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

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть исполь зовано при построении имитационномоделирующей аппаратуры для решения задач исследования и оптимизации структурно-сложных систем для испытаний на вибрационные и другие воздействия. Известно устройство, содержащее блок генераторов первичного нормаль ного шума, блок формирующих фильтров, сумматор И нелинейный безынерционный преобразователь, позволяющее формирование случайного процесса с произвольной функцией спектральной плотности мощности (СПМ) в фикси рованном диапазоне частот Iji . fieдocтaткaми устройства являются сложность технической, реализации за счет множества генераторов первичного нормального шума и формирующих фильтров; ограниченность частотного диапазона; низкая точность воспроизведения заданной функции спектрально плотности мощности. Известно устройство, содержащее генератор случайных чисел, группу генераторов импульсов, группу счетных триггеров и группу элементов И, многовходовую схему ИЛИ, регистр,сумматор, блок памяти, два счетчика и циклический регистр сдвига 2 . Недостатками устройства являются низкое быстродействие, так как один отечет выходного процесса формируется путем последовательного суммирования совокупности коэффициентов, тем большей, чем больше требуется точность;. сложность технической реализации при необходимости обеспечения высокой точности, так как при этом устройство содержит большееколичество генераторов импульсов, триггеров и элементов И, или низкая точность при малых аппаратурных затратах. Наиболее близким к предложенному по технической сущности является генератор случайного процесса, содержащий генератор импульсов, делитель частоты, датчик случайных чисел, счетчик, блок памяти. Указанные блоки соединены последовательно, 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 и информации из блока памяти, йачиная со случайного в начале цикла адреса формируется отрезок реализации процесса. Формируемый устройством процесс представляет собой последовательность склееннызс отрезков одной периодической функции со случайными начальными фазами, В блок памяти записывается период полигармонической функции, представляющий собой сумму гармонических функций с частотами, кратными низкочастотной гармонической функции, и с определенными соотнесениями амплитуд. При этсм функция спектральной плот-. ности мощности формируемого процесса аппроксимируется сумгюй компонентных функций типа Sin х/х )2 с равно шириной основных лепестков, сдвинутых по частоте с равномерньг шaгo, с весами, пропорциональными аг-тлитудам соответствующим им гармоник з. Недостатком устройства является низкая точность воспроизведения заданных функций спектральной плотности мощности. Цель изобретения - повыхиение точности задания функции спектральной плотности мощности формируемого процесса. Поставленная цель достигается тем, что в известный генератор случайного процесса, содержаший генератор импульсов, выход которого соединен с входом - первого делителя частоты, датчик случайных чисел, первый блок памяти, введены второй дели-, тель частоты, два накапливающих сумматора, три блока памяти, три преобразователя код - напряжение и формирователь импульсов, выход которого соединен с входом датчика случайных чисел и первыми управляющими входа1-1и первого и второго накапливающих сумматоров, вторые управляющие входы которых подключены соответственно к выходам первого и второго делителей частоты,, управляющие входы к-оторых подключены соответственно к первому и Второму выходам первого блока памяти, третий и четвертый выходы которого соединены с информационными входами соответственно первого и-второго накапливающих сумматоров, информационные выходы которых, соединены с адресными входами соответственно второго и третьего блоков памяти, выходы которых соединены с информационными входами соответственно первого и второго преобразователей код - напряжение, первый, второй и третий выходы датчика случайных чисел соединены соответственно с адресным входом первого блока памяти, установочным входом первого накапливающего сумматора и адресным входом четвертого блока памяти, выход которого соединен с информационным входом третьего преобразователя код - напряжение, выход которого является выходом генератора, первого преобразователя код - напряжение соединен с управлякядим входом второго преобразователя код - напряжение, выход которого соединен с управляющим входом .третьего преобразователя код - напряжение, выход генератора импульсов соединен с входом второго делителя частоты, выход переноса второго накапливающего сумматора соединен с входом формирователя импульсов. Функция СПМ формируемого процес са аппроксимируется композицией компонентных функций с большей концентрацией мощности в основном лепестке по сравнению с компонентной функцией ( X /х, с произвольной управляемой шириной основного лепес ка и с произвольным управляемым положением центров компонентных функций по оси частот, что позроляет выполнить оптимальную апп рок ситуацию и существенно повысить точность вос произведения произвбльной заданной функции СПМ. На чертеже представлена структур ная схема устройства. Генератор содержит генератор 1 импульсов, первый делитель 2 частот накапливающий сумматор 3, блок 4 памяти, первый 5, второй 6 и третий 7 преобразователи код - напряжение, датчик b случайных чисел, блок 9 па мяти, накапливающий сумматор 10, блок 11 памяти, второй делитель 12 частоты, формирователь 13 импульсов и блок 14 памяти. Генератор 1 импульсов предназначен для формирования опорной последовательности развертки процесса, может быть выполнен на микросхеме 155. АГ 1 по типовой схеме включения для обеспечения высокой стабильнос-ти характеристики формируемого процесса желательно применить генерато на базе кварцевого резонатора. Дели тели частоты 2 и 10 содержат входы исходной последовательности (11 i входы задания коэффициента пересчета (2) н поделенной последовательности, делители частоты могут быть выполнены на микросхемах 589 ХЛ 4, 155 ИЕ 9. Сумматоры 3 и 10 накапливающего типа. Сумматор 3 содержит выходы синхронизации суммирования (1), аргумента (2), задания кода начально.го состояния (3), синхронизации установки начального состояния (4) и выход суммы. Сумматор 10 содержит выход (1) , выход сигнала пере полнения (2) и входы аргумента Cl) / синхронизации суммирования (2) и установки нулевого состояния. Одним из вариантов сумматора 10 является накапливающий сумматор, со держащий комбинационный сумматор и регистр, вход первой переменной ксм бинационного сумматора является входом аргумента накапливающего сум матора, выход соединен с входом параллельной записи информации регистра, выход которого соединен с вторым входом комбинационного сумматора и является выходом накапливающего сумматора , вход синхронизации регистра является входом синхронизации суммирования, а вход обнуления регистра входом обнуления накапливающего сумматора . Комбинационный сумматор может быть выполнен на микросхемах 155 ИМ 3, 155 ИП 3, регистр 155 ТМ 2, 155 ТМ 8. Наксшливающий сумматор 3 содержит вход начальной установки в произвольное состояние, в качестве которого может быть использован описанны выше накапливающий сумматор при условии использования регистра с установочными разрядами R- и 5 -входами (на микросхемах 155 ТМ 2) . При этом накапливающий сумматор 3 дополнительно содержит схему управления записью информации в регистр, соединяемую с R - и 5-входами. Каждый разряд схемы управч ления записью содержит два двухвходовых элемента И-НЕ, первые входы первых элементов И-НЕ являются входом задания начального состояния накапливающего сумматора, выходы первых элементов И-НЕ соединены с первыми входами вторых элементов И-НЕ и сS-входами .триггеров регистра, выходы вторых элементов И-НЕ соединены с R -входами триггеров регистра, вторые входы всех элементов И-НЕ соединены и являются входом синхронизации записи начального состояния накапливающего сумматора. Для пост« роения схемы управления записью можно использовать микросхемы 155 ЛА 3. Блоки памяти 4, 9, 11 и 14 содержат входы адреса и выходы информации (состояние блоков пг1мяти во время формирования процесса не измёняется, цоэтому входы записи информации не показаны) и могут быть выполнены на микросхемах памяти 155 РУ 2, 541 РУ 1 и др. Преобразователь код - напряжение 5 содержит вход преобразуемого кода и выход напряжения. Преобразователи код - напряжение 6 и 7 помимо выхода и входов 2 кодов содержат входы 1 опорного напряжения. Для построения преобразователей код напряжение существует ряд интегральных преобразователей и операционных усилителей различного быстродействия и точности, например интегральные схемы 572 ПА 1 и 544 УД 1, включенные по типовой схеме. Формирователь импульсов 13 гГредназначен для выработки импульса по возникнованию на выходе;сумматора 10 сигнала переполнения, может быть выполнен на микросхеме 155 АГ 3. Датчик случайных чисел 8 предназ начен для формирования трех потоков случайных чисел; слу 1айные числа по входу 2 равномерно распределены, чусла, поступающие на вьоходы 1 и 3, имеют распределения, вычисляемые исходя из требуемых характеристик формируемого процесса, В качестве датчика случайных чисел может быть использовано устройство, позволяющее формирование множества потоков случайных чисел с произвольными требуемыми законами распределения. Сущность генерации предложенным устройством случайного процесса заключается в формировании примыкающих отрезков гармонических функций с огибающей произвольной требуемой формы, со случайно изменяющейся от отрезка к отрезку начальной фазой, частотой, длительностью и амг1литудой Формирование отрезка гармонической функции осуществляется путем преоб разования в напряжение электрического сигнала преобразователем 5 циклически считываемой из блока памяти 4 последовательности кодов, описывающих один период синуса. Длительность периода дискретизации формиру мого отрезка определяется длительно стью периода следования на выходе делителя частоты 2 Линейно-цикличе ки изменяющиеся адреса чтения отсче тов гармонической функции формируют ся накапливающим сумматором 3путем суммирования постоянного в течение длительности отрезка гармонической функции числа. Задание случайной начальной фазы отрезка гармонической функци ; осуществляется записью в начале формирования отрезка в сумматор 3 случайного числа. С помощью преобразователя б осуществляется модуляция отрезка гармонической функ ции последовательностью кодов огибаю щей, записанной в блоке памяти 11, адреса чтения блока памяти линейно изменяются с постоянным шагом для каждого формируемого отрезка гармони ческой функции и формируется сумматором 10, причем частота смены адресов определяется частотой следования импульсов На выходе делителя частоты 12. С помощью преобразователя код напряжение 7 осуществляется формирование случайной от отрезка к отрезку амплитуды, пpoпopциoнaJ1ьнoй -считывае мым по случайным адресам кодам из блока памяти 14.. Формирование нового отрезка начинается после выработки формирователе 13 импульса, по которому в накаплиБающий сумматор 3-записывается случайное равномерно распределенное чис ло с выхода 2 датчика случайных чисел 8, чем обеспечивается задание случайной равномерно распределенной Начальной фазы, сумматор 10 устанав-. ливается в нулевое состояние, на выходы 1 и 3 датчика случайных чисел поступает пара новых случайных чисел. Из блока памяти 9 по адресу, определяемому кодом случайного числа с выхода 1 датчика случайных чисел 8, считываются четыре кода. Коды с выходов 3 и 4 определяют частоту и шаг изменения адресов чтения отсчетов синуса КЗ блока памяти 4 и, следовательно, частоту Qj, формируемого отрезка гармонической функции. По последовательно циклически считываемой начиная со случайгюго адреса последовательности кодов из блока памяти 4 на выходе преобразователя код - напряжение 5 фоЕХ- ируется электрический сигнал отрезка гармонической функции, поступающей на вход 1 опорного напряненкя преобразователя код - напряжение б. Коды с выходов 1 h 2 блока памяти 9 определяют шаг И меьения и длт-гтельность интервалоЕ кзмеьения адресов чтения из блока памяти 11 кодов огибающей. Коды из блока памяти 11 поступают на вход 2 преобразователя код - напряжение б, на выходе преобразователя б по.тгучается сигнал, поступающий на вход 1 опорного напряжения с амплитудой г пропорциональной коду на входе 2. Коды из блока памяти 11 читаются последовательно начиная с нулевой ячейки с момента начала формирования отрезка гармонической функции по линейно изменяющимся с постоянным шагом адресам, при зтогл на выходе преобразователя код - напряж«;ние б формируется отрезок гармонической функции с огибающей амплитуды, определяемой последовательностью кодов, записываемой в блок памяти 11. Сигнал с выхода преобразователя код - напряжение 6 проходит на выход устройства через преобразователь код - напряжение 7 с амплитудой, пропорциональной считываемому из блока 14 коду по постоянному для данного отрезка адресу, но случайно изменяющемуся от отрезка к отрезку. Формированиеотрезка гармонической функции заканчивается после прохозкдения сумматором 10 . ,последовательности состояний от нулевого до максимального и выработки на его входе 2 сигнала переполнения, по Koropor/iy формирователь ИМПУЛЬСОВ 13 вьорабатывает новый импульс, запускающий, устройство на генерацию следующего отрезка. Частота а, , связаннаяс ней длительность Tj; отрезков гармонических функций, принимают И произвольных требуемых значений, задаваемых записанными в блок памяти 9 кодами, с вероятностями, определяеь1ыми законом распределения чисел на выходе 1 да чика случайных чисел 8. ,), .м°, ,Mn .где Ц - количество отсчетов задания периода синуса, записанного в блок памяти 4 (емкость блока памяти 4) шаг изменения адресов чтения отсчетов синуса при .фор мировании k-го отрезка гарJ. монической функции; iiT - интервал дискретизации k -го отрезка гармонической функуо количество отсчетов задания огибающей функции (емкость блока памяти 11,) ; iK|4 - шаг изменения адресов чтен отсчетов огибающей функции при формировании k-го отре ка гармонической функции; &Тц - интервал изменения адресо чтения отсчетов огибающей функции при формировании k-ro отрезка гармонической функции; М - емкость блока памяти 9. Пиковая амплитуда отрезков гармо нических функций принимает L произ вольных значений, задаваемых кодам записанными в блок пш1яти 14 (Lобъем блока памяти 14), с вероятно тями, определяемыми законом распре деления чисел на выходе 3 датчика случайных чисел 8. Каждому отрезку гармонической функции с частотой СО) и длительностью Т), появляющемуся в формируемом процессе с вероятностью Р|, в спектральной области соответствует компонентная функция, форма которой определяется преобразованием Фурье огибающей функции отрезка, положение на оси частот - частотой со , ширина - длительностью Тк, амплитуда (вес) - вероятностью Рц и диспер сией аглплитуды D д отрезка гармони ческой функции. Огибающая функция вьщеляет из непрерывного сигнала отрезок гармонической функции в соответствии с принятой в теории спектрального анализа и цифровой фильтрации терминологией, огибающая функция называется временным окном причем в предложенном устройстве также можно успешно использовать . хорошо изученные в теории спектраль ного анализа и цифровой фильтрации окна Вартлета, Парзена и др. При этом компонентные функции, аппрокси мирующие функции СПМ формируемого процесса, имеют главный лепесток с большой концентрацией мощности и множество боковых лепестков о небольшой быстро убывающей амплитудой. Можно применять и прямоугольное окно (т.е. во все ячейки блока памяти 11 записывается постоянный код). При этом аппроксимирующая компонентная функция имеет вид (sinx/x), функция СПМ формируемого процесса определяется соотношением (,и)-ик QM - Cu-coni .-,ьТ. лТ, , Множитель|5| 1 I Л, Обусловлен эффектом дискретизации формируемого процесса. Функция ( ein х /х) имеет боковые лепестки с достаточно большой медленно спадающей амплитудой, амплитуда первого бокового лепестка составляет 4,7% от амплитуды главного лепестка. Если применять одно из простейших окон - треугольное , компонентная аппроксимирующая фнукция имеет вид (sin х/х ) , функция СПМ процесса определяется соотношениемQit) т Компонентная функция 9 п /х) отличается от С gill X /-х)2 значительно большей скоростью убывания амплитуды боковых лепестков и большей концентрацией мощности в основном лепестке. Применение окон, обеспечивающих высокую концентрацию мощности в основном лепестке аппроксимирующей функции, дает наиболее ощутимый результат повьлления точности воспроизведения функций СПМ сложной конструкции,, содержащих высокодобротные всплески и провалы. При плавных функцияхСПМ большую точность аппроксимации можно получить при применении прямоугольного окна. Предложенное устройство позволяет формирование не только сл чайных, но и регулярных процессов с произвольной формой сигнала на периоде повторения, для чего необходимо запретить работу датчика случайных чисел 8. Для формирования чистого гармонического процесса в данном случае в блоке памяти 4 должен быть записан период синуса, а в блоке памяти 11 - постоянный код. В блок памяти 11 можно записать любую требуемую последовательность кодов, поэтому устройство может формировать гаЕ 1Онический сигнал с амплитудной модуляцией любой требуемой периодической функцией. Для формирования периодического процесса с произвольной формой сигнала на периоде последовательность отсчетов задания период сигнала записывается в блок памяти 4 или 11, при этом с выхода другого блока памяти во формирования процесса должен поступать постоянньй код, что обеспечивается, например, записью во все ячейки постоянного числа. Предложенное устройство обеспечи иает высокую точность воспроизведения произвольных функций спектральных плоскостей мощности, особенно при необходимости фор ирования процессов с наличием в функции СПМ высокодобротных всплесков и провалов, Б последнем случае плавные участки функции СПМ аппроксимируются компонентными функциями с большой шириной основного лепестка, участки, содержащие всплески и провалы, аппроксимируются компонентными функциями с узкой полосой, прич&м,чем больше добротность всплеска или iTpoBana, тем уже задается ширина .ос иовного лепестка аппроксимирующих компонентных функций. В устройствепрототипе аппроксимация функций СПМ осуществляется композицией компонентных функций с постоянными сог отношениями ширины их ф)агментов, Концентрирующих основную мощность. Поэтому, например, устройство-прототип не позволяет формирование случайных процессов с всплесками, и провалами в спектре с добротностью, большей добротности основных лепест ков соответствующих аппроксимирующих функций (-sin Х/х)2 . Кроме того, вследствие достаточно большой концентрации мощности в боковых лепест ках, формирование процессов с высоквдобротными провалами в спектре прототипом затруднительно В предло женном устройстве в данном случае возможно применение временного окна дающего компонентные функции высоко прямоугольности и концентрации мощн ти в основном лепестке. Возможность задания в предложенном устоойстве как длительности интервала дискрети э-ацииу так и шага изменения адресов чтения отсчетов гармонической функции обеспечивает высокую точность задания значений частот отрезков га ионических функций и, следовательно ,центра/1ьных частот компонентных фун ций,что особенно существенно в обл ласти высоких частот; в предложенно устройстве можно выбирать значения ЛТ и lJ , обеспечивающие наиболь.шую точность задания соц . Аналогично, с целью повышения точности задания длительностей oipesKOB гармонических .функций в предложенном уст ройстве управляются.частота и шаг изменения адресов чтения отсчетов окна. Предложенное устройство обеспечивает возможность независимого задания спектральных характеристик и закона распределения амплитуд гармоник или закона распределения мгновенных значений процесса. Обеспечение возможности задания требуемых спе.ктральных и вероятностных -характеристик обусловливает высокую адекватность формиЕ уемых воздействий при исследовании реальных объектов реальными воздействиями, что повыьчает точность и достоверность получаегт ж пои мсделировании или испытаниях результатов. Пре дложенный генератор обладает высоким быстродействием. На один формируемый отсчет выходного процесса тре;буется выполнения одной операции чтения аамяти. Устройство ПОЗБОляет формирование случайных проиэссов в широком диапазоне частот с большой шириной спектра. Пс c.pi 3нению с серийно выпускаемыми генераторами, например с генератором случайных процессов установки CiBy-ШСВЗ, предложенный обладает всеми преимуществами, изложенными выше.,r iepaTop случайных процессов установки СУВУ-ШСВЗ содержит 120 формирующих фильтров с фиксированными амплитудно-частотными характеристиками, при этом нельзя формировать процессы с провалами и всплесками в спектре с шириной, меньшей ширины полосы пропускания соответствующих фильтров. Кроме того, диапазон частот установки СУВУ-ШСВЗ 5 Гц - 2 кГц, установка не позволяет изменения закона распределения формируемого процесса. Генератор у.становки СУВУ-ПСВЗ имеет вес и габариты приблизительно в 10 раз больш«э предложенного генератора. В качестве базового образца принята мини-ЭВМ СМ 1800 вариант СМ 50/40, в состав которой входит преобразователь код - напряжение. С помощью данной ЭВМ можно формировать псевдослучайный процесс, используя алгоритм функционирования предложенного устройства. При этом и базовый образец и предложенное устройство обладают одинаковой точностью. Однако при программной реализации частота форгдаруемого ЭВМ процесса значительно меньше по срав.нению с частотой процесса, форютруемого предложенным устройством ( в 40-50 раз). Стоимость данного варианта ЭВМ СМ 1800 50 тыс.руб., ориентировочная стоимость предложенного устройства 4 тыс. руб. Применение данного генератора случайных процессов в составе автоматизированных испытательных систем и имитационно-моделирующих ксмплексов расширяет класс задач, peiuaeMtJx в реальном масштабе времени, управляющая ЭВМ системы комплекса освобождается от решения задачи Формирования случайных процессов и может выполнять в это время ряд других действий, связанных с решаемой задачей .

ГЕНЕРАТОР СЛУЧАЙНОГО ПРОЦЕССА, содержащий генератор импульсов, выход которого соединен с входом первого делителя, частоты, датчик случайных чисел, первый блок памяти, от-личающийсятем, что, с целью повышения точности, он содерхшт второй делитель частоты, два накапливающих сумматора, три блока памяти, три преобразователя код-напрякение и формирователь импульсов, выход которого соединен с входом датчика случайных чисел и первыми управляющими входа ми первого и второго накапливающих сумматоров, вторые управляющие входы которых подключены соответственно к выходам первого и второго делителей частоты, управляющие входы которых подключены соответственно к первому и второму выходам первого блока памяти, третий и четвертый . выходы которого соединены с информационными входами соответственно первогои второго накапливающих сумматоров , информационный выходы которых соединены с адресными входами соответственно второго и третьего блоков памяти, выходь которых соединены с информационными входами соответственно первого и второго преобразователей код-напряжение, первый, второй и третий выходы датчика случайных чисел соединены соответственно с адресным входом первого блока пагляти f установочным входом первого накапливающего сумма(Л тора и адресным входом четвертого блока памяти, выход которого соединен с информационным входом третьего преобразователя код-напряжение, выход которого является выходом генератора, выход первого преобразователя код-напряжение соединен с управляющим входом второго преобразователя код-напряжение, выход которого соединен с управляющим дом третьего преобразователя коднапряжение, выход генератора имм пульсов соединен с входом второго ы делителя частоты, выход переноса второго накапливающего сумматора соединен с входом формирователя им4. пульсов.