент времени импульс с выхода ГПИ 3 (фиг. 2.1 х) скважности T/t=2 (где Т - период следования импульсов длительности t) поступает на вход УЧ 4.1, в котором происходит удвоение частоты следования импульсов в двое при сохранении скважности-2 (фиг. 2.1 х1). Далее эта последовательность импульсов поступает на входы ФКИ 5.1 и следующий УЧ 5.2. В первом происходит формирование короткого импульса по заднему фронту входного импульса (фиг. 2.1 z1), а во втором - очередное удвоение частоты следования (фиг. 2.1 х2). Аналогичные преобразования осуществляются в последующих ФКИ 5.1-5.n и УЧ 4.1-4.n. Таким образом формируются последовательности импульсов с частотами следования 2⁰F,2¹F,.., 2ⁿF, где F=1/T - частота следования периодических импульсов на выходе ГПИ 3 (фиг. 2.1 х). Далее в зависимости от положения переключателя 6 осуществляется коммутация выходов ФКИ 5.1-5.n к тактовому входу ДПСИ 2.

Пусть переключатель 6 коммутирует выход ФКИ 5.2 на тактовый вход ДПСИ 2. Тогда в момент появления на тактовом входе ДПСИ 2 импульса в ФМЗН 2.1 запоминается напряжение (фиг. 2.2 d), соответствующее в этот момент времени мгновенному значению напряжения шума в ИШ 1 (фиг. 2.2 а), поступающего на его информационный вход. Одновременно запускается ГЛИН 2.2 (фиг. 2.2 с). В момент равенства напряжений на выходах ГЛИН 2.2 и ФМЗН 2.1 срабатывает компаратор 2.3 и формируется импульс Δt_c (фиг. 2.2 f) с уровнем напряжения, равным логической единице, длительность которого равномерно распределена на временном интервале ] 0, Т [. Последнее объясняется тем, что выборка мгновенных значений напряжений из реализации случайного процесса ИШ 1 равномерно распределена в некотором интервале напряжений шума. Одновременно в момент равенства уровней напряжений на выходе ГЛИН 2.2 и входе управления ДПСИ 2 (фиг. 2.2 с,n), поступающих соответственно на первый и второй входы второго компаратора 2.4 на выходе последнего будут формироваться импульсы длительности t_и (фиг. 2.2 k).

Сформированные таким образом импульсы Δt_c со случайной длительностью и t_и заданной длительностью одновременно поступают соответственно на прямой и инверсный входы элемента ЗАПРЕТ 2.5. Известно, что элемент ЗАПРЕТ формирует на своем выходе логическую единицу только при одновременном присутствии на своем инверсном входе логического нуля, а на прямом входе логической единицы. Исходя из этой логики функционирования на выходе элемента ЗАПРЕТ 2.5 будут сформированы случайные импульсы длительностью Δt_и (фиг. 2.2 y). Вероятность появления последних определяется длительностью импульсов на выходе второго компаратора 2.4, которую можно устанавливать с помощью величины напряжения, подаваемого с ИРОН 7 (фиг. 2.2 n). Так как длительность Δt_c - равновероятно на интервале ]0,Т[, а длительность импульса t_и задана, то вероятность появления импульса Δt_и на выходе элемента ЗАПРЕТ 2.5 есть отношение мер (в данном случае мера есть длительность), благоприятствующих появлений событий Δt_и, к мере общего числа равновозможных случаев [Каневский 3. М. Вероятностные задачи в радиотехнике. (Б-ка по радиоэлектронике, вып. 3) М. -Л., из-во "Энергия".]:
P(Δt_и) = t_и/T.
Например, при формировании с помощью ИРОН 7 импульсов t_и длительности 0.25 от единичной длительности периода Т следования импульсов t вероятность появления равновероятных импульсов Δt_c на интервале ]0,Т[ равна
P(Δt_и) = 0,25/1 = 0,25.
Для окончательного формирования потока случайных сигналов и удобства ее дальнейшей статистической обработки предназначен D-триггер 2.7 (фиг. 2.2 m). Последний меняет свое внутреннее состояние, по сигналу, поступающему с выхода второго компаратора 2.4 на C-вход, в состояние, предписываемое D-входом, т.е. потоком случайных импульсов (фиг. 2.2 y), поступающих с выхода элемента ЗАПРЕТ 2.5 через ЛЗ 2.6 (фиг. 2.2 y).

Аналогично будут формироваться потоки случайных импульсов при изменении тактовой частоты следования импульсов, формируемых на выходах других ФКИ 5.1-5. n и коммутируемых на тактовый вход ДСПИ 2 переключателем 6, например на временных интервалах [t₂; t₃].

По сравнению с прототипом заявляемый генератор позволяет регулировать значения коэффициента автокорреляции путем изменения периода следования временных отсчетов съема мгновенных значений напряжения опорного напряжения шума, как это следует из выражения определения автокорреляционной функции (АКФ) [Измерение вероятностных характеристик случайных процессов с применением стохастических вычислительных устройств / В.Г.Корчагин и др. -Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1982, с.107]

где N-период исследуемого случайного процесса;
p - интервал определения АКФ;
x_i - значения случайного процесса;
m_x - математическое ожидание случайного процесса.

Из выражения (1) видно, что чем меньше значение разности N-p, тем коэффициент АКФ больше, а чем разность больше, тем значение коэффициента АКФ меньше. Т. о., изменяя период следования импульсов, поступающих на тактовый вход ДПСИ 2, можно регулировать коэффициент автокорреляции потока случайных сигналов, а изменяя величину опорного напряжения, можно управлять вероятностью появления случайных сигналов и получить более точную величину коэффициеента автокорреляции в потоке случайных сигналов.

Литература
[1] Потемкин И. С. Функциональные узлы цифровой автоматики. -М.: Энергоатомиздат, 1988. - 300 с.: ил.

Изобретение относится к области вычислительной техники и может быть использовано в устройствах, моделирующих случайные процессы. Техническим результатом является создание генератора потока случайных сигналов, обеспечивающего формирование потока случайных сигналов с регулируемым коэффициентом автокорреляции, который достигается следующим образом. На вход датчика потока случайных импульсов (ДПСИ) подается одна из скоммутированных переключателем последовательностей периодических импульсов 2^oF, 2¹F,..., 2ⁿF, где F - частота следования периодических импульсов на выходе генератора периодических импульсов. В зависимости от заданного временного интервала фиксации мгновенных значений шумового напряжения, подаваемого от источника шума, на выходе датчика ДПСИ формируется поток случайных импульсов. Путем изменения уровня опорного напряжения в источнике регулируемого опорного напряжения осуществляется регулирование в ДПСИ вероятности появления случайных импульсов в потоке. Таким образом, изменяя временной интервал фиксации мгновенных значений опорного шумового напряжения и регулируя вероятность появления случайных импульсов, в последовательности формируется поток случайных сигналов с заданным коэффициентом автокорреляции. 1 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Генератор потока случайных сигналов, содержащий генератор периодических импульсов, n каскадно соединенных умножителей частоты, где n ≥ 2, и n формирователей коротких импульсов, вход первого умножителя частоты соединен с выходом генератора периодических импульсов, а выход каждого i-го умножителя частоты, где i = {1,2, ..., n}, соединен с входом i-го формирователя коротких импульсов, отличающийся тем, что в него дополнительно введены источник шума, датчик потока случайных импульсов, источник регулируемого опорного напряжения, выход источника шума подключен к информационному входу датчика потока случайных импульсов, к тактовому входу которого подключен общий вывод переключателя, выходы формирователей коротких импульсов подключены к соответствующим выводам переключателя, выход источника регулируемого опорного напряжения подключен к управляющему входу датчика потока случайных импульсов, выход которого является выходом генератора потока случайных сигналов. 2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что датчик потока случайных импульсов содержит фиксатор мгновенных значений напряжения, информационный и тактовый входы которого являются соответственно информационным и тактовым входами датчика потока случайных импульсов, генератор линейно-изменяющегося напряжения, вход которого подключен к тактовому входу датчика потока случайных импульсов, первый и второй компараторы, элемент ЗАПРЕТ, линию задержки, D-триггер, выход которого является выходом датчика потока случайных импульсов, выход генератора линейно-изменяющегося напряжения подключен к первым входам первого и второго компараторов, выходы которых подключены соответственно к прямому и инверсному входам элемента ЗАПРЕТ, выход которого подключен к входу линии задержки, выход линии задержки подключен к информационному входу D-триггера, выход фиксатора мгновенных значений напряжения подключен к второму входу первого компаратора, выход второго компаратора подключен к синхровходу D-триггера, второй вход второго компаратора является управляющим входом датчика потока случайных импульсов.