ГЕНЕРАТОР НЕПРЕРЫВНЫХ СЛУЧАЙНЫХ СИГНАЛОВ ПРОИЗВОЛЬНОЙ ДЛИНЫ Российский патент 2015 года по МПК H03K3/00 

Изобретение относится к области создания устройств для генерирования широкополосных случайных стационарных процессов с заданными собственными и взаимными спектральными плотностями мощности и может быть использовано в приборостроении, машиностроении, вычислительной технике для создания, в частности, многоканальных автоматических систем, в испытаниях на вибростойкость к воздействиям случайной вибрации и т.д.

Известно («Автоматическое управление вибрационными испытаниями», Библиотека по автоматике выпуск 579, Москва, Энергия, 1978 г.) устройство, генерирующее блоки (реализации) одномерного случайного стационарного сигнала с заданной спектральной плотностью, состоящее из ЭВМ и программного обеспечения. Каждый блок представляет собой массив вещественных чисел (амплитуд) длиной N, а _i (i=0, 1, …, N-1), имеющий в пределе заданный спектр амплитуд с нормальным (Гауссовским) законом распределения. Генерация блоков производится с помощью разложения Райса-Пирсона. Затем блок передается на модуль цифроаналогового преобразователя для преобразования полученной последовательности в случайный сигнал, с периодом дискретизации Δt [сек], длиной T_Б=NΔt [сек], шагом квантования по частоте Δf=1/T_Б [Гц].

Все названные признаки присутствуют в предлагаемом устройстве.

Генерирование случайного процесса большой длины требует большого объема вычислений, времени и памяти, что является недостатком при создании систем управления вибрационными испытаниями с быстрой петлей коррекции.

Формирование случайного процесса произвольной длины предлагается производить из последовательности следующих друг за другом временных блоков a _r,i (r=1, 2,…). При этом возникает проблема разрыва начальных и конечных значений (фаз) между соседними последовательностями генерируемых осциллограмм, так как в общем случае a _r,N-1≠a_r+1,0. Это приводит к появлению в генерируемом процессе удара в виде дельта-функции.

В предлагаемом устройстве решается задача генерирования непрерывных случайных сигналов произвольной длины без разрыва фаз между соседними реализациями и без изменения ее длины N и шага квантования по частоте Δf, что необходимо для организации единого во времени цикла генерации управляющего сигнала на исполнительное устройство и измерения сигналов откликов для построения алгоритмов, например, для систем управления реального времени с обратной связью.

Предлагается генератор непрерывных случайных сигналов произвольной длины, состоящий из:

- однопроцессорного компьютера и прикладного программного обеспечения для формирования по заданной спектральной плотности случайного сигнала в форме разложения Райса-Пирсона в виде массивов a _r={a _ri}, вещественных чисел a _ri (i=0, 1, …, N-1), имеющих по множеству (ансамблю) реализаций R заданный спектр амплитуд с нормальным законом распределения;

- цифрового модуля ограничения пиковых выбросов амплитуд на уровне , где Q - заданный пик-фактор;

- цифрового модуля построения на длине T_HANN=(4·n-3) точек (n<<N), косинусоидального окна Ханна:

;

- цифрового модуля формирования последовательности N вещественных точек-чисел по следующему алгоритму: к концу блока a _r - добавляется (n-1) точек, симметричных последним n точкам блока, полученную таким образом последовательность (2n-1) точек умножают на правую половину окна Ханна; к началу следующего блока a _r+1 добавляется (n-1) точек, симметричных первым n точкам блока a _r+1; полученную таким образом последовательность (2n-1) точек умножают на левую половину окна Ханна; образованные таким образом последовательности складывают, первыми n точками суммарной последовательности заменяют последние n точки блока a _r, последними n точками суммарной последовательности - первые n точки блока a _r+1;

- механизма формирования на выходе из системы управления из отдельных следующих друг за другом блоков a _r непрерывного случайного сигнала, включающий организацию в компьютере двух буферов длиной N, в один из которых заносят сгенерированный блок данных a _r, который затем контроллером прямого доступа к памяти (DMA) без участия центрального процессора передается в память цифроаналогового преобразователя (ЦАП). За время выдачи первого блока a _r на выход ЦАП центральный процессор генерирует следующий блок данных a _r+1, осуществляет стыковку его начала с концом предыдущего a _r и переносит во второй буфер, который, в свою очередь, будет передан в ЦАП через DMA-канал. Затем буфера автоматически циклически меняются местами;

- модуля цифроаналоговых преобразователей (ЦАП) для преобразования полученной последовательности в непрерывный во времени случайный сигнал произвольной длины;

- модуля аналоговых фильтров низкой частоты, например, Баттерворта, не менее 4 порядка (48 дБ/октаву) и частотой среза не менее 1/(2Δt).

Блок-схема генератора показана на фиг.1-5. Примеры стыковки реализаций показаны на фиг.6-9.

Отличительными признаками предлагаемого устройства являются:

- цифровой модуль ограничения пиковых выбросов амплитуд на уровне , где Q - заданный пик-фактор;

- цифровой модуль построения на длине T_HANN=(4·n-3) точек (n<<N), косинусоидального окна Ханна:

;

- цифровой модуль формирования последовательности N вещественных точек-чисел по следующему алгоритму: к концу блока a _r добавляется (n-1) точек, симметричных последним n точкам блока, полученную таким образом последовательность (2n-1) точек умножают на правую половину окна Ханна; к началу следующего блока a _r+1 добавляется (n-1) точек, симметричных первым n точкам блока a _r+1; полученную таким образом последовательность (2n-1) точек умножают на левую половину окна Ханна; образованные таким образом последовательности складывают, первыми n точками суммарной последовательности заменяют последние n точки блока a _r последними n точками суммарной последовательности - первые n точки блока a _r+1,

- механизм формирования на выходе из системы управления из отдельных следующих друг за другом блоков a _r непрерывного случайного сигнала, включающий организацию в компьютере двух буферов длиной N, в один из которых заносят сгенерированный блок данных a _r который затем контроллером прямого доступа к памяти (DMA) без участия центрального процессора передается в память цифроаналогового преобразователя (ЦАП). За время выдачи первого блока a _r на выход ЦАП центральный процессор генерирует следующий блок данных a _r;, осуществляет стыковку его начала с концом предыдущего a _r и переносит во второй буфер, который, в свою очередь, будет передан в ЦАП через DMA-канал. Затем буфера автоматически циклически меняются местами;

- модуль аналоговых фильтров низкой частоты, например, Баттерворта, не менее 4 порядка (48 дБ/октаву) и частотой среза не менее 1/(2Δt).

Благодаря наличию указанных отличительных признаков в совокупности с известными приобретается возможность генерирования непрерывных случайных сигналов произвольной длины.

В результате поиска по источникам патентной и научно-технической информации, решений, содержащих аналогичные признаки, не обнаружено.

Таким образом, можно сделать заключение о том, что предложенное устройство неизвестно на уровне техники и, следовательно, соответствует критерию «патентоспособности».

Предложенное устройство может найти применение везде, где возникает необходимость в непрерывных случайных процессах произвольной длины, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «Промышленная применимость».

Изобретение относится к области создания устройств для генерирования широкополосных случайных стационарных процессов с заданными собственными и взаимными спектральными плотностями мощности. Технический результат заключается в повышении быстродействия работы устройства с быстрой петлей коррекции. Устройство генератора содержит цифровой модуль для формирования последовательностей случайных сигналов с использованием косинусоидального окна Ханна, а также цифровую обработку с использованием циклически меняющихся буферов для доступа к памяти DMA и аналоговые фильтры низкой частоты. 9 ил.

Генератор непрерывных случайных сигналов произвольной длины, состоящий из однопроцессорного компьютера и прикладного программного обеспечения для формирования по заданной спектральной плотности случайного сигнала в форме разложения Райса-Пирсона в виде массивов a _r={a _ri}, вещественных чисел a _ri (i=0, 1, …, N-1), имеющих по множеству (ансамблю) реализаций R заданный спектр амплитуд с нормальным законом распределения, модуля цифроаналоговых преобразователей (ЦАП) для преобразования полученной последовательности в непрерывный во времени случайный сигнал, отличающийся тем, что включает цифровой модуль ограничения пиковых выбросов амплитуд на уровне , где Q - заданный пик-фактор; цифровой модуль построения на длине T_HANN=(4·n-3) точек (n<<N), косинусоидального окна Ханна:
,
а также цифровой модуль формирования последовательности N вещественных точек-чисел по следующему алгоритму: к концу блока a _r добавляется (n-1) точек, симметричных последним n точкам блока, полученную таким образом последовательность (2n-1) точек умножают на правую половину окна Ханна; к началу следующего блока a _r+1 добавляется (n-1) точек, симметричных первым n точкам блока a _r+1; полученную таким образом последовательность (2n-1) точек умножают на левую половину окна Ханна; образованные таким образом последовательности складывают, первыми n точками суммарной последовательности заменяют последние n точки блока a _r, последними n точками суммарной последовательности - первые n точки блока a _r+1;
механизм формирования на выходе из системы управления из отдельных следующих друг за другом блоков a _r непрерывного случайного сигнала обеспечивает организацию в компьютере двух буферов длиной N, в один из которых заносят сгенерированный блок данных a _r, который затем контроллером прямого доступа к памяти (DMA) без участия центрального процессора передается в память цифроаналогового преобразователя (ЦАП);причем за время выдачи первого блока a _r на выход ЦАП центральный процессор генерирует следующий блок данных a _r+1, осуществляет стыковку его начала с концом предыдущего a _r и переносит во второй буфер, который в свою очередь будет передан в ЦАП через DMA-канал и в модуль аналоговых фильтров низкой частоты не менее 4 порядка (48 дБ/октаву) и частотой среза не менее 1/(2Δt); затем буфера автоматически циклически меняются местами.