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

двухканального мультиплексора подключены соответственно к выходам.

первого

второго элементов , НЕ.

Г ЕНЕРАТОР СЛУЧАЙНОГО ПРОЦЕССА, содержащий датчик случайных чисел, генератор крсинусоидальных колебаний, три сумматора, два умножителя, группу формирователей интерполяционных ядер, каждый из которых содержит элемент задержки, два масштабирующих элемента, выходы первых масштабирующих элементов всех формирователей интерполяционных ядер группы соединены с соответствуюгдами входами первого сумматора, выход которого соединен с первым входом первого умножителя, второй вход которого является входом косинусоидальной составляющей спектра генератора, выходы вторых масштабирующих элементов всех формирователей интерполяционных ядер группы соединены с соответствующими входами . второго сумматора, выход которого соединен с первым входом второго умножителя, второй вход которого является входом синусоидальной составляющей спектра генератора, выходы первого и второго умножителей соединены соответственно с первым и вторым входами третьего сумматора, выход которого является выходом генератора, отличающийся тем, что, с целью повьппения точности, он содержит генератор синусоидальных колеб лний, а каждый формирователь интерполяционных ядер содержит два элемента НЕ и двухканалЬ ный мультиплексор, выходы первого и второго каналов которого соединены соответственно с входами первого и второго масштабирующих элементов, i-й (,N; 2N - число интерполяционных ядер генератора) выход датчика случайных чисел соединен с первым управлякяцим входом двухканального мультиплексора непосредственно и через элемент задержки - с его вторым управлякнцим входом в i-м форми- , рователе интерполяционных ядер в группе, i-й выход генератора косинусо,идальных колебаний соединен с входом первого элемента НЕ, выход которого соединен с входом первого разряда : первого- канала двухканального мультиплексора i-ro формирователя интерполяционных ядер в группе, i-й выход генератора синусоидальных колебаний соединен с входом второго разряда первого канала и входом первого разряда второго канала двухканального мультиплексора, а также с входом второго элемента НЕ, выход которого соединен с входом третьего разряда первого канала двухканального мультиплексора 1-го формирователя интерполяционных ядер в группе, кроме того, в каждом i-M формирователе интерполяционных ядер в группе вход четвертого разряда первого канала объединен с входом второго разряда второго канала двухканального мультиплексора и входом первого элемента НЕ, входы третьего ;и четвертого разрядов второго канала

1

Изобретение относится к вычислительной технике и предназначено для устройств, осуществляющих синтез моделей узкополосных случайных процессов с заданной спектральной плотноетью.

Известен генератор случайных сигналов с заданной матрицей спектральных плотностей, содержащий первичный источник шума, многоканальный блок формирования ядер спектральной плотности, выполненный на N парал-. лельно включенных селективных фильтрах с квадратом огибающей передаточной характеристики, толодественной по форме спектральной плотности интеполяционного ядра, и частотой настроки, определяющей необходимую сетку частот, блок весовых коэффициентов и сумматор, обеспечивающий сложение сформированных ядер Tl.

Такое устройство не может обеспечить высокой точности формирования спектра и очень чувствительно к дестабилизирующим факторам, особенно в случае формирования процессов, у которых фильтр имеет очень большой показатель добротности, отношение центральной частоты к полосе пропускания.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является генератор случайного процесса, содержащий датчик случайных чисел, генератор косинусоидальных колебаний, три сумматора, два умножителя, группу формирователей интерполяционных ядер, каждьгй из которых содержит элемент задержки, два масштабирующих элемен- та, выходы первых масштабирующих элементов всех формирователей интерполяционных ядер группы соединены с соответствующими входами первого сумматора, выход которого соединен с первым входом первого умножителя, второй вход которого является входом генератора косинусоидальной составляющей спектра, выходы вторых масштабирующих элементов всех формирователей интерполяционных ядер группы соединены с соответствукнцими входами второго сумматора, выход которого соединен с первым входом второго умножителя, второй вход которого является синусоидальной составляющей спектра генератора, выходы первого и второго умножителей соединены соответственно с первым и вторым входами третьего сумматора, выход которого является выходом генератора

Совокупность указанных элементов генератора позволяет повысить точность и стабильность синтезируемых спектральных характеристик сигнала 2 .

Однако модулируемый аналитический шумовой сигнал формируется из вещественной и мнимой частей, причем мнимая часть получается путем рандомизации вещественной части сигнала, получаемого с датчика случайных чисел, и введением дополнительного временного сдвига Т/2. Такие компонеты сигнала не связаны парой преобразования Гильберта и, следовательно, спектральная плотность интерполяционного ядра получается искаженной. Также энергетический спектр узкополосного сигнала получается всегда симметричным относительно частоты локализации.

Цель изобретения - повьштение точности имитации спектра интерполяционного ядра и расширение функциональных возможностей синтезатора путем обеспечения формирования ассиметричного энергетического спектра модели узкополосного случайного процесса.

Для достижения поставленной цели в генератор случайного процесса, содержащий датчик случайных чисел, генератор косинусоидальных колебаний три сумматора, два умножителя, группу формирователей интерполяционных ядер, каждый из которых содержит элемент задержки, два масштабирующих элемента, выходы первых масшта;бирующих элементов всех формирователей интерполяционных ядер группы сое динены с соответствующими входами первого сумматора, выход которого соединен с первым входом первого умножителя, второй вход которого является входом косинусоидальной составляющей спектра генератора, выходы вторых масштабирующих элементов всех формирователей интерполяционньк ядер группы соединены с соответствующими входами второго сумматора, выход которого соединен с первым входом второго умножителя, второй вход которого является входом синусоидальной составляющей спектра генератора, выходы первого и второго умножителей соединены соответственно с первым и вторым входами третьего сумматора, выход которого является выходом генератора, введен генератор синусоидальных колебаний, а в каждый формирователь интерполяционных ядер введены два элемента НЕ и двухканаль ный мультиплексор, выходы первого и второго каналов которого соединены соответстйенно с входами первого и второго масштабирующих элементов, i-й (, N, 2N - число интерполяционных ядер генератора) выход датчи ка случайных чисел соединен с первым управляющим входом двухканального мультиплексора непосредственно и через элемент задержки - с его вто-. рым управляющим входом в i-м формирователе интерполяционных ядер в группе, i-й выход генератора косинусоидальных колебаний соединен с входом первого элемента НЕ, выход ко торого соединен с входом первого раз ряда первого канала двухканального мультиплексора i-ro формирователя интерполяционных ядер в группе, i-й выход генератора синусоидальных коле баний соединен с входом второго разр да первого канала и входом первого разряда второго канала двухканального мультиплексора, а также с входом второго элемента НЕ, выход которого соединен с входом третьего разряда первого канала двухканального мульти плексора i-ro формирователя интерполяционных ядер в группе, кроме того, в каждом i-M формирователе интерполяционных ядер в группе вход четвертого разряда перового канала объединен с входом второго разряда второго ка-, нала двухканального мультиплексора и входом первого элемента НЕ, входы третьего и четвертого разрядов второго канала двухканального мультиплексора подключены соответственно к выхода первого и второго элементов НЕ. На чертеже приведена структурная схема генератора. Генератор содержит группу формирователей 1 интерполяционных ядер, каждый из которых содержит двухканальный мультиплексор 2, масштабирующие элементы 3 и 4, элемент 5 задержки. Генератор содержит также датчик 6 случайных чисел, генератор 7 косинусоидальных колебаний. Формирователи 1 содержат также элементы НЕ 8, а генератор в целом содержит генератор 9 синусоидальных колебаний. Формирователи 1 содержат также элемент НЕ 10, а генератор в целом содержит также сумматоры П-13 и умножители 14 и 15 с входами 16 и 17 соответственно косинусоидальной и синусоидальной составляющих спектра. Генератор работает следующим образом. Датчик 6 случайных чисел генерирует (2N+1) статистически независимых случайных процессов Xj,(iT), принимающих в дискретные моменты времени, кратные Т, значения нуль или единица с вероятностью 0,5. Генератор 7 косинусоидальных функций генерирует (2N+1) сигналов С (t) cos cos , где п - порядковый номер выхода генератора 7. Генератор 9 синусоидальных колебаний генерирует (2N+1) сигналов Sf,(t) sin 2Jnn Y sin где n - порядковый номер выхода генератора 9. Сигналы Cp(t) и S(t) образуют конечную ортогональную тригонометрическую систему функций. Элемент 5 задержки блока 1, формирования сдвигает информацию с п-го выхода датчика 6 на временной сдвиг

Т синхронно с датчиком 6, при этом н входах управления i и (i-1) мультиплексором 2 формируются двухразрядные числа, значения которых определяют, какой из входов мультиплексора 2j, должен бЬггь подключен к его выходу. Примем вход i мультиплексора 2 ), соответствующим младшему разряду числа, тогда при коде управления 00 открывается для прохождения на соответствую1дий выход нулевой вход мультиплексора при коде 01 - первьй вход, при коде 10 второй вход, при коде 11 - третий вход. Так как информационные входы мультиплексора 2 связаны с выходами генераторов 7 и 9 либо непосредственно, либо через элементы 8 и 10 , то на его выходах имеем процесс, в пределах интервала Т которого случайным образом может существовать одна из составляющих

sin пЧ, - sin , cos пЧ, - cos п.

Сформированные процессы после взвешивания в соответствующих элементах 3f, и 4 группируются по четности формируемых спектров и суммируются на сумматорах 11 и 12, причем на выходе сумматора 11 имеем процесс с четной, а на выходе 12 с нечетной симметрией спектра, которые являются составными частями синтезируемого аналитичес1 ого сигнала. .

Если на входе 16 присутствует сигнал тождественно равный cos 2Fft, а на входе 17 - sin , где f частота локализации, то на выходе генератора имеем узкополосный процесс, который описывается выражением

y(t)A(t)cos 2Jfot+B(t)8in2Kfpt,

где A(t), c(p,(t), Эп tt)3 - процесс на выходе суммтора 11;

B(t), dL(t),/5 (t) -процесс на выходе сумматора 12;

g - вес п-й составляющей, определяемый спектральной плотностью синтезируемого процесса и задаваемый элементами 3 ь

) - четная составляющая сигнала интерполяционного спектрального ядра;

(t) - нечетная составляющая сигнала интерполяционного спектрального ядра.

Формирование ) осуществляется путем линейного преобразования сигнала с датчика 6 случайных чисел фильтром с импульсной характеристикой

1 1

1 при im - -J И J

h(m - 2-) О при |т - j ) у ,,

Формирование „(t) осуществляется аналогично, только и тульсная характеристика фильтра имеет вид

1

1 2

-1 при m - у

h (m - у)

О при |т - у , + 1 при .{га-2-,| Y .

Следовательно, можно записать алгоритм формирования п-го интерполяционного сигнала с четной симметрией

ot(t) x(iT)- (iT)

Xj(iT-T))-1, a с нечетной симметрией

/bf,(t)x(iT)- (iT) x(iT)-x(iT-T),

где х.;(1Т) - сигнал с п-го разряда датчика 6, принимающий значения О или 1;

- знак свертки.

Составим таблицу состояний мультиплексора 2 для различных значений сигналов Xj(iT) и x(iT-T), которые поступают на соответствующие входы i и (i-1).

Из таблицы видно, что etf,(t) и (t) не пересекаются, т.е. значащей величине одной из них соответствует нулевое другой. Следовательно, dt(t) и „(t) - функфт взаимно ортогональные.

Из таблицы также видно, что значение на входе весового узла 3, получается как результат преобразован описываемого выражением

otj, (t)co8nV- - Pp(t), 7 а на входе весового узла 4, |Ь(.t) -ci(t) sinnLf . Следовательно, процессы A(t) и B(t) на выходах соответствующих сум маторов t1 и 12 можно представить в виде N A(t) 2r (t)cos n f-«-p(t)sin n B(t) 21 (t)cos пЧ -ci(t)sin Учитывая последующие преобраэова ния компонент A(t) и B(t), на выход синтезатора получим y(t)A(t)cos 2 II fjjt+B(t)sin 2л fgt Л o((t)cos2JT( + n::-N 4./)(t)sin2jf(f 1 Из полученного выражения видно, что любая п-я составляющая синтезированного узкополосного процесса y(t) получается из компонент B(f,(t) и (t), причем каждая из этих составляюпсих формируется согласно табл це мультиплексированием гармонических сигналов с частотой /Т, отличающихся друг от друга фазовым сдви гом, кратным У/2, поозакону, опреде ляемому состояниями входов (i-1) и мультиплексора 2ц. После несложных преобразований и учитывая, что любая п-я пара интерполяционных аналитических сигналов

0-10 -cos nV -J

10+1 sin О

00 -1 0-sin 0 1 -t-l 0 cos пЧ +1

-cos п /sin пЧ 0-sinni

-sin n fcos пЧ +1cosnV

j

sin n /-cos пЧ-1-cos n/

cos n -sin n 0sinn 0 статически незанисимы, можно записать результирующий Спектр сигнала Гвгпл (f-fo- /T)t G(uJ) ifTf ) t j Как видно из выражения, частота локализации определяется значением fд, спектр может быть определен () отсчетами, расположенными один относительно другого на частотном интервале, кратнйм 1/Т, интерполяционное ядро получено из пары составляющих, связанных одна с другой преобразованием Гильберта, при этом спектральная плотность модели узкополосного процесса определяется квадратом весовых коэффициентов g, и может быть ассиметричной относительной частоты fjj, что обеспечивает повышение точности имитации спектра интерполяционного ядра при одновременном расширении функциональных возможностей. Используемый в испытательной аппаратуре генератор случайных сигналов, взятый в качестве базового объекта, имеет сложное управление спектральными характеристиками, т.е. в нем требуется применение сложного математического аппарата для опреде-: ления весов дискретной импульсной характеристики формирующего фильтра путем факторизации спектральной плотности синтезируемой модели. Использование же предлагаембго генератора позволяет существенно упростить подготовительные-вычислительные onefiiaции, тем самым значительно повысить: удобство и-обеспечить оперативное управление спектральными характеристи.ками шума.

cos2f/7f -Нг,--L

I -N

ISin y/f f

Гчл

-M

Xn(iT)

jtiS

(1(Щ

It

y(tl

Выход