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

выход генератора импульсов соединен со счетным входом первого делителя частоты, с входом Опрос датчика случайных чисел, с входом синхронизации регистра сдвига и с первым входом элемента И, второй вход которого соединен с выходом регистра сдвига, вход Запись которого соединен с

13800

единичным выходом триггера блока управления, нулевой вход которого соединен с выходом переполнения первого счетчика, выход первого делителя частоты соединен с единичным входом триггера блока управления и с установочным вхо. дом регистра сдвига.

ГЕНЕРАТОР СЛУЧАЙНОГО ПРОЦЕССА, содержащий генератор импульсов, первый и второй делители частоты, первый сумматор, первый блок памяти, второй сумматор, вход аргумента которого ; соединен с выходом первого блока памяти, первый регистр памяти, информационньш вход которого соединен с выходом второго сумматора, а выход первого регистра памяти является выходом генератора, триггер, вход синхронизации которого объединен с входрм обнуления второго сумматора, с входом синхронизации записи первого регистра памяти, со счетным входом второго делителя частоты и соединен с выходом первого делителя частоты, первый и второй счетчики, второй блок памяти, адресный вход которого соединен с выходом кода состояния первого счетчика, а выход второго блока памяти соединен с первым входом первого сумматора, датчик случайных чисел, выход которого соединен с информационным входом второго блока памяти, блок управления, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, он содержит второй и третий регистры памяти, третий и четвертый сумматоры и схему сравнения, причем выход второго регистра памяти соединен с входом аргумента третьего сумматора, вход синхронизации суммирования которого соединен с выходом первого делителя частоты, а выход третьего сумматора соединен с вторым входом первого сумматора, выход старшего разряда первого сумматора соединен с входами уп- равления второго и четвертого сумматоров, а вьпсоды остальных разрядов первого сумматора соединены с входом аргумента четвертого сумматора, выход (Л которого соединен с адресным входом первого блока памяти, выход третьего регистра памяти соединен с входами задания коэффициентов пересчета первого и второго счетчиков, выход JBTO- рого делителя частоты соединен с информационным входом триггера и со счетным входом второго счетчика, выход кода состояния которого соединен с первым входом схемы сравнения, втосо рой вход которой соединен с выходом 00 кода состояния первого счетчика, вход стробирования схемы сравнения соединен с выходом триггера, а выход схемы сравнения соединен с входом управления записью второго блока памяти, выход блока управления соединен с входом синхронизации второго сумматора и со счетным входом первого счетчика, а блок управления содержит триггер, регистр сдвига и элемент И, выход которого соединен с входом синхронизации суммирования второго сумматора и со счетным входом первого счетчика.

1 Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано при построений имитационномоделирующей аппаратуры Для решения задач исследования и оптимизации структурно сложных систем при создании автоматизированных систем испыта ния на вибрационные, акустические, электрические и другие воздействия. Известно устройство, содержащее блок формирования случайных временны интервалов, блок источников равномер но распределенных случайных величин, блок источников гармонических сугналов и блок суммирования П. Недостатком данного устройства является сложность технической реализации за счет множества источников случайных величин и гармонических -. сигналов, а при малых аппаратурных затратах - низкая точность. Так, например, если данное устройство ис-, пользовать -для формирования случайно го процесса при испытаниях изделий на вибрацию на электродинамическом стенде, для обеспечения достаточной точности коррекции амплитудно-частот ной характеристики вибростенда количество источников случайных величин и гармонических сигналов должно быть порядка 400-800. Известно устройство, содержащее генератор И11шульсов, делитель частот датчик случайных чисел и блок памяти f2. Недостатки устройства - низкая то ность и ограниченные функциональные возможности: устройство не позволяет формировать гауссовые узкополосные процессы. Наиболее близким к изобретению по технической сущности является генератор случайного процесса, содержащий последовательно соединенные генератор импульсов, первый делитель частоты, первый счетчик, первый сумматор, первый блок памяти, второй сумматор и регистр, виход которого является выходом устройства, второй делитель частоты и триггер, входы которых объединены с входами регистра и второго сумматора и соединены с выходом первого делителя частоты, второй счетчик, первый вход которого объединен с третьим входом второго сумматора и соединен с выходом триггера, второй блок памяти, первый вход которого соединен с Первым выходом второго счетчика, а выход - с вторым входом первого сумматора,, датчик случ айных чисел, выход которого соединен с вторым входом блока памяти, блок управления, первый вход которого объединен с входом датчика случайных чисел, с вторым входом второго счетчика, с -четвертым входом второго сумматора и соединен с выходом генератора импульсов, второй вход объединен с вторым входом триггера и соединен с вторым выходом второго счетчика, третий вход соединен с выходом второго делителя частоты, а выход - с третьим входом блока памяти з. Устройство формирует случайный процесс, состоящий из склеенных отрезков реализаций, представлякнций собой сумму отрезков (наслоений) одной периодической функции (базовой функции процесса) со случайными начальными фазами. Дпя простоты расчета настройки на формирование случайного процесса с требуемой функцией спектральной плотности (СПМ) в базисе Фурье в качестве базовой функции про3цесса используется полигармоническая функция с частотами входящих в нее гармонических функций, кратными частоте первой (самой низкочастотной) гармонической функции. При этом функ ция СПМ формируемого процесса аппрок симируется композицией компонентных функций (bin х/х)2, сдвинутых по оси частот с равномерным шагом, с весами, пропорциональными амплитудам соответствунищх им гармонических функ1ЩЙ. Управление количеством наслоени позволяет управлять параметрами закона распределения мгновенных значений амплитуд формируемого процесса. Если запретить запись во второй блок памяти случайных чисел фаз наслоений устройство позволяет формировать регулярные процессы с произвольной тре буемой формой сигнала на периоде. Недостатками устройства являются низкая точность воспроизведения требуемых функций СПМ, так как количест во аппроксимирующих функций не может быть больше N/2, где N - количество ячеек первого блока памяти, а также низкая точность задания частот формируемых гармонических процессов и центральных частот узкополосных процессов. При формировании гармонического процесса или случайного узкополосного, когда в функцию СПМ входит одна аппроксимирующая функция, в пер вый блок памяти записьшается период синуса. При этом длительность период повторения формируемого на выходе устройства гармонического процесса равна N uTj абсолютная погрешность задания периода равна N , где N - количество ячеек первого блока памяти; д Т - длительность интервала дискретизахщи формируемого процес са; Т-рц - длительность периода следо вания импульсов тактового генератора В результате для высокочастотных про цессов, когда длительность периода гармонического сигнала имеет величину одного порядка с N , относительная погрешность задания требуеjMoro произвольного периода повторения достигает больших значений (до 100%). Недостатком известного устройства является также то, что случайные при ращения процесса происходят один раз в течение цикла формирования и следу /от через равные промежутки времени. Формируемый процесс обладает малой 004 энтропией, отличается простотой временной конструкции, что особенно существенно при формировании узкополосных процессов (процесс сострит из отрезков гармонической функции одной частоты со случайными начальными фазами и амплитудами). Все это сужает область применения устройства и достоверность решения задач с ис.пользованием данного устройства. . Цель изобретения - повышение точности формирования процессов. Поставленная цель достигается тем,, что устройство, содержащее генератор импульсов, первый и второй делители частоты, первый сумматор, первый блок памяти, второй сумматор, вход аргумента которого соединен с выходом первого блока памяти, первый регистр памяти, информационный вход которого соединен с выходом второго сумматора, а выход первого регистра памяти является выходом устройства, триг-г гер, вход синхронизации которого объединен с входом обнуления второго сумматора, с входом синхронизации записи первого регистра памяти, со счетным ВХОД9М второго делителя частоты и соединен с выходом первого делителя частоты, первый и второй счетчики, второй блок памяти, адресный вход которого соединен с выходом кода состояния первого счетчика, а выход второго блока памяти соединен с первым входом сумматора, датчик случайных чисел, выход которого соединен с информационным входом второго блока памяти, блок управления, дополнительно содержит два регистра памяти, два сумматора и схему сравнения, причем выход второго регистра памяти соединен с входомаргумента третьего сумматора, вход синхронизации суммирования которого соединен с выходом первого делителя частоты, а выход третьего сумматора соединен с вторым входом первого сумматора, шлсод старшего разряда первого сумматора соединен с входами управления второго и четвертого сумматоров, а выходы ост альных разрядов первого сумматора соединены с входом аргумента четвертого сумматора, выход которого соединен с адресным входом первого блока памяти, выход третьего регистра памяти соединен с входом задания козффициентов пересчета первого й второго счетчиков, выход второго делителя частоты соединен с ииформаци oHHbiM входом триггера и со счетным входом второго счетчика, выход кода состояния которого соединен с первым входом схемы сравнения, второй вход которой соединен с выходом кода состояния первого счетчика, вход стробирования схемы сравнения соединен с выходом триггера, а выход - с входом управления записью второго блока памяти, выход блока управления соединен О с входом синхронизации второго сумматора и со счетным входом первого счетчика, а блок управлениясодержит триггер, регистр сдвига и элемент И, выход которого соединен с входом син- 15 хронизации суммирования второго сумматора и со счетным входом первого ,счетчика, выход генератора импульсов соединен со счетным входом первого делителя частоты, с входом Опрос датчика случайных чисел, с входом синхронизации регистра сдвига и с первым входом элемента И, второй вход которого соединен с выходом регистра сдвига, вход Запись которого соединен с единичным выходом триггера блока управления, нулевой вход которого соединен с выходом переполнения первого счетчика,; выход первого делителя .частоты соединен-с единичным входом триггера блока управления и с установочным входом регистра сдвига. На фиг.1 приведена блок-схема генератора} на фиг.2 - схема блока управления; на фиг.З и 4 - графики работы генератора. Генератор содержит генератор 1 импульсов, делитель 2 частоты, сумма торы 3-5, блок 6 памяти, сумматор 7, регистры 8-10 памяти, счетчики 11 и 12, схему 13 сравнения, блок 14 памя ти, делитель 15 частоты, триггер 16, датчик 17 случайных чисел, блок 18 управления, состоящий из триггера 19 элемента 20 И и регистра 21 сдвига. Формируемый устройством случайный процесс представляет собой сумму (композицию) элементарных процессов (назовем их наслоениями), каждый из которых представляет собой последова тельность склеенных отрезков одной периодической функции (назовем ее ба зовой функцией процесса) со случайны ми начальными фазами, изменяющимися .последовательно от наслоения в несов падающие моменты времени. 11138 06 Базовая функция процесса задается ,N дискретными отсчетами, записываемыми в блок памяти 6. Формирование процесса можно представить как последовательность непрерьшно следующих циклов, на каждом из которых за г тактов вычисляется один отсчет формируемого процесса путем суммирования с помощью накапливающего сумматора 7 f отсчетов базовой функции, где Г гсоличество наслоений, г.-пределяемое записанным в регистр 10 кодом коэффициента пересчета счетчиков 11 и 12. Адреса считываемых на -i -ых тактах из блока памяти 6 отсчетов базовой функции формируются путем прибавления к состоянию сумматора 3 кодов случайных фаз наслоений, считываемых из -i-ых ячеек блока памяти 14, по адресам, формируемым счетчиком 11, причем суммирование осуществляется по модулю 2,N. Состояние сумматора 3 увеличивается от цикла к циклу на величину р, код которой хранится в регистре 9, суммирование осуществляется по модулю 2N, при этом на выходе сумматора 3. формируется циклически линейная последовательность кодов. Коды случайных фаз формируются датчиком случайных чисел 17, смена фазы отрезка базовой функции 1-го наслоения осуществляется на i-ом такте вычисления некоторого отсчета формируемого процесса записью в i-ю ячейку блока памяти 14 нового случайного числа в момент равенства кодов состояний счетчиков 11 и 12 при единичном состоянии триггера 16. Особенностью устройства является использование базовых функций с центральной симметрией, а именно полигармонических функций с частотами гармонических функций, кратными частоте первой (самой низкочастотной) с отношением начальных фаз, равным нулю или Д . При этом в блок памяти 6 записывается половина периода отсчетов базовой функции. Формирование отсчетов второй половины осуществляется чтением отсчетов первой половины с изменением знаков на противоположные по адресам, равным дополнительным кодам номеров отсчетов второй половины. Устройство с блоком управления по фиг.1 работает следующим образом. i/чередной цикл формирования щуоцесса начинается после выработки на выходе делителя частоты 2 импульса, по 71 которому в регистр 8 записывается с выхода сумматора 7- вычисленный на , предьщущем цикле отсчет формируемого процесса, накапливающий сумматор 7 обнуляется, к содержимому накапливающего сумматора 3 прибавляется код р с выхода регистра 9, триггер 19 блока управления 18 устанавливается в единичное состояние, разрешающее прохож- дение через элемент И 20 татстовых импульсов генератора 1 и выработку на выходе блока управления 18 импульсов синхронизации цикла вычислений. Предположим, что емкость блока памяти 6 равна , N 2 , где В - целое число. Тогда период базовой функции состоит из 2 N отсчетов, разрядность сумматоров 3 и 4 равна +, а разрядность сумматора 5-1. На нулевом такте вычисления из нулевой ячейки блока памяти 14 считывается код, задающий случайную фазу отрезка .базовой функции нулевого наслоения, и суммируется с кодом состояния сумматора 3. Если в старшем разряде получаемого на выходе сумматора 4 кода HOMejja отсчета базовой функции нуль, указьшающий на принадлежноств Отсчета к первой половине базовой функции, остальные t разрядов номера отсчета проходят без изменения через сумматор 5 на вход адреса блока памяти 6f из блока памяти 6 считывается код отсчета базовой функции, поступающий на вход накапливающего сумматора 7, нуль с выхода старшего разряда сумматора 4 задает режим суммирования накапливакяцего сумматора 7. Если в старшем разряде полученного на выходе сумматора 4 кода номера отсчета базовой функции единица, указьшающая на принадлежность отсчета ко второй половине базовой функции, сумматором 5 вычисляется дополнительный код номера, накапливаннций сумматор 7 включается в режим вычитания, что эквивалентно изменению знака считываемого из блока памяти 6 отсчета на противоположный. По поступающему очереднс 1у импульсу с выхода блока управления 18 к содержимому накапливаютщего сумматора 7 прибавляется или вычитается, в зависимости от сформированного номера, код отсчета базовой функций, состояние счетчика 11 увеличивается на единицу. По адресу, определяемому новым состоянием счетчика 11,.считывается код, задающий случайную фазу отрезка базовой функции еле00дующего наслоения, по вычисляемому с помощью сумматоров А и 5 новому адресу считывается отсчет отрезка реализации базовой функции следующего наслоения, который в зависимости от значения старшего разряда сумматора 4 с приходом очередного тактового импульса прибавляется к содержимому накапливающего сумматора 7 или вычитается. По каждому, импульсу с выхода блока управления 18 состояние счетчика 11 увеличивается, в сумматоре 7 накапливается значение отсчета выходного процесса. Последовательность описанных тактов вычисления сох;раняется до тех пор, пока на выходе счетчика 11 не выработается импульс переполнения (при переходе счетчика через максимальное состояние), по которому триггер 19 блока управления 18 устанавливается в нулевое состояние, запрещающее прохождение импульсов через злемент И 20, Счетчик устанавливается в начальное (нулевое) состояние, в котором находится до начала следующего цикла. Последовательность описанных циклов повторяется, на каждом цикле состояние накапливакицего сумматора 3 увеличивается на р, на выходе накапливающего сумматора 3 формируется циклически последовательность линейно изменяющихся в диапазоне от О до 2N кодов. Суммирование по модулю 2N циклической линейно изменяющейся в диапазоне 0-2 N последовательности кодов с постоянным числом обеспечивает сдвиг последовательности. Поэтому на одноименных 1 -х тактах последовательно выполняемых циклов вычисления процесса на выходе сумматора 4 формируется циклически линейно изменяющиеся последовательности номеров отсчетов базовой функщ1и, каждая из которых имеет сдвиг, определяемый кодом, считываемым i-м такте из. блока памяти 14. По зтим последовательностям в режиме разделения времени формируются сдвинутые периодичес- кие отрезки базовой функции наслое- ний, соотношения фаз которых определяются кодами записанных в блок памяги 14 случайных чисел. На выходе сумкатера 7 получается композиция этих отрезков базовых функций, Смена фаз наслоений происходит во время вычисления отсчетов форьируемого процесса на циклах, следукнцих пос911ле -выработки на выходе делителя частоты 15 сигнала, по которому триггер 16 устанавливается в единичное состояние, разрешающее работу схемы сравнения . При равенстве на некотором f-м такте данных циклов состояний счетчиков 11 и 12 на выходе схемы сравнения 13 вырабатьшается сигнал, по которому в (-Ю ячейку блока памяти 14 записывается новый код случайной фазы с выхода датчика случайных чисел 17. Если коэффициент пересчета делителя частоты 15 задан больше единицы, следукнцим иьтульс м с выхода делителя частоты :2, вкпючаклцим устройство на новый цикл вычислений, триггер 16 устанавли вается в нулевое состояние, запрещающее работу схемы сравнения 13 до поступления следунщего импульса с выхода делителя частоты 15. Состояние счетчика 12 увеличивается на.единицу при вьфаботке сигнала на выходе делителя частоты 15, состоя ния счетчика 11 изменяются на каждом цикле от нуля до максимального. При этом, если коэффициент пересчета и разрядности счетчиков 11 и 12 и схемы сравнения 13 равны, смена фаз отрезков базовой функции наслоений происходит последовательно от наслоения к наслоению в соответствии с последовательно циклически изменяющимися состояниями счетчика 12. Количество циклов между сменами фаз определяется коэффициентом пересчета делителя частоты 15. Количество отсчетов отрезков базовой функции наслоений, определяемое циклом прлной смены кодов в блоке памяти 14, равном г , где г .коэффициент пересчета счетчика 12, } - коэффициент пересчета делителя частоты 15. Для увеличения быстродействия пред ложенного генератора случайных процес сов можно организовать конвейерный способ вычислений, для которого рекомендуется использование блока управлв ния по фиг.2. При организации описанного способа вычислений длительность такта вычисления равна сумме шести составляющих: переходных процессов изменения состояния счетчика 11, считывания информации из блока памяти 14, вычисления сумматора 4, образо™ вания дополнительного кода сумматором 5, считывания из блока памяти 6, суммирования сумматора 7. 0010 При конвейерном способе вычисления вводятся дополнительно несколько буферных регистров, и указанные операции по формированию отсчета отрезка базовой функции одного наслоения можно выполнять за несколько тактов меньшей длительности, одновременно выполняя различные операции по формированию отсчетов отрезков базовой функции нескольких наслоений. Например, если в состав блока памяти 14 ввести регистр выходной информации, а в состав блока памяти 6 регистр выходной информации и регистр адреса,- запись информации в которые синхронизировать импульсами с выхода блока управления 18, формирование отсчета отрезка базовой функции одного наслоения будет выполняться за четыре такта, причем на одном такте работы устройства выполняются различные операции по формированию отсчетов отрезков базовой функции четырех наслоений. На i-м такте цикла вычисления будут выполняться следующие операции: переход счетчика 11 в i-е состояние и считывание из блока памяти 14 случайной фазы отрезка базовой функции i-ro наслоения; вычисление сумматорами 4 и 5 номера отсчета отрезка базовой функции i-1-го наслоенияJ считывание из блока памяти 6 кода отсчета отрезка базовой функции :i-2-го наслоения; прибавле.ше к содержимому сумматора 7 кода отсчета отрезка базовой функции Г-3го наслоения. При зтом сигнал управления операцией сумматора 7 необходимо также передавать по конвейеру с задержкой на два такта, например по дополнительно введеиньм разрядам буферных регистров адреса и информации блока, памяти 6. Поскольку в рассматриваемом примере конвейер состоит из четьфех операций, после вьфаботки импульса переполнения счетчика 11 завершения вычисления отсчета формируемого процесса необходимо вьшолнить еще три такта. Поэтому второй вход элемента И 29 блока управления соединяется с третьим разрядом регистра сдвига 21. В начале цикла триггер 19 и регистр 21 устанавливаются сигналом, поступающим с выхода делителя частоты 2, в единичное состояние. По импульсу переполнения с выхода счетчика 11 триггер 19 устанавливается в нулевое состояние, поступающий с его выхода логический нуль на вход 2 последовательной записи регистра 21 за три такта сдвигается до третьего разряда регистра 21, после чего прохождение импульсов синхронизации через элемент И 20 запрещается до нача ла следующего цикла. При выполнении последних тактов вычисления текущего отсчета процесса одновременно по кон вейеру выполняются операции по форми рованию отсчетов отрезков базовых функций первых наслоений следующего отсчета, поэтому применение конвейера вычислений не приводит к увеличе нию количества тактов цикла, длитель ность же такта сокращается-. Если кс личество наслоений f меньше количест ва операций конвейера, на каждом цик ле вычисления одновременно выполняют ся операции по формированию несколь- ких отсчетов процесса. Предложенное устройство можно эффективно использовать для формирования регулярных процессов, для чего необходимо запретить запись случайны кодов в блок памяти 14 и задать коэф фициент пересчета счетчика 11 равным единице. Если при этом отключить цеп управления сумматорами 5 и 7 от вы- хода старшего разряда сумматора Аи подать на нее постоянный логический уровень, устройство позволяет формировать регулярные процессы с йроиз- вольной формой сигнала на периоде, описываемом последовательностью кодов, записанных в блок памяти 6, При подключенной цепи управления сумматорами 5 и 7 устройство позволяет формировать периодические процессы с центральной симметрией формы, например полигармонические процессы с соотношениями фаз гармоник, равными нулю или JT , При формировании гармо нических воздействий возможность управления шагом р изменения состояний сумматора 3 обеспечивает возможность высокой точности задания частоты воз действия и оперативную перестройку с высокой точностью частоты воздействи без изменения содержимого блока памя ти 6 формы воздействия. Это позволяет эффективно использовать устройств в составе автоматизированных систем испытаний (моделирования) для формирования гармонических воздействий с качаннцейся частотой. Как говорилось вьппе, вследствие симметрии используемых базовых функций для формирования отсчетов второй половины базовой функции используются отсчеты первой половины с номерами, равными дополнительным кодам номеров второй половины, причем знаки отсчетов меняются на противоположные. При этом записьшаемые в блок памяти 6 отсчеты половины периода базовой функции следует вычислять в точках Tf(jp-rn/2N, где m-0, номер отсчета, Tjjop - длительность периода базовой функции, .N - емкость блока памяти 6, На фиг.4 приведен график одного периода базовой функции, на котором отмечены указанные точки вычисления отсчетов для случая ., В первой строчке под графиком написаны двоичные номера отсчетов, во второй строчке - формируемые на выходе сумматора 5адреса чтения отсчетов из блока памяти 6, причем знак перед кодом адреса указывает операцию, задаваемую сумматору 7, Если в блок памяти 6записать отсчеты половины периода базовой функции, вычисленные в точ з Ttfop(ltni- )/2N , m-o,N-1 , . формирование адресов чтения отсчетов- второй половины осуществляется инвертирова-нием разрядов кода номера, следующих за старшим, старший разряд, как и в первом случае управляет операцией сумматора. Сказанное иллюстрируется фиг,5, на которой приведен график периода базовой функции с отмеченными точками вычисления отсчетов, строки двоичных кодов имеют тот же смысл, что и на фиг.4. При построении сумматора 5 на элементах типа 155ИПЗ можно использовать любой из указанных способов вычисления отсчетов базовой функции, так как микросхема 155Ш13 обеспечивает выполнение и операции образования дополнительного кода, и операции инвертирования. Если использовать только второй способ вычисления,,для построения сумматора 5 можно использовать блок двухвходовых элементов сумматора по модулю 2 в качестве управляемых инверторов, .что является с точки зрения технической реализации более простьм, однако при использовании первого способа вычисления отсчетов базовой функции можно более эффективно использовать устройство при расчете настройки на широкополосный процесс алгоритма быстрого преобразования Фурье. При рассмотрении работы устройства предполагалось, что коэффициенты

пересчета и разрядности счетчиков 11 и 12 равны. Это не обязательно. С целью расширения возможностей устройства по управлению параметрами рас- , 1пределения амплитуд процесса разрядность счетчика 11 можно сделать больше разрядности счетчика 12 и схемы сравнения 13. Наприме, счетчик 11 можно сделать составным из двух счетчиков с независимым управлением коэффициентами пересчета. Первая часть такого счетчика имеет разрядность, равную разрядности.счетчика 12 и схемы сравнения 13, коэффициент пересчета ее задается равным коэффициенту пересчета счетчика 12 и определяет количество моментов смены фаз наслоений. Выход второй части соединяется только с адресньм входом блока памяти 14, коэффициент пересчета ее определяет количество наслоений, в которых изменяются фазы на одном цикле вычисления отсчета формируемого .про|Цесса. Использование такого-варианта построения .счетчика 11 обеспечивает большие возможности задания количества наслоений и управления вследствие этого параметрами распределения амплитуд формируемого процесса. При рассмотрении работы устройства предполагалось использование счетчиков 11 и 12, считьшающих в прямом нап равлении, (направление их счета не принципиально для работы устройства, можно использовать реверсивные счетчики) . Кроме того, предполагалось, что триггер 16 D -типа и содержит второй Ъ -вход и входсинхронизации записи состояния по D-входу. Можно использовать триггер 16 RS -типа, содержащий первый вход обнуления и второй вход установки единичного состояния. Таким образом, на выходе устройст ва формируется процесс, представляющий собой сумму элементарных процессов,сос тоящих из последовательности склеенных отрезков базовой функции со случайными начальными фаза№1, изменякнцимися последовательно от одного элементарного процесса к другому через равные промежутки времени. Количество элементарных процессов определяется задавае1« 1м коэффициентом пересчета счетчика 11, количество отсче- 55 тов, через которые изменяются фазы отрезков базовой функцш элементарных процессов, определяется произведением

коэффициентов пересчета счетчика 12 и делителя частоты 15, длительность интервалов дискретизации формируемого процесса равна произведению длительности периода следования импульсов генератора 1 на коэффициент пересчета делителя частоты 2.

При формировании случайных широкополосных процессов целесообразно за50давать шаг изменения состояний сумматора 3 /р/ равным единице. Функция спектральной плотности мощности формируемого случайного широкополосного процесса имеет вид ,Cx) + KbJj GMrV (w + KuJ Д - амплитуда гармонических функций базовой функции процесса, М - количество гармонических функций, образующих базовую функцию; количество отсчетов отрезков базовой функции наслоений; ( - частота первой гармонической функции; frT - длительность периода дискретизации формируемого процесса; - количество наслоений. Функция СПМ, как и в прототипе, задается композицией компонентных функций /Sin х/х). Так как для задания гармонической функции по теореме Котельникова требуется минимум два отсчета на период,в устройстве-прототипе при емкости блока памяти для хранения полигармонической фyнkции, равной N , количество гармонических функций, образующих базовую функцию процесса, и соответствующее им количество функций аппроксимации СПМ не может быть больше ,N/2. В предложенном устройстве вследствие использования свойств симметрии базовых функций количество аппроксимирующих функций при том же объеме памяти в два раза больше и может достигать величины N Таким образом, при равных объемах блоков памяти управления формой функции COM формируемых процессов предложенного устройства и прототипа количество компонентных функций аппроксимадии функции СПМ в предложенном устройстве в два раза больше по сравнению с прототипом, т.е. пред-поженное устройство отличается более высокой точностью. При одинаковой точности воспроизведения в предложенном устройстве требуется в два раза меньше информции управления формой функции СПМ по сравнению с прототипом, что является немаловажным фактором при необходимости частной перенастройки устройства, расширяющим его функциональные возможности в составе автоматизированных систем. Возможность управления значением шага р изменения состояний накапливающего сумматора позволяет значител но повысить по сравнению с прототипо точность задания центральной частоты формируемых случайных узкополосных процессов высокой добротности, код функции СПМ задается одной компонент ной функцией (sin х/х)2, а базовая функция состоит из одной гармонической функции, половина периода которо записьшается в блок памяти 6. В этом случае длительность периода повторения отрезков гармонических функций наслоений, определяющая значение цен тральной частоты полосы формируемого узкополосного процесса, определяется соотношением: 2NuT 2N К где N - емкость блока памяти 6; К - коэффициент пересчета дели теля частоты 2i Tjgf - длительность периода следо вания импульсо.в генератора 1; р - шаг изменения состояний сумматора 3. Варьируя значения параметров К и р, можно найти пару их значений, обеспечивающих наибольшую точность задания требуемой величины Т. Возможность управления значением шага изменения состояний сумматора 3 расширяет функциональные возможнос ти предложенного устройства при необходимости оперативной смены параметров формируемого узкополосного процесса, например при использовании устройства для формирования узкополосного процесса с качающейся частотой при испытаниях на вибрацию. В этом случае для перехода от одной частоты к другой достаточно изменит значения параметров Кир. Информаци в блоке памяти 6 не меняется, в нем постоянно хранятся отсчеты половины периода синуса, поэтому для упрощения настройки устройства на формирование узкополосных процессов высокой добротности, а также гармонических воздействий можно рекомендовать введение в состав блока памяти 6 постоянного запоминающего устройства, в котором записана последовательность N кодов задания половины периода синуса. При этом все параметры узкополосного процесса задаются четьфьмя кодами: значения Кир определяют центральную частоту полосы, количество наслоений г определяет параметры закона распределения амплитуд; управления добротностью полосы осуществляется изменением -количества отсчетов, через которые меняются фазы отрезков базовых функций. Изменения количества наслоений при выполнении условия постоянства количества отсчетов N через которые происходит смена фаз отрезков базовых функций наслоениЙ5 не приводит к изменению формь функции СПМ формируемого процесса. Количество наслоений влияет на вид закона распределения амплитуд процесса, причем особенно существенно при формировании узкополосных процессов, когда функция СПМ задается одной или несколькими компонентными функциями. В общем случае закон распределения амплитуд формируемого процесса определяется к -кратной сверткой закона распределения базовой функции. Так как формируемый процесс представляет собой сумму статически независимых функций, происходит нормализахщя его закона распределения. Причем распределение тем ближе к нормальному, чем больше коли ество наслоений. При формировании узкополосных процессов, функция СПМ которых задается одной компонентной,функцией, при задаНИИ Г 1 распределение амплитуд имеет вид арксинуса, с увеличением количества наслоений распределение вытягивается в центре и при Г 10 становится практически нормальным. При формировании широкополосного случайного процесса, когда количество компонентных функций аппроксимации СПМ больше 20 и все гармонические функции, образующие базовую функцию процесса, имеют нулевые фазы, форма закона распреДеления при 1 близка к форме нормального закону распределения, однако, в отличие от нормального имеет;, на краях подъемы и ряд дополнительных перегибов. В данном случае достаточн задание двух наслоений, чтобы обеспечить соответствие распределения нормальному, что является важным фактором при решении ряда задач статистического моделиройания.

С изменением в формируемом процессе количества наслоений в oi раз пропорционально изменяется область существования и дисперсия формируемого процесса. Если с изменением количества наслоений осуществлять нормирование процесса по амплитуде, для чего необходимо умножать амплитуды процесса на величину 1/ot, управление количеством наслоений позволяет изменять дисперсию процесса без изменения области его существования. Если при изменении количества наслоений нормирований процесс по дисперси что обеспечивается умножением амплитуд на величину ЯД , управление количеством наслоений обеспечивает воз можность управления границами област существования формируемого процесса без изменения дисперсии (мощности). Указанные операции масштабирования .амплитуд формируемых процессов могут выполняться либо с помощью дополнительных блоков, подключаемых к выходу устройства, либо масштабированием базовой функции процесса.

Временная структура процесса, фор- мируемого предложенным устройством, значительно отличается от структуры процесса, формируемого прототипом. При форю1ровании узкополосного процесса, задаваемого одной компонентной функцией, процесс, формируемый прототипом, представляет собой отрезки синуса одинаковой частоты со случайными от отрезка к отрезку амплитудами и фазами. Процесс, формируемый предложенным устройством, в данном случае при небольщом количестве наслоений, также состоит из отрезков гармонической функции со случайными амплитудами и фазами, однако частота изменения амплитуд и фаз в 1 раз больше, если количество наслоений таково, что смена фаз происходит через интервалы, меньшие периода базовой гармонической функции, во временной структуре процесса уже нельзя вьщелить никаких отрезков гармонической функции. В случайном процессе любого типа, формируемом прототипом, случайные изменения происходят в моменты изменения фаз отрезков реализации и следуют через регулярные промежутки времени достаточно большой длительности, причем в моменты изменения фаз возникают разрывы, резкие перепады случайной амплитуды. Если сравнить процессы с одинаковыми спектральными и вероятностными характеристиками, формируемые прототипом и .Предложенньм устройством, количество моментов случайных изменений процесса в Г раз больше, максимальная амплитуда разрывов в Г раз меньше. При задании коэффициента пересчета делителя частоты 15 равным единице случайные изменения присутствуют в каждом отсчете формируемого процесса.

Сравним структуры формируемого предложенным устройством случайного процесса со структурой процесса, формируемого способом цифровой фильтрации потока случайных чисел с помощью цифрового фильтра с конечной импульсной характеристикой (КИХ-фильтр). В цифровом КИХ-фильтре осуществляется свертка входной бесконечной последовательности случайных кодов с последовательностью из М коэффициентов. При этом формируемый процесс представляет собой сумму N элементарных процессов, каждый из которых представляет собой последовательность склеенных отрезков одной функции, образованной, последовательностью коэффициентов, у которых в отличии от отрезков элементарных процессов предложенного устройства случайными являются не фазы, а амплитуды. Причем если расчет коэффициентов фильтра выполнит методом взвешивания с использованием прямоугольного окна, последовательность коэффициентов фильтра, как и базовая функция процесса, формируемого предложенным устройством, представляет собой полигармоническую функгщю. Таким образом, случайный процесс, формируемьй цифровым КИХ-фильтром, представляет собой композицию элементарных процессов с амплитудной модуляцией отрезков базовой функции, а в предложенном устройстве - с фазовой модуляцией. По сравнению с генераторами случайных процессов на базе цифровых КИХ-фильтров предложенное устройство отличается потенциально более высоки быстродбйствием, так как не требует вьшолнения операций умножения и более широкими возможностями. Таким образом, предложенное устройство позволяет формировать случайные процессы с управляемыми спектраль ными и вероятностными характеристиками и регулярные процессы с произвольной формой сигнала на периоде. При за дании соответствующего количества ком понентных функций, максимальное косойчество которых определяется емкостью памяти для хранения отсчетов базовой, функции, устройство обеспечивает прак тически любую требуемую точность воспроизведения произвольной функции спектральной плотности мощности, причем увеличение точности задания спектра не влечет уменьшения быстродействия. Если при формировании процесса количество наслоений невелико, устройство отличается высоким быстродействием, так как для формирования одного отсчета процесса требуется выполнение небольшого количества операций чтения памяти и суммирования. Из серийно выпускаемых специализированных устройств формирования случайных процессов предложенное устройство можно сравнить с генератором случайного процесса установки СУВУIDCB 3, позволяющим формировать слут ;чайные процессы с произвольной функци:ей спектральной плотности мощности в ;диапазоне частот 5-2000 Гц. В отличие от предложенного устройства, данный генератор не позволяет управлять вероятностными характеристиками случайных процессов, не позволяет формировать, периодические процессы. Предложенное устройство дает возможность формировать процессы в диапазоне частот от нуля до нескольких мегагерц. Разработанное и изготовленное на базе предложенного изобретения специализированное устройство формирования вибропроцессов Поток-7 отличается от генераторов случайных процессов установки СУВУ-ШСВ 3 приблизительно в 10 раз меньшими габаритами и весом и обеспечивает в 810 раз большую точность воспроизведения требуемых функций СПМ. В качестве базового образца взята ЭВМ СМ-1800, вариант 50/40 в, состав которой входит устройство связи с объектом. Используя алгоритм функционирования предложенного устройства, с помощью данной ЭВМ можно формировать псевдослучайный процесс со структурой, аналогичной структуре процесса, формируемого предложенным устройством, причем в данном случае оба варианта обеспечивают потенциально одинаковую точность формирования процессов и обладают одинаковыми функциональными возможностями управления параметрами процессов. Однако формируемый ЭВМ процесс является псевдослучайным и имеет период повторения, а при решении задач моделирования и исследования сложных систем применение псевдослучайных процессов в ряде случаев недопустимо. Анализ времени выполнения операций ЭВМ СМ-1800 показывает, что быстродействие ее при формировании псевдослучайных процессов в 10-10 раз меньше быстродействия предложенного устройства, выполненного на интегральных схемах ТТЛ серий (в зависимости от количества наслоений), Стоимость базового образца составляет 50 тыс.руб. Стоимость разработанного и изготовь ленного на базе данного изобретения специализированного вычислительного устройства для формирования вибропро.чессов Поток-7, ориентированного иа использование в составе автома изироваиной системы испытаний, составила 4,5 тыс.руб, причем Поток-7 отличается рт ЭВМ СМ-1800 приблизительио в 15 раз меньшими габаритами и весом, меньшими эксплуатационными затратами.

фиг,1

фи.2

IL

-/

omoooi вою ООН оюоот ono em мо tmt ten mt пм ivt im tni вово w w яю fer fr w lee-tn-no-iH-по-т-ив-т tee

9ut.3

вово tool ввп ООП fftwam ffno oni mo tcei mo rim mo noftrto frrr m -HI-no-nt-ipo-9n ao-ott ooe

(fat.ft