Генератор случайного процесса Советский патент 1984 года по МПК G06F7/58 

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано при построении имитационномоделирующей -аппаратуры для решения задач исследования и оптимизации структурно-сложных систем, при создаНИИ автоматизированных систем испытания на вибрационные, акустические электрические и другие воздействия.

Известно устройство, содержащее блок генераторов первичного нормального шума, блок формирующих фильтров суьматор и нелинейный - безынерционный преобразователь, позволяющее формирование случайных процессов с произвольной згшанной спектральной плотностью мощности В фиксированном диапазоне частот С13.

Недостатком устройства является сложность технической реализации за счет множества генераторов первич ного нормального шума и формирующих фильтров, ограниченность частотного диапазона, низкая точность воспроизведения заданной функции спектральной плотности мощности.

Известно также устройство, содержащее блок формирования случайных временных интервалов, блок источников равномерно-распределенных случайных величин, блок источников гармонических сигналов и блок суммирования L21.

Недостатком данного устройства . также является сложность технической реализации за счет множества источни ков случайных величин и гармонических сигналов. Например, если данное устройство использовать для формирования случайного процесса при испытаниях изделий на электродинамическом вибростенде, для обеспечения достаточной точности коррекции амплитудно-частотной характеристики вибростенда количество источников случайных величин.и гармонических сигналов должно быть порядка 400-800„

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является генератор случайного процесса, содержащий генератор импульсов, делитель частоты, датчик случай«ых чисел, счетчик и блок памяти. Указанные блоки соединены последо вательно, второй вход счетчика соединен с выходом генератора импульсов, выход блока памяти является выходом устройства. Работу устройства можно представить как последовательность циклов, на каждом из которых путем последовательного циклического ,чтения информации из блока памяти начиная со случайного в начале цикла адреса, формируется отрезок реализации процесса. Формируемый устройством процесс представляет собой по-следойательность склеенных отрезков

одной периодической функции со случайными начальными фазами. В блок памяти записывается период полигармонической функции с определенными соотношениями амплитуд входящих в нее гармоник. При этом функция спектральной плотности мощности формируемого процесса аппроксимируется композицией компонентных функций (sin х/х), сдвинутых по частоте с равномерным шагом, с равной шириной основных лепестков, с весами, пропорциональными амплитудам соответствующих им гармоник записанной в память полигармснической функции L33.

Недостатком известного устройства является сложность настройки, так как для вычисления полигармонической функции, записываемой в.блок памяти, требуется выполнять большой объем вычислений, простота временной конструкции формируемого процесса - он состоит из отрезков одной функции, в которых повторяются одинаковые фрагменты формы, т.е. процесс обладает малой энтропией (случайностью). Если устройство используется в качестве генератора помех при испытании некоторой интеллектуальной системы, тр система может легче адаптироваться к данному воздействию.

Кроме того устройство характеризуется большой погрешностью задания требуемой функции СПМ в нулевой частоты.

Указанные недостатки сужают область применения устройства, ограничивают его функциональные возможности.

Целью изобретения является повышение точности генератора да упрощения настройки, повышения энтропии и обеспечения возможности управления мощностью в области нулевой частоты.

Для достижения поставленной цели в генератор случайного процесса, содержащий датчик.случайных чисел, счетчик, информационный выход которого соединен с адресным входом первого блока памяти, генератор импульсов, выход которого соединен с входом первого делителя частоты, введены два триггера, второй делитель частоты, регистр памяти, умножитель, коммутатор, сумматор, накапливающий сумматор, два блока памяти и элемент И, выход которого соединен с управляющими .входами накапливающего сумматора и первого блока памяти и со счетным входом счетчика, информационный вькод которого соединен с адресным входом второго блока памяти и с первым входом сумматора, выход которого соединен с адресным входом третьего блока памяти и с первым информационным входом кок 1утатор а

выход которого соединен с информа-ционным входом первого блока памяти, выход которого соединен с вторым входом сумматора, выход генератора импульсовсоединен спервым входом элемента И и с входом датчика случайных чисел, выход которого соединен с вторым информационным входом коммутатора, управляпощий вход которого подключён к единичному выходу первого триггера, единичный вход которого соединен с выходом переполнения счетчика и с нулевым входом второго триггера, единичный выход которого соединен, с вторым входом элемента ИV выход первого делителя частоты соединен с входом обнуления накапливающего сумматора, с синхронизирующим входом регистра памяти, с единичным входом второго триггера и с входом второго делителя частоты выход koToporo соединен с нулевым входом первого триггера, выходы второго и третьего блоков памяти соединены соответственно с первым и вторым входами умножителя, выход которого соединён с информационным входом накапливающего сумматора, выход которого соединен с информационным входом регистра пгиияти, выход которого является выходом генератора

На чертеже приведена структурная схема устройства.

Устройство содержит счетчик 1, блок 2 памяти, сумматор 3, блок 4 памяти, умножитель 5, накапливающий сумматор 6, регистр 7 памяти, генератор 8 импульсов, первый 9 и второ 10 делители частоты, триггер-11, коммутатор 12, датчик 13 случайных чисел, блок 14 памяти и блок 15 управ.ления, в состав которого входит триггер 16 и элемент И 17,

Работу устройства можно представить как последовательность повторяющихся циклов , на каждом из которых формируется отрезок реализации случайного процесса, представляющий собой сумму гармонических функций со случайными фазами, одновременно измняющимися в начале цикла, с частотами, кратными частоте первой (самой низкочастотной) гармоники, с определенными заданными амплитудами. Каждый цикл состоит из N шагов, на каждом из которых за М+1 тактов вычисляется один отсчет формируемого процесса как сумма произведений кодов задания амплитуд (коэффициентов Aj) гармоник, записанных в блок 14 памяти на значения отсчетов гармоник единичной амплитуды. Произведения вычисляются умножителем 5, сума произведений - накапливающим суммйтором 6. Отсчеты гармоник всех кратных частот получаются чтением из блока 4 памяти отсчетов одного

периода синуса, по адресам, формируемым с помощью счетчика 1, блока 2 памяти и сумматора 3 Длительность интервалов дискретизации (АТ) формируемого процесса задается коэффициентом пересчета делителя 9 частоты, количество отсчетов процесса, формируемых на одном цикле (N) -.коэффициентом пересчета делителя 10 частоты, количество гармонических функций,

образующих отрезок реализации (М), коэффициентом пересчета счетчика 1, Равномерно распределенные начальные фазы гармоник формируются датчиком случайных чисел 13.

Очередной шаг вычисления процесса начинается после выработки на выходе делителя 9 частоты импульса, по которому в выходной регистр 7 записывается с выхода суюматора 6 вычисленный на предыдущем шаге отсчёт процесса, сумматор 6 обнуления, триггер 16 блока 15 управления устанавливается в единичное состояние, разрешающее прохождение импульсов через

элемент И 17. К началу шага вычислений счетчик 1 находится в нулевом состоянии. На первом такте из блока 2.памяти из нулевой ячейки, определяемой нулевым состоянием счетчика 1,

считывается код, который без изменения проходит через сумматор 3 на вход адреса блока 4 памяти и через коммутатор 12 - на вход информации блока 2 памяти. Из блока 4 памяти считыва;ется код отсчета синуса и умножается умножителем 5 на значение коэффициента, считываемого из нулевой ячейки блока 14 памяти. По поступ юцему через элемент И 17 Ьчередному импульсу генератора 1, полученное

произведение прибавляете) к содержи.мому сумматора 6 (нул евому в начале цикла), состояние счетчика 1 увеличивается на единицу, содержимое нулевой ячейки не изменяется, так как

на нулевом такте на вход блока памяти поступает без изменения считываемый из нее код. На следующем такте (с номере 1) к считываемому из первой ячейки блока 2 памяти коду

суммат( 3 прибавляется единица. По следУкядему импульсу генератора 1 к содержимому сумматора 6 прибавляется произведение кода, считываемого из блока 4 памяти и из первой ячейки блока 14 памяти, в первую ;ячейку блока 2 памяти записывается новый код, на единицу больше считанного, состояние счетчика увеличивается на единицу.

Описанный процесс идет до техпор, пока счетчик 1 не пройдет последовательность состояний до максимального и на его выходе 2 .не вырабатывается сигнал переполнения, по

которому триггер 16 блока управления устанавливается в нулевое состо яние, запрещающее прохождение состо яний накапливающего сумматора 6, бл ка 2 памяти и счетчика 1, который после перехода через максимальное состояние устанавливается в нулевое Таким образом, на каждом i-м такте к содержимому накапливающего сумматора 6 прибавляется произведение коэффициента, считываемого из i-й ячейки блока памяти, на отсчет сину са, считываемого из блока 4 памяти, по адресу, определенному содержимым i-й ячейки блока 2 памяти, увеличен ному на i. В i-го ячейку блока памят На i-M такте записывается новое чис ло, равное считанному, увеличенному на iо После окончания шага вычисления в сумматоре 6 получается отсчет формируемогопроцесса. На каждом ша ге вычисления содержимое каждой i-й ячейки блока 2 памяти увеличивается на i, i О, м„ При этом на i-ых тактах последовательно выполняемых шагов одного цикла по адресам, циклически изменяющимся с шагом, равным i, считываются отсчеты записанного в блоке 4 памяти периода сину са и умножаются на значение коэффициента, считываемого из i-й ячейки блока 14 памяти, чем и обеспечивает ся формирование отрезков гармоничес ких функций с частотами в i раз большей частоты гармонической функции, формируемой на тактах с номером 1, с амплитудами, равными коэффициентам, записанным в i-ых ячейках блока 14 памяти. Формируемые в режиме разделения времени отрезки гармонических функций суммируются Накапливающим сумматором 6. i Цикл формирования процесса заканчивается после выработки на выходе делителя 10 частоты импульса, по которому триггер 11 устанавливается в единичное состояние, разрешающее на последнем шаге данного цикла прохождение через коммутатор 12 на вход блока 2 памяти информации с .выхода датчика 13 случайных чисел и запрещающее прохождение через коммутатор 12 информации с выхода сумматора 3. При этом на последнем шаге цикла формирования процесса вычисление отсчета процесса происходит аналогично как и на предыдущих шагах однако в блок 2 памяти записываются формируемые датчиком 13 случайных чисел равномерно распределенные случайные числа, чем обеспечивается задание равномерно распределенных случайных фаз гармоник отрезка реализации, формируемого на следующем цикле. Сигналом переполнения счетчика 1, вырабатываемым в конце шага .вычисления, триггер 11 устанавливаеу Cf, в нулевое состояние, в котором находится до поступления следующего импульса с выхода делителя 10 частоты. Таким образом, формируемый предлагаемым устройством случайный процесс, представляет собой последовательность отрезков реализаций, состоящих из суммы гармонических функций с независимыми случайными фаза1ли, при этом отрезки реализации имеют отличающуюся случайную форму. Процесс, формируемый известным устройством/ состоит из отрезков полигармонической функции с групповой случайной фазой гармоник, поэтому от резки реализаций имеют повторяющиеся фрагменты формы. Функции спектральной плотности мощности как в известном, так и в предлагаемом устройствах определяются соотношениемгде М - количество гармонических функций; АК - амплитуды гармонических функций.; N - количество отсчета процесса формируемых на одном цикле; дТ - длительность интервала дискретизации; Ы - частота первой гармонической функции. Частота первой гармонической функции tO( 2Jr/(N4T), где И - количество отсчетов задания периода синуса, записанного в блок 4 памяти, причем М $ N/2o . Для настройки предлагаемого устройства формирования процесса с требуемой функцией СПМ необходимо определить коэффициенты А и параметры М, N, лТ, при которых требуемая функция СПМ оптимально аппроксимируется суммой компонентов функций (1)-. Наиболее просто А ц можно определить при N И, так как в этом случае максимум основного лепестка каждой компонентной функции совпадает с минимумами остальных компонентных функций и коэффициенты Ац можно принять равными значениям функции СПМ в точках t)f( , Полученные значения АК являются для предлагаемого устройства параметрами задания формы функции СПМ и записываются в блок 14 памяти. ДЛЯ настройки известного устройства необходи1и1О также как и для предлагаемохо определить параметры Ац,, М, N, ьТ затем по значениям Aj и М вычислять период полигармонической функции, включающий М гармоник с амплитудами AVC, каждая из которых состоит из N отсчетов. При этом необходимо по сравнению с предлагаемым устройством выполнить дополнительно большой объем вычислений, включающий вычисления синусов, произведений и суммирование, тем больший, чем больше требуется точность воспроизведения требуемых функций СПМ.

В функции СПМ процесса, формируемого известным устройством, отсутствует компонентная функция с нулевой центральной частотой (A(j О), самая низкочастотная компонента имеет в точке (Oi . Это обуславливает провал, в области нулевой частоты и большую погрешность воспроизведения в области частот от О до й)д функций СПМ не равных нулю в области частот, близких к нулевой. В каждом отрезке реализации процесса, генерируемого предлагаемым устройством, присутствует постоянное смещение, формируемое .на нулевых тактах шагов вычисления. Амплитуда смешения равна произведению, коэффициента АО, считываемого из нулевой ячейки блока 14 памяти, на значение одного отсчета синуса, считываемого из бдока 4 памяти и по адресу, считываемому из нулевой ячейки блока 2 памяти. Содержимое нулевой ячейки блока 2 памяти изменяется только при записи в блоке 2 памяти на последних шагах циклов вычислений случайных кодов фаз, поэтому амплитуда постоянного смещения случайно изменяется от цикла к циклу Наличие в отрезках реализации постоянного смещения со случайной амплитудой обуславливает наличие в функции СПМ формируемого процесса компонентной функции с нулевой центральной частотой, что и позволяет управление мощностью вблизи нулевой частоты.,

Рассмотрим случай, когда счетчик 1 уста навливается в начальное нулевое состояние. Если формируется слу чайный процесс, функция СПМ которой равна нулю в области низких частот и m первых коэффициентов л v;. равны нулю, целесообразно считать задание начального состояния счетчика не нулевым, am, при этом исключается на каждом шаге вычислений m перв1лс тактов и следовательно, увеличивается потенциальное быстродействие« Не принципиальным является и направление счета счетчика 1, т,е. можно применить реверсивный счетчик, состояния которого изменяются от максимального к кмнимальному.

Предлагаемое устройство можно использовать также и для формирования регулярных процессов с произвольной формой сигнала на периоде. При этом возможно применение двух способов формирования. Первый - с разложением формы сигнала в ряде Фурье, ри котором устройство формирует поигармонический процесс с произвольными требуенвлми соотношениями амплитуд и фаз гармоник. Амплитуды гармоник заносятся в блок 14 памяти, перед началом работы устройства в блок 2 памяти заносятся начальные фазы гармоник, для обеспечения формирования регулярного процесса необходимо запретить установку в одиночное состояние триггера 11, т.к. запретить занесение в блок 2 памяти случайных кодов. Если задать постоянным состояние счетчика 1 устройство формирует моногармонический процесс, причем состояние счетчика определяет количество отсчетов задания периода гармоники. Второй способ формирования регулярного процесса с прямым заданием форкЫо В блок- 2 памяти записывается последовательность кодов задания Формы .сигнала на периоде, устройство включается в режим, аналогичный формированию

моногармонического процесса.

Из серийно выпускаемых специализированных устройств формирования с.пучайных процессов предлагаемое устройство можно сравнить с генератором случайного процесса установки СУВУЧОСВ, позволяющим формирование случайного процесса с управля- , емой функцией СПМ в диапазоне частот 5-2000 кГц. Предлагаемое устройство позволяет формирование процессов в значительно более i ipoKOM диапазоне (0-1 МГц) (в зависимости от используемой элементной базы) и кроме того позволяет формирование не только случайных, но и периодических процессов. Предлагаемое устройство отличается от генератора установки СУВУ-МСВ приблизительно в 10 раз меньшими габаритами и весом, обеспечивая при этом точность

воспроизведения заданной СПМ в S-10 раз вшг№.

В качестве базового образца для сравнения можно взять ЭВМ СМ-1800 (вариант 50/40), в состав которой входит устройство связи с объектом. Используя алгоритм функциони зования предлагаемого устройства, с помощью данной. ЭВМ можно формировать псевдослучайный процесс со структурой,

-дналогичной структуре процесса, формируамогр предлагаемым устройством. Причем в данном случае оба варианта обеспечивают потенциально одинаковую точность формирования процессов.

Однако формируемый с помощью ЭЮ1 процесс является псевдослучайным и имеет период повторения, при решении задач исследования сложных систем применения псевдослучайных

процессов в ряде случаев недопустимо.

Анализ времени вьтолнения операций ЭВМ СМ-1800 показывает что быстро-, действие ЭВМ при формировании псевдослучайных процессов порядка на четЕфе быстродействия предложенного устройства, выполненного на интегральных схемах ТТЛ серий

Стоимость базового образца составляет 50 тыс.руб, а ориентировочная стоимость предлагаемого устройства 4 тыс.руб Причем предлагаемое устройство отличается от ЭЮ1 СМ-1800 приблизительно в 15 раз меньшими габаритами и весом, и меньшими эксплуатационными затратами.

ГЕНЕРАТОР СЛУЧАЙНОГО ПРОЦЕССА, содержащий датчик случайных чисел, счетчик, информационный выход которого соединен с адресньлм входом первого блока памяти, генератор импульсов, выход которого соединен с входом nepiBoro делителя частоты о тл и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью,-повышения точности, он содержит два триггера, второй делитель частоты, регистр памяти, умножитель, коь 1утатор, сумматор, накапливаюп{ий сумматор, два блока памяти и элемент И, выход которого соединен с управляющими входами накапливающего сумматора и первого блока памяти и со счетным входом счетчика, информационный выход которого соединен с адресным входом второго блока памяти и с п ервым входом сумматора, выход которого соединен с адресным входом третьего блока памяти и с первым информационным входом коммутатора, выход которого соединен с информационным входом первого блока памяти, выход которого соединен с вторым входом сумматора, выход генератора импульсов соединен с первым входом элемента И и с входом датчика случайных чисел, выход которого соединен с вторым информационным входом коммутатора, управляющий вход которого подключен к единичному выходу первого триггера, единичный вход которого соединен с выходом переполненйя счетчика и с нулевым входом вто- g рого триггера, единичный выход кото(Л рого соединен с вторым входом элемен та И, выход первого делителя частоть; соединен с входом обнуления накапливающего сумматора, с синхронизирующим входом регистра памяти, с единичным входом второго триггера и с входом второго делителя частоты, выход которого соединен с нулевым входом первого триггера, выходы второго и третьего блоков памяти соединеа ны соответственно с первым и втбрым входами умножителя, выход которого 00 соединен с информационным входом со накапливакнцего сумматора, выход которого соединен с информационным вхоо: дом регистра памяти, выход которого СУ5 является выходом генератора.

L--. -