Генератор случайного процесса Советский патент 1983 года по МПК G06F7/58 

Изобретение сртносится к вычислительной технике и может быть использовано при построении имитационно-моелирующей аппаратуры для решения задач исследования и оптимизации структурно-сложных систем, при соэ- 5 ании автоматизированных систем испытания на вибрационные, аккустические и другие воздействия.

Известно устройство, содержащее лок генераторов первичного нормаль- Ю ого шума, блок формирующих фильтов, сумматор и нелинейный безинерионный преобразователь, позволяюее формирование случайных процессов с произвольной заданной спект- 5ральной плотностью мощности в фиксированном диапазоне частот (1.

Недостатками, этого устройству явлшотся-сложность технической реаизации за счет множества генерато- 20 ров первичного нормального шума и формирующих фильтров, ограниченность частотного диапазона и низкая точность воспроизведения заданной функции спектральной плотности мощности. 25

И-звестно также устройство, содер- жащее генератор случайных чисел, группу генераторов импульсов, группу сче.тных триггеров и группу элементов И, многовходовую схему ИЛИ, , регистр памяти, сумматор, блок памяти - два счетчика и циклический регистр . сдвига 2}.

Недостатками .этого устройства являются низкое быстродействие, так как один отсчет выходного процесса 35 формируется путем последовательного суммирования совокупности коэффициентов, тем большей, чем больше требуется точность, сложность технической реализации при необходимое- 40 хи обеспечения высокой точности, так ка.к при этом устройство содержит большое количество генераторов импульсов, триггеров и элементов И, или низкая точность, при малых ап- 45 паратурных затратах.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является . генератор случайного процесса, содержащий генератор импульсов, де литель частоты, датчик случайных чисел, счетчик и блок памяти. Указанные блоки со.единены последовательно, второй вход счетч ка соединен с выходом генератора р;мпульсов, выход блока памяти явля- ется выходом устройства. Работу у.-.тройства можно представить как

последовательность циклов, на каждом из которых путем последовательного циклического чтения информации 60

из блока памяти, начиная со случайного в начале цикла адреса, формируется отрезок реализации процесса. Формируемый устройством процесс представляет собой последовательностьбЗ

склеянных отрезке одной периодической функции со случайныАи начальными фазами. Вблок памяти записывается период полигармонической фунции с определенными соотношениями амплитуд входящих в нее гармонических функций, с частотами, кратными частоте первой (самой низкочастотной) гармонической функции. При .этом функция спектральной плотности мощности формируемого процесса аппроксимируется композицией компонентных функций (sin X /х) с равг ной шириной основных- лепестков, сдвинутых по частоте с равномерным шагом, с весами, пропорциональными амплитудам, соответствующим им гармоник записанной в память полигармонической функции Гз.

Недостатком известного устройства является отсутствие возможности простого управления вероятностными характеристиками, формируемого процесса, например изменение дисперсии процесса без изменения области его существования. Кроме того, устройство не позволяет формирование узкополосных процессов с нормалным распределением мгновенных значений амплитуд. Недостатком устройства также является то, что процесс представляет собой отрезки одной периодической функций, поэтому если использовать известное устройство в качестве источника помех, при испытании некоторой системы, испытываемая система может адаптироваться к данному воздействию. Указанные недостатки и ограниченность функциональных возможностей сужают область использования устройства.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей устройстваза счет обеспечения возможности управления вероятностными характеристиками формируемых процессов .

Поставленная цель достигается тем, что в генератор случайного . процесса, содержащий первый блок памяти, датчик случайных чисел, генератор импульсов, выход которого соединен со входом первого делителя частоты, выход которого соединен со счетньм входом первого счетчика, введены второй блок памяти, два сумматора, второй счетчик, второй делитель частоты, два триггера, элемент И и регистр памяти, выход которого является выходом генератора , выход первого счетчика соединен с первым входом первого сумматора, второй вход которого подключен к выходу второго блока памяти, а выход первого сумматора соединен с информационным входом первого блока памяти, выход которого соединен с информационным входом второго сумматора, выход которого соединен с информационным входом регистра памяти, синхронизирукяций .вход кото рого объединен со входом сброс второго сумматора, со входом второго делителя частоты и с нулевым входом первого триггера и пoдк шчен к выходу первого делителя частоты, выход генератора импульсов соединен со счетным входом вто рого счетчика, с первым входом эле мента И, со входом датчика случайных чисел и с первым управляющим входом первого сумматора, второй управляющий вход которого объе динен с входом сброса второго счет чика и подключен к выходу первого триггера, единичный вход которого объединен с нулевым входом второг триггера и подключен к выкоду пере полнения второго счетчика, информа ционный выход которого соединен с ресным входом второго блока памяти информационный вход которого подключен к выходу датчика случайных чисел, выход второго делителя частоты соединен с единичным входом второго триггера, выход которого соединен со вторым входом элемента выход которого соединен с управляющим входом второго блока памяти. На фиг. 1 приведена блок-схема генератора; на фиг. 2 - виды законо распределения, воспроизводимые гене ратором. Устройство содержит генератор 1 импульсов, первый делитель 2 частот первый счетчик 3, первый сумматор первьой блок 5 памяти, второй сумматор 6, регистр 7 памяти, триггер 8 второй счетчик 9, второй блок 10 памяти, датчик 11 случайных чисел 11, второй делитель 12 частоты и блок 13 управленияJ содержащий триг гер 14 и элемент И 15. Генератор 1 может быть выполнен по любой известной схеме, например на микросхеме 155АГ1 по типовой схеме включения, однако для обеспечения высокой стабильности процесса, формируемого устройством, желательно применить генератор на базе кварцевого резонатора. Делители 2 я 12 частоты содержат входы исходной последовательности и выходы поделенных последовательностей импульсов. Одним из наиболее простых является вариант реализации делителей на интегральных счетчиках 155ИЕ9. Для обеспечения требуемого диапазона задания коэффициента пересчета последовательно соединяются несколь ко счетчиков, выход переноса послед него из них через инвертор соединяется со входом управления запись/счет всех счетчиков. При этом . счетный вход первого счетчш а является входом делителя, выход переноса или старшегоразряда последнего счетчика является выходом делителя. Коэффициент пересчета задается кодом, поступающим на входы задания начального состояния счетчика.° Счетчик 3 содержит счетный вход и выход кода состояния, может быть выполнен на микросхеме счётчиков 155ПЕ5, 155J1E7 и другие. В качестве сумматора 4 может использоваться любой известный комбинационный сумматор { например, 155ИМЗ, 155im3 , содержащий входы переменйых и выход суммы. Блок 5 памяти содержит вход адресов и выход информации. Блок 10 памяти содержит также вход 2 информации и вход 3 управления записью. Блоки памяти могут быть выполнены на интегральных элементах оперативной памяти 155РУ2, 155РУ5 и др. Сумматор 6 накапливающего типа. Можно использовать множество извест.ных вариантов накапливающего cy мaтора. Распространенным вариантом, х который может использоваться в устройстве, является накапливающий сумматор, содержащий комбинационный сумматор и регистр, а также двухвходовой элемент и. Первый вход переменной комбинационного сумматора является первым входом накапливающего сумматора 6, выход кода состояния регистра является выходом накапливающего сумматора 6 и соединен со входом второй переменной комбинационного сумматора, выход суммы которого соединен со входом параллельного приема ицформации регистра..Вход обнуления регистраявляётся при этом входо 2 обнуления накапливакнцего сумматора 6,- входы элемента И являются входами 3 и 4 синхронизации суммирования и- разрешения суммирования сумматора б, выход элемента И соединен со входом синхронизации параллельного приема информации регистра. Накапливающий cyr-iMaTop может быть выполнен на интегральных схемах 155ИМЗ или 155ИПЗ, регистр на элементаХ 155ТМ8 или 155ТМ2, элемент и - 155ЛАЗ. Регистр 7 может быть выполнен на интегральных схемах 155ТМ8 или 155ИР1, содержит вход парал- лельной записи информации 1, вход синхронизации записи 2 и выход кода состояния. Триггера 8 и 14 типа 155ТМ2 содержат входы установки нулевого 1 и единичного 2 состояния и выходы состояния. Элемент И15 - типа 155ЛАЗ.

Счетчик 9 с управляемым коэффициентом пересчета содержит вход 1 синхронизации счета, вход 2 установки начального состояния (или запрещения счета), выход 1 кода состояния и выход 2 сигнала переполнения. Счетчик 9 может быть выполнен на интегральных счетчиках 155ИЕ7, которые содержат все указанные входы и выходы, а также входы задания начального состояния, которые являются в данном случае входом задания коэффициента пересчета.

Блок 13 управления предназначен для выработки сигналов управления записью информации в блок 10 памяти. Его реализация, структура за.висит от применяемых для построения блока 10 памяти элементов, однако наличие триггера 14 является принципиальным для работы устройства, независимо от реализации блока 10 памяти. Применение- предло-. женной структуры блока 13 управления возможно при использовании для построения блока 10 памяти элементов 155РУ2,155РП1 и др., с аналогичной организацией записи. В случае использования элементов с более сложной диаграммой записи, например 188РУ2, необходимо применение более сложного блока управления.

Датчик 11 случайных чисел предназначен для формирования равномерно-распределенных случайных чисел Можно использовать любой известный датчик случайных чисел, обладающий достаточным быстродействием.

I

Работу устройства можно представить как последовательность повторяющихся циклов, на каждом из которых формируется отрезок реализации выходного процесса, представляющий собой сумму отрезков одной периодической функции со случайными началь ными фазами, одновременно изменяющимися в начале цикла. Каждый цикл состоит из Н шагов, на каждом из которых вычисляется один отсчет формируемого процесса путем последовательного суммирования за Г такт отсчетов Г отрезков периодической функции. Отрезки периодической функции, образующие отрезок реализ ии Формируемого процесса назовем наслоениями, а периодическую функцг.ю, из которой они получаются, назозем базовой функцией процесса. Последовательность отсчета задания одного периода базовой функции хранится в блоке 5 памяти. Вычисление суммы отсчетов наслоений, последовательно считываемых на каждом шаге из блока 5 памяти, осуществляется накапливающим сумматором б. Адреса считываемых отсчетов наслоений получаются путем прибавления сумматором 4 к коду номера вьпйслйемого отсчета выходного процесса, поступающего с выхода счетчика 3, кодов начальных фаз наслоений, считываемых из. блока 10, по адресам, последовательно формируемым на каждом шаг счетчиком 9, причем коэффициент пересчета счетчика 9 определяет количество наслоений.

Г

к концу очередного шага вы1исления с выхода сумматора 6 на информационный вход регистра 7 поступает вычисленный код выходного процесса. Триггер 8 находится в единичном состоянии, при этом сигнал с его выхода счетчик 9 устанавливается в исходное состояние и запрещается работа ( изменение состояния ) сумматора б. Следующий шаг вычислений начинается после выработки на выходе делителя 2 частоты импульса, по котрому код выходного процесса с выход сумматора 6 записывается в регистр сумматор б обнуляется, состояние сччика 3 увеличивается на единицу, триггер 8.устанавливается в нулевое .состояние , чем разрешается работа счетчика 9 и накапливающего сумMatopa б. По адресу, определяемому начальным состоянием счетчика 9, из блока 10 памяти считывается код, задающий случайную фазу первого наслоения, который суммируется с кодом состояния счетчика 3, По вычисленному на выходе сумматора 4 адресу из блока 5 памяти считывается код отсчета базовой функции, поступающий на вход накапливающего сумматора б. По вырабатываемому tfa выходе генератора 1 очередному тактовому импульсу считываемый из блока 5 памяти код прибавляется к содержимому накапливающего сумматора б ( нулевому в начале шага вычислений), состояние счетчика 9 уменьшается на единицу. Из блока 10 памяти считывается код, задающий фазу следующего наслоения, из блока 5 памяти считывается новый код, который по импульсу генератора 1 прибавляется к содержимому накапливающего сумматора б. Состояние счетчика 9 последовательно уменьшается до нулевого, в сумматоре 6 накапливается значение выходного процесса как суммы значений базовой функции, являющихся отсчетами наслоений. Вырабатываемый на втором выходе счетчика 9 сигнал переполнёни.я при переходе счетчика через нулевое состояние устанавливает триггер 8 в единичное состояниё, запрещан1дее суммирование и изменение состояния сумматора б, счетчик 9 устанавливается в исходное начальное состояние.

Последовательность описанных шагов повторяется, на каждом шаге состояния счетчика 3 увеличивается на единицу. При этом на -ых тактах последовательно вьтолняе1.1ых шагов считываются последовательно отсчеты базовой функции, по последовательно циклически изменяющимся адресам, равным сумме состояний счетчика 3 и считываемого на i -том такте кода из блока 10 памяти. Т.е. на последовательно выполняемых шагах одного цикла Последовательно считываются и суммируются У наслоеш1й, являющиеся отрезками базовой функции, период которой записан в блоке 5 памяти, с соотношениями фаз, определяемыми кодами, считываемыми из блока 10 памяти.

Смена фаз наслоений происходит при установке триггера 14 в единичное состояние по импульсу с выхода делителя 12 частоты, вырабатываемого по импульсу-делителя 2 частоты в начале некоторого шага вычисления При этом в течение данного шага разрешается прохождение импульсов через элемент И 15, по которым в блоке 10 памяти по последовательно формируемым счетчикам У адресам записываются новые значения фаз, формируемые датчиком 11 равномерно-распределенных случайных чисел чем и обеспечивается задание равномерно распределенных на периоде базовой функции начальных фаз наслоений. Синхронизация схемы случайных чисел на выходе датчика 11 случайных чисел происходит по импульсам с выхода генератора 1 импульсов. После смены в блоке 10 памяти фаз наслоений начинается новый цикл формирования процесса.

Таким Образом, на выходе устройсва формируется процесс, состоящий из склеянных отрезков реализаций представляющих собой отрезков базовой функции со случайными начальными фазами. Причем количество отсчетов отрезков реализаций IN количество шагов одного цикла ) определяется коэффициентом пересчета делителя 12 частоты, количество суммируемых отрезцов базовой функции наслоений) (.V) определяется задаваемым кодом начального состояния (коэффициентом пересчета) счетчика 9, длительность интервала дискретизации формируемого процесса равна произведению длительности периода следвания импульсов генератора 1 на коэффициент пересчета делителя 2 чатоты.

Если в блоке 5 памяти записан период базовой функции, представляющей собой полигармоническую функцию с частотами гармонических функций

кратными частоте первой ( самой низкoчacтoтнoй, функция спектральной плотности мощности формируемого процесса имеет вид

где Д(( - амплитуды гармонических функций;

10 N количество отсчетов через

которые изменяются фазы наслоений,

ду - длительность интервала дискретизации формируемого про15цесса; V - количество гармонических

функций, входящих в базовую функцию;

U; - частота первой гармоничес0кой функции;

Г - количество наслоений. Функция спектральной плотности мощности задается как и в прототипе комбинацией компонентных функций ( S i п X /хЦ причем изменение количест5ва наслоений не влияет на ее форму. Изменение количества наслоений влияет на вид закона распределения, , причем особенно существенно при формировании узкополосных процессов,

0 когда функция спектральной плотности мощности задается одной или несколькими компонентными функциями. В общем случае закон распределения амплитуд формируемого процесса опреде5ляется Y-кратной сверткой закона распределения базовой функции. Так как формируемый процесс представляет собой сумму статически независимыхфункций, происходит нор0мализация его закона распределения. Причем распределение тем ближе к нормальному, чем больше количество наслоений.

5 На фиг. 2 показаны законы распределения амплитуд узкополосного процесса, формируемого устройством, при задании функции спектральной пло;гности мощности одной

компонентной функцией для количества наслоений 1,2,4,10. Законы распределений приведены для нормированных по амплитуде процессов. Случай Г 1 соответствует и известному устройству, с увеличением количества наслоений законы распределения все более вытягиваются при Г 10 распределение амплитуд формируемого процесса практически можно считать нормальным. При задаНИИ функции спектральной плотности мощности двумя компонентными функциями закон распределения можно считать практически широкополосного процесса, когда количество

компонентных функций больше 20 и

все гармонические функции, образующие заданную функцию процесса, имеют нулевые фазы, форма закона распределения процесса, формируемого известным или предложенным устройством при Г 1, бпиз к форме нормального распределения, однако в отличие от нормального имеет подъем на краях и дополнительно ряд перегибов. В данном случае достаточно задание двух наслоений, чтобы обеспечить с высокой точностью соответствие распределения амплитуд нормальному.

При увеличении в формируемом процессе количества наслоений в oL раз, в d раз увеличивается область существования амплитуд формируемого процесса и дисперсия. Если с изменением количества наслоений осуществлять нормализацию процесса по амплитуде, управление количеством наслоений обеспечивает возможность изменения дисперсии процесса без уменьшения области его -существования. Нормализация процесса осуществляется умножением на величину 1/oLзначений амплитуд процесса. Если при изменении количества наслоений осуществлять нормализацию процесса по дисперсии для чего необходимо умноже-ние значений амплитуд на величину -yl/oL , управление количество наслоений позволяет управление границами области существования процесса, бе изменения дисперсии.

В структуре предложенного устроства отсутствует блок нормализации так как его наличие не является принципиальным, реализация данного блока зависит от применения устройства. Если устройство используется в качестве приставки к ЭВМ, обеспечивающей формирование последовательностей кодов случайных процессов при статистическом моделировании, блок нормализации может отсутствовать, нормализация процесса в этом случае осуществляется ЭВМ. При использовании генератора случаных процессов в составе устройства формирующего электрический процесс нормализация может осуществляться регулировкой коэффициента усиления выходного каскада, причем задание коэффициента усиления может производиться как вручную, так и программно . Для выполнения нормализац или масштабирования выходного процесса в обоих.случаях можно применить на выходе устройства цифровой умножитель, например один из умножителей микропроцессорного компонента К1802 на 8, 12 или 1& разрядов в зависимости от требуемой тоности. Нормализация и масштабирование амплитуды выходного процесса может осуществляться путем масштабирования базовой функции процесса, при этом в устройстве rte требуется при любом применении использование отдельного блока нормализации ( масштабирования).

Временная структура процесса-, формируемого предложенным устройством при количестве наслоений, равным либо больше двух, значительно отличается от структуры процесса, формируемого известным устройством При формировании узкополосного процесса, задаваемого одной компонентной функцией, когда в базовую функцию входит одна гармоника, выходной процесс представляет собой последовательность склеянных отрезков гармонической функции не только со случайной фазой, но и со случайной амплитудой. В остальных случаях формирования процессов, когда в базовую функцию входят две и более гармонических функций, форма процесса от отрезка реализации к отрезку случайно изменяются. Если процесс, формируемый известныгл устройством, представляет собой последовательность отрезков одной функции со случайными фазами, проце формируемый предложенным устройством, представляет собой последовательность случайно чередующихся отрезков различных функций.

-Таким образом, предложенное устройство позволяет формирование случайных процессов с управляемыми спектральными и вероятностными характеристиками, что позволяет расширить класс решаемых с помощью предложенного устройства задач и, следовательно, расширить область его применения. При задании соответствующего количества компонентны функций устройство обеспечивает потенциально любую практически требуемую точность воспроизведения произвольной функции спектральной плотности мощности, причем увеличение точности задания спектра не влечет уменьшения быстродействия. Если при формировании процесса количество наслоений не велико, устройство отличается высоким быстродействием, так как для формирования отсчета процесса требуется небольшое количество операций чтения памяти и сложения.

ГЕНЕРАТОР СЛУЧАЙНОГО ПРОЦЕССА, содержащий первый блок памяти, датчик случайных чисел, генератор импульсов, выход которого соединен со входом первого делителя частоты, выход которого соединен со счетным входом первого счетчика, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей генератора за счет обеспечения возможности управлений вероятностными характеристиками формируемых процессов, он содержит второй блок памяти, два сумматора, второй счетчик, второй делитель частоты, два триггера, элемент И и регистр памяти, выход которого является выходом генератора, выход первого счетчика соединен с первым входом первого сумматора, второй вход которого подключен к выходу второго,блока памяти, а выход первого сумматора соединей с информационным входом первого блока памяти, выход которого соединен с информационным входом второго сумматора, выход которого соединен с информационным входом регистра памяти, синхронизирующий вход которого объединен со входом Сброс второго сумматора, со входом второго делителя частоты и с нулевым входом первого триггера и подключен к выходу первого делителя частоты, выход генератора импульсов соединен со счетным входом второго счетчика, с первым входом элемента И, со входом датчика случайных S чисел и с первым управляющим входом (Л второго сумматора, второй управляющий вход которого объединен с входом сброса второго счетчика и под- ключен к выходу первого триггера единичный вход которого объединен с нулевым входом второго триггера и подключен к выходу переполнения второго счетчика, информационный выход, которого соединен с адресным входом второго блока памяти, информационсо кэ ный вход которого подключен к выходу датчика случайных чисел, выход второго делителя частоты соединен с единичным входом второго триггера, 4 выход которого соединен со вторым входом элемента П, выход которого Ф соединен с управляюхцим входом второго блока памяти.