Генератор случайных двоичных чисел Советский патент 1983 года по МПК G06F7/58 

3ntut

ASouvmtt число ФигЛ

2, Генератор по п. 1, отличающийся тем, что равновероятностный двухполюсник содержит высокочастотный генератор импульсов, триггер и два элемента И, первые входы которых объединены между собой и являются входом двухполюсника, первым

и вторым выходами которого являются выходы соответственно первого и второго элементов И, вторые входы которых подключены соответственно к прямому и инверсному выходам триггера, счетный вход которого подключен к выходу высокочастотного генератора импульсов.

1. ГЕНЕРАТОР СЛУЧАЙНЫХ ДВОИЧНЫХ ЧИСЕЛ, содержащий датчик пауссоновского потока импульсов, выход которого соединен с первым входом первого элемента И, счетчик, выходы разрядов которого соединены с первыми входами соответствующих элементов И группы, выходы которых являются разрядными выходами генератора, а вторые входы элементов И-группы объединены между собой и подключены к выходу Опрос генератора, о тли чающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей генератфра путем получения нормсшьного распределения с регулируемым среднеквадратическим отклонением, он содержит равновероятностный двухполюсник, элемент НЕ и второй элемент И, выход первого элемента И соединен с входом равнрвероятностного двухполюсника, первый выход которого соединен со счетным входом счетчика, а второй выход вероятностного двухполюсника соединен с входом делителя частоты, выход переноса которого соединен с входом Установка S счетчика, а выход первого разряда делителя частоты соединен с первым (Л входом второго элемента И, выход которого является знаковым выходом генератора, второй вход второго элемента И подключен к входу Опрос генератора и к входу элемента НЕ, выход которого соединен с ёторым вхо дом первого элемента И.

Изобретение относится к вычисли|тельной технике и может быть исполь зовано для создания простых по устройству датчиков нормально распреде ленных двоичных чисел с нулевымматематическим ожиданием и управляемы среднеквадратическим отклонением. Иэ-тзестен генератор случайных чисел, содержащий датчик случайных ра номерно распределенных чисел, запом нающее устройство, в которое записы ваются параметры аппроксимации моде лируемой функции распределения, и устройства сравнения и управления m Генератор характеризуется слож костью, обусловленной использование громоздких запоминающих устройств, и необходимостью настройки на требу мый закон распределения при обязательном контроле чисел. Известен также генератор случайных чисел, использующий свойства центральной теоремы теории вероятно сти при получении случайных чисел с гауссовым (нормальным) распределе нием и содержащий два сдвиговых регистра, накопительное устройство, сумматор, схемы разноименности, устройство управления 2 . Однако этот генератор также характеризуется сложностью и большим объемом электронного оборудования. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является генератор случайных чисел, использующий пересчет случайных импульсов за регуляр ный интервал времени и содержащий датчик случайного потока импульсов, выход которого через элемент И соединен со счетным входомm-разрядного двоичного счетчика, разрядные выходы которого соединены соответственно с информационными входами элементов И группы, выходы которых являются разрядными выходами генератора, а управляющие входы объединены с шиной Опрос генератора З Недостатком этого генератора явл9 ются ограниченные функциональные возможности, так как удается получать только равномерно распределенные числа независимо от модели случайного потока (закона распределения) импульсов. Причиной этому является то обстоятельство, что при квантовании любой случайной величины остаток имеет равномерное распределение в пределах интервала квантования. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей путем получения нормально распределенных чисел с нулевым математическим ожиданием и регулируемым среднеквадратическим отклонением. Для достижения поставленной цели в генератор сл5«чайных двоичных чисел, содержащий датчик пуассоновского потока импульсов, выход которого соединен с первым входом первого элемента И, счетчик, выходы разрядоШ которого соединены с первыми входами соответствующих элементов И группы, выходы которых являются разрядными выходами генератора, а вто,рые входы элементов И группы объединены между собой и подключены к входу Опрос генератора, введены равновероятностный двухполюсник, элемент НЕ и второй элемент И, выход первого элемента И соединен с входом равновероятностного двухполюсника, первый выход которого соединен со счетным входом счетчика, а второй выход вероятностного двухполюсника соединен с входом делителя частоты, выход переноса которого соединен с входом Установка счетчика, а выход первого разряда делителя частоты соединен с первым входом второго элемента И, выход которого является знаковым выходом генератора, второй вход второго элемента И подключен к входу Опрос и к входу эле1 1ента НЕ, выход которого соединен с вторым входом первого элемента И. Кроме того, равновероятностный двухполюсник содержит высокочастотный генератор импульсов, триггер и два элемента И, первые входы которых объединены между собой и являются входом двухполюсника, первым и вторым выходами которого являются выходы соответственно первого и вто рого элементов И, вторые входы кото рых подключены соответственно к пря мому и инверсному выходам триггера, счетный вход которого подключен к выходу высокочастотного генератора импульсов. На фиг. 1 приведена структурная схема генератора; на фиг. 2 - граф состояний марковской подсистемы счетчик - делитель частоты; на фиг. 3 - распределение случайных чи сел при К а 8,9. Генератор случайных чисел содержит датчик 1 пуассоновского потока импульсов, элемент НЕ 2, первый эле мент И 3, равновероятностный двухполюсник 4, делитель 5 частоты, счетчик 6, второй элемент И 7, груп пу элементов И 8. Кроме того, равновероятностный двухполюсник 4 содержит высокочасто ный генератор 9 импульсов, триггер 10 и два элемента И 11, 12. В предложенном генераторе для фо мирования двоичных чисел с нормальным распределение используется дис ретная подсистема счет-чик - делитель частоты с конечным числом со стояний, находящаяся под воздействием двух независимых пуассоновских потоков импульсов с равными интенсивностями. При выполнении условия 8(К41) 0,4 N (где K-t-l - коэффициент деления делителя частоты; N емкость счетчика) безусловные вероя ности P(t (п) возможных состояний сче чика п о, N - 1 имеют распределение, приближающееся при возрастании К к одностороннему нормальному распреде лению. Симметрирование чисел осуществляется умножением их на ±1 с вер ятностями ) (-) 0,5. Генератор работает следующим образом. В отсутствие импульса опроса элемент и 3 открыт и импульсы датчика поступают на вход равновероятностного двухполюсника 4, с помощью которого пуассоновский поток импульсов датчика 1 разделяется на два независимых пуассоновских потока с равными интенсивностями. Для этой цели часто та переключений триггера 10, определяемая частотой 1 у,, генератора 9, устанавливается на один порядок выше интенсивности Яо датчика 1. lr-, При выполнении у словия (1) в двух полюснике 4 реализуется независимое поимпульсное разделение потока на Ъо . два равных потока 1{, являю щееся основным условием сохранения пуасс.оновской модели потоков и исключения коррелированности потоков на выходах двухполюсника 4. Кс1ждый импульс потока с выхода элемента 11 увеличивает состояние счетчика 6 на единицу. Импульсы с выхода элемента И 12 увеличивают состояние делителя 5 частоты, и каждый (К-И)-й импульс производит сброс содержимого счетчика б в О . Импульсы опроса генератора, проходя через элемент НЕ 2, отключают датчик 1 и одновременно опрашивают с помощью группы элементов И 8 текущее состояние счетчика 6. Знак числа задается равновероятностным состоянием младв11его разряда делителя 5 частоты. Безусловные вероятности Р(п) состояний n-tiO, N-1 счетчика 6 определяется по формуле ..), (.) lm-n)n При возрастании К § и М - си огибающая закона (2) распределения вероятностей Р(п) приближается к кривой нормального распределения, взятой по модулю, со среднеквадратическим (KM) отклонением скольку область существования случайных нормально распределенных чисел определяется границами i 3d, то необходимая емкость N счетчика 6 составляет N S; id « 2,5 ( К 1) , Интенсивность д датчика 1 пуассоновского потока импульсов не влияет на закон распределения формируемых чисел, что позволяет отнести предложенный генератор к числу устройств, моделирующих устойчивые предельные распределения при небольшом объеме электронного оборудования. Для формирования последоват ельности независимых случайных чисел с нормальным распределением период опроса генератора должен превышать величинугде Яо - интенсивность датчика 1. Из (3) следует, что время, затрачиваемое генератором на формирование одного случайного числа из генеральЫой совокупности с дисперсией б2- 0,85(К41)Р г 100, (К 11), составляет при Я г 10 имп/с ке более одной мс. Это время не превышает времени имитации нормального числ-ч на ЭВМ.

Опытная проверка лабораторного макета генератора двоичных чисел с нормальным распределением подтвердила его работоспособность при незначительном по сравнению с прототипом увеличении (на 50%) объема электронного 5 оборудования. Для генератора с 10 сз 100 требуется 12-15 интегральных микрорхем 133 серии.

Преимуществом предложенного гене ратора по сравнению с прототипом 0 является то, что при сохранении простоты реализации, малых аппаратурных затратах он позволяет формировать нормально распределенные двоичные числа с заданным среднеквадратическим отклонением, которое может изменяться в широких пределах. Названные достоинства генератора сушественно расширяют его функциональные возможности и обеспечивают широкий спектр его применений в технике аппаратурного вероятностного моделирования.