Генератор случайного процесса Советский патент 1992 года по МПК G06F7/58 

Выход

XJ СО

ю

CJ

2

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

Целью изобретения является повышение точности воспроизведения функций спектральной плотности мощности формируемых процессов.

На фиг. 1 приведена структурная схема генератора случайных процессоров; на фиг. 2 - функциональный преобразователь для синтеза данного типа огибающих с центральной симметрией.

Генератор содержит генератор 1 тактовых импульсов, делитель 2 частоты, сумматоры 3 и 4, регистр 5, умножитель 6, первый накапливающий сумматор 7, регистры 8 и 9, счетчики 10 и 11, блок 12 памяти, схему 13 сравнения, триггер 14, счетчики 15 и 16, второй накапливающий сумматор 17, регистр 18, функциональный преобразователь 19, датчик 20 случайных чисел, регистр 21 сдвига, элемент И 23, сумматор 24, блок 25 памяти.

Функциональный преобразователь 19 (фиг. 2) содержит преобразователь 26 кода, элемент ИЛИ-НЕ 27, блок 28 памяти, блок 22 элементов ИЛИ.

Генератор работает следующим образом.

В зависимости от требований к быстродействию возможна организация одно- тактного способа вычисления отсчета элементарного процесса либо конвейерного способа с различной степенью разнесения операций по конвейеру. В первом случае устройство наиболее простое, во втором можно получить выигрыш в быстродействии путем введения в состав блоков устройства дополнительных буферных регистров. Количество операций конвейера определяет разрядность регистра 21 сдвига.

При однотактном способе вычисления регистр 21 содержит при этом один разряд. Очередной цикл вычисления начинается после выработки на выходе делителя 2 частоты импульса, по которому в регистр 8 записывается с выхода накапливающего сумматора 7 вычисленный на предыдущем цикле отсчет случайного процесса, накапливающий сумматор 7 обнуляется, регистр 21 сдвига устанавливается в единичное состояние, разрешающее прохождение через элемент И 23 тактовых импульсов с выхода генератора импульсов. В начале цикла счетчик 10 в нулевом состоянии. Из нулевой ячейки блока 12 памяти считывается код, задающий фазу отрезка базовой функции нулевого (в смысле с номером нуль) наслоения, и суммируется с кодом с выхода сумматора 3. По вычисленному на выходе сумматора 4 коду с помощью сумматора 24 и блока 25 памяти формируется код отсчета базовой функции, поступающий на первый

0 вход умножителя 6. На второй вход умножителя поступает код отсчета огибающей с выхода функционального преобразователя 19, номер кода огибающей определяется начальным состоянием накапливающего

5 сумматора 17. По очередному импульсу тактового генератора 1 полученное произведение отсчетов базовой функции на отсчет огибающей прибавляется и состояние накапливающего сумматора (нулевому х

0 началу цикла), состояние счетчика 1 увеличивается на единицу, из состояния накапливающего сумматора 17 вычитается поступающий с выхода регистра 18 код I, задающий количество интервалов между

5 моментами смены фаз отрезков базовой функции. По адресу, определяемому новым состоянием счетчика 10, из блока 12 памяти считывается код случайной фазы отрезка базовой функции следующего наслоения и

0 прибавляется к состоянию сумматора 3 по коду, с выхода сумматора 4 с помощью сумматора 24 и блока 25 памяти формируется новый код отрезка отсчета базовой функции, который умножается на новый код от5 счета огибающей функции, поступающий с выхода функционального преобразователя 19. По следующему тактовому импульсу полученное произведение прибавляется к состоянию накапливающего сумматора 7,

0 состояние накапливающего сумматора 17 уменьшается на величину кода I, записанного в регистре 18, состояние счетчика 10 увеличивается на единицу.

Последовательность описанных тактов

5 вычисления повторяется, при этом в сумматоре 7 накапливается значение отсчета формируемого процесса как сумма произведений отсчетов базовой функции на отсчеты огибающей, состояние счетчика 10 монотон0 но возрастает.

При достижении счетчиком 10 максимального состояния на его выходе переполнения вырабатывается сигнал, по которому регистр 21 устанавливается в нулевое состо5 яние, запрещающее до начала следующего цикла прохождение импульсов через элемент И 23, накапливающий сумматор 17 устанавливается в состояние, определяемое кодом с выхода счетчика 16, состояние счетчиков 15 и 16 увеличивается на единицу, а

состояние сумматора 3 увеличивается на значение шага линейной последовательности р.

Последовательность описанных циклов повторяется, при этом на выходе сумматора 3 формируется циклически линейно изменяющаяся в диапазоне от 0 до N последовательность кодов, состояние счетчика 16 циклически изменяется от 0 до N .

Суммирование по модулю N циклической линейной изменяющейся в диапазоне 0 - N последовательности кодов с постоянным числом обеспечивает сдвиг последовательности. Поэтому на одноименных 1-х тактах последовательно выполняемых циклов вычисления процесса на выходе сумматора 4 формируются циклически линейно изменяющиеся последовательности номеров отсчета базовой функции, каждая из которых имеет сдвиг, определяемый кодом фазы, считываемым из i-й ячейки блока 12. По этим последовательностям на выходе блока 25 памяти в режиме разделения времени формируются сдвинутые периодические отрезки базовых функций элементарных процессов, соотношения фаз которых определяется кодами записанных в блок 12 памяти случайных чисел.

Из состояния накапливающего сумматора 17 вычитается на каждом такте постоянная величина I, вычитание осуществляется по модулю N . Поскольку к началу каждого цикла в накапливающий сумматор 17 записывается код состояния счетчика 16, на выходе сумматора 17 на одноименных 1-х тактах последовательно выполненных циклов формируются циклически линейно изменяющиеся последовательности кодов, по которым на выходе функционального преобразователя 19 формируются в режиме разделения времени последовательности отсчетов периодической огибающей, сдвинутые одна относительно другой, с постоянным шагом I.

Формируемые в режиме разделения времени на выходе блока 25 памяти отрезки базовых функций элементарных процессов модулируются с помощью умножителя 6 огибающими функциями, формируемыми на выходе функционального преобразователя 19, на выходе накапливающего сумматора 7 получается композиция элементарных процессов.

Смена фаз отрезков базовых функций происходит на циклах вычисления процесса, на которых вырабатывается сигнал переполнения счетчика 15, разрешающий на этом цикле работу схемы 13 сравнения. При равенстве на некотором i-м такте такого цикла состояний счетчиков 10 и 11 на выходе схемы 13 сравнения вырабатывается сигнал, по которому в i-тую ячейку блока 12 памяти записывается новый код случайной фазы с выхода датчика 20 случайных чисел.

По сигналу переполнения счетчика 15 состояние счетчика 11 увеличивается на единицу, т.е. состояние счетчика 11 изменяется на единицу после записи одной новой случайной фазы. Состояние счетчика 10 изме0 няется на каждом цикле от нуля до максимального, равного количеству наслоений. При этом, если разрядности счетчиков

10и 11 и схемы 13 сравнения равны и равны коэффициенты пересчета счетчиков 10 и 11

5 (задается кодом г, записываемым в регистр 9), смена фаз отрезков базовой функции происходит последовательно от наслоения к наслоению в соответствии с последовательно циклически изменяющимися состоя0 ниями счетчика 11. Количество циклов между сменой фаз определяется коэффициентом пересчета счетчика 15, т.е. записанным в регистре 18 кодом I.

После достижения счетчиком 11 маси5 мального состояния и, следовательно, записи в блок 12 памяти новой случайной фазы отрезка базовой функции последнего наслоения на выходе счетчика 11 вырабатывается сигнал переполнения, обнуляющий триггер

0 14. Нулевое состояние триггера 14 обуславливает начальную установку счетчика 15 в максимальное состояние в соответствии с кодом I, записанным в регистре 18, а также запрещение выработки сигналов перепол5 нения счетчика 15 и, следовательно, последующую смену фаз отрезков базовой функции и изменение состояния счетчика

11(нулевого в данный момент). Триггер 14 устанавливается в единицу по сигналу пе0 реполнения счетчика 16, вырабатываемому в момент перехода счетчика в нулевое состояние по окончании некоторого цикла вычисления процесса. При этом, поскольку счетчик 15 удерживается в

5 максимальном состоянии, на его выходе вырабатывается сигнал переполнения, что обеспечивает на следующем цикле вычисления запись в блок 12 памяти новой случайной фазы отрезка базовой функции

0 нулевого наслоения. Поскольку счетчик 16, отсчитывающий номера отсчетов огибающей отрезков базовых функций первого наслоения, установлен в это время в нулевое состояние, получают, что начало фор5 мирования нового отрезка базовой функции первого наслоения, обусловленное записью новой случайной фазы в блок

12памяти, синхронизируется с началом формирования огибающей функции этого наслоения. Моменты смены фаз отрезков

базовых функций последующих наслоений следуют один за другим через I циклов, последовательности номеров отсчетов огибающей функций также имеют относительно запаздывание, равное I. Следовательно, если считать отсчет огибающей с номером нуль ее началом, то началу формирования отрезков базовых функций каждого элементарного процесса соответствует начало модулирующей этот отрезок огибающей функции,длина отрезка элементарного процесса определяется коэффициентом пересчета N1 счетчика 16.

Для увеличения быстродействия предлагаемого генератора случайных процессов можно организовать конвейерный способ вычисления. При организации рассмотренного однотактного способа вычисления отсчета элементарного процесса длительность такта определяется временем формирования номеров отсчетов базовой функции и огибающей, временем формирования значений отсчетов функциональными преобразователями, длительностью умножения, временем суммирования произведения к ранее накопленной сумме. Время формирования номера отсчета базовой функции состоит из времени изменения состояния счетчика 10, считывания кода из блока 12 и суммирования его с состоянием сумматора 3. Время формирования номера отсчета огибающей определяется временем изменения состояния накапливающего сумматора.

При конвейерном способе в состав блоков устройства, выполняющих непосредственно операции вычисления отсчетов процесса, вводятся дополнительно несколько буфферных регистров и операции по формированию отсчетов одного элементарного процесса можно выполнять за несколько тактов меньшей длительности, одновременно выполняя различные операции по формированию отсчетов нескольких элементарных процессов.

Например, если в состав сумматора 24 и функционального преобразователя 19 ввести входные буферные регистры номеров отсчетов, а в состав умножителя 6 ввести буферные регистры кодов сомножителей и произведения, запись информации в которые синхронизировать импульсами с выхода элемента И 23, формирование отсчета одного элементарного процесса выполняется за четыре такта, причем на одном такте выполняются различные операции по формированию отсчетов четырех элементарных процессов. На i-ом такте цикла вычисления выполняются следующие операции: переход счетчика 10 в i-oe состояние, считывание из блока 12 памяти кода случайной фазы отрезка базовой функции i-ro наслоения и его прибавление к коду состояния генератора линейной последова- тельности, а также вычисление номера отсчета огибающей i-ro наслоения путем уменьшения состояния путем уменьшения состояния накапливающего сумматора 17 на I; прием в буферные входные регистры

0 функционального преобразователя 19 и сумматора 24 кодом номеров отсчетов отрезка базовой функции и огибающей и формирование по этим номерам значений отсчетов отрезка базовой функции и огиба5 ющей (I - 1)-го наслоения; прием во входные буферные регистры умножителя 6 кодов отсчетов базовой функции огибающей (I - 2)-го наслоения и вычисление их произведения; прием в выходной регистр умножителя 6

0 значения (i - 3)-го элементарного процесса и прибавление его к состоянию накапливающего сумматора 7.

Поскольку в рассмотренном примере конвейер состоит из четырех операций, по5 еле выработки импульса переполнения счетчика 1 для завершения вычисления отсчета процесса необходимо еще выполнить три такта. Для этого регистр 21 сдвига должен содержать четыре разряда, второй вход

0 элемента И 23 соединяется с выходом старшего (четвертого) разряда регистра 21. В начале цикла импульсом делителя 2 частоты старший разряд регистра 21 сдвига устанавливается в единицу, чем разрешается выра5 ботка импульсов на выходе элемента И. По каждому импульсу с выхода элемента 23 содержимое регистра 21 сдвигается на один разряд в сторону старшего разряда. При отсутствии сигнала переполнения счетчика

0 10 в младший разряд регистра 21 записывается единица. При появлении импульса переполнения счетчика 10 в младший разряд записывается нуль, который за три такта сдвигается в старший разряд и запрещает

5 дальнейшую синхронизацию цикла вычисления до поступления следующего импульса делителя 2 частоты.

При выполнении последних тактов вычисления текущего отсчета процесса одно0 временно по конвейеру выполняются операции по формированию отсчетов элементарных процессов следующего отсчета результирующего выходного процесса. Фазы отрезков базовых функций изме5 няются последовательно от одного элементарного процесса к другому через одинаковое количество отсчетов, определяемое записанным в регистре 18 кодом I. Количество элементарных процессов V определяется коэффициентом пересчета счетчиков 10 и 11, задаваемого кодом, записанным в регистре 9. Количество отсчетов N1 одного отрезка базовой функции определяется коэффициентом пересчета счетчика 16. Длительность интервала дискретизации формируемого процесса равна произведению длительности периода следования импульсов генератора 1 на коэффициент пересчета делителя 2 частоты.

При формировании случайных широкополосных процессов целесообразно задание шага р изменения линейной последовательности равным единице. Если блок 25 настроить на формирование полигармонической функции, функция спектральной плотности мощности (СПМ) синтезируемого процесса имеет вид

и

G(u) V 2 CK(w +kwi):

k -M

О)

вых лепестков этой КФА спадает по закону 1/йЛ

При использовании треугольной огибающей функции КФА имеет вид:

14

О)

15

20

Амплитуда боковых выбросов спадает значительно быстрее (по закону 1/ ш чем у КФА (2), причем, если амплитуда первого бокового лепестка КФА (2) составляет 0,047 амплитуды основного лепестка, то для функции (3) она соответствует 0,0022. Еще большей скоростью (по закону ) спада амплитуды боковых лепестков обладает КФА СПМ при использовании огибающей Парзена:

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано при построении имитационно-моделирующей аппаратуры для решения задач исследования и оптимизаци структурно-сложных систем, при создании автоматизированных систем испытания на вибрационные и акустические воздействия. Цель изобретения - повышение точности воспроизведения функций спектральной плотности. Генератор содержит генератор 1 тактовых импульсов, делитель 2 частоты, сумматоры 3 и 4, умножитель 6, первый накапливающий сумматор 7, регистры 5, 8 и 9, счетчики 10 и 11, блок 12 памяти, схему 13 сравнения, триггер 14, счетчики 15 и 16, второй накапливающий сумматор 17, регистр 18, функциональный преобразователь 19, датчик случайных чисел, регистр 21 сдвига, элемент И 23, сумматор 24 и блок 25 памяти. Поставленная цель достигается за счет введения новых блоков и функциональных связей между ними. Изобретение обеспечивает синтез случайных процессов с высокой точностью воспроизведения функций спектральных плотностей мощности. 1 з.п. ф-лы, 2 ил. (Л С

ck.

& /2,

f$. /4, ,

где (ш) - квадрат модуля преобразования Фурье огибающей функции;

М - количество гармоник базовой функции;

k - номер гармоники базовой функции;

Ak - амплитуда к-ой гармоники базовой функции;

йл -частота первой (самой низкочастотной) гармоники функции;

V - количество наслоений,

При соответствующем выборе формы огибающей элементарных процессов (й) ее называют компонентной функцией аппроксимации (КФА), СПМ является симметричной относительно ft) 0 узкополосной функцией с центральным лепестком, в котором содержится основная мощность, и с множеством боковых лепестков со спадающей амплитудой. Каждой гармонике базовой функции в спектральной области соответствует КФА (u + k ом) с центром, расположенном на частоте гармоники, и амплитудой, пропорциональной квадрату амплитуды гармоники.

Если задать огибающую функцию, как в известном генераторе, прямоугольную, КФА имеет вид

и

i/( ) -

тс

sin J (ы + kwi)

(о + кол)

где Т АТдискрет-N1 - длительность отрезка элементарного процесса. Амплитуда боко5

S(t)

fil 2t

6|т+ 6

2t

Т J

4

2/1-12Ц . Z(l Т ) м |г|-2

(4)

0,

55

30

35

40

45

50

При огибающей Парзена КФА равна

Г т18

sin -„(а) 4- )

(со + k ад )

9Т 64л:

..(5)

-g(y + ktoi)

У этой КФА амплитуда первого бобового лепестка составляет 0,0000049 амплитуды основного лепестка.

Небольшая относительная амплитуда боковых лепестков КФА (3) и особенно (5) позволяет задание в функции СПМ формируемого предлагаемым генератором случайного процесса всплесков и провалов высокой добротности и большой амплитуды.

Формула изобретения 1. Генератор случайного процесса, содержащий элемент И, сдвиговой регистр, генератор тактовых импульсов, делитель частоты, первый-третий сумматоры, первый и второй блоки памяти, первый накапливающий сумматор, первый-третий регистры, первый - третий счетчики, схему сравнения, триггер, датчик случайных чисел, причем выход генератора тактовых импульсов соединен с входом делителя частоты, выход первого регистра - с первым входом первого сумматора, выход которого подключен к первому входу второго сумматора, выход которого подключен к

первому входу третьего сумматора, выход которого подключен к адресному входу первого блока памяти, выход обнуления первого накапливающего сумматора соединен с входом Запись второго регистра, выход которого является выходом генератора, входы записи коэффициента пересчета первого и второго счетчиков соединены с выходом третьего регистра, информационные выходы первого и второго счетчиков соединены с соответствующими информационными входами схемы сравнения, выход которой подключен к входу разрешения записи второго блока памяти, адресный вход которого соединен с ин формационным выходом первого счетчика, информационный вход второго блока памяти соединен с выходом датчика случайных чисел, вход синхронизации которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов, отличающийся тем, что, с целью повышения точности воспроизведения функций спектральной плотности, в него введены два счетчика, второй накапливающий сумматор, четвертый регистр, функциональный преобразователь и умножитель, выход которого подключен к входу аргумента первого накапливающего сумматора, первый и второй информационные входы умножителя соединены с выходами первого блока памяти и функционального преобразователя соответственно, выход четвертого регистра соединен с входом задания коэффициента пересчета третьего счетчика и с входом аргумента второго накапливающего сумматора, выход которого соединен с входом функционального преобразователя, входы синхронизации первого и второго накапливающих сумматоров подключены к выходу элемента И, первый вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов, вход начальной уста-

новки второго накапливающего сумматора соединен с выходом третьего счетчика, вход стробирования второго накапливающего сумматора соединен со счетными входами

5 третьего и четвертого счетчиков, с входом синхронизации первого сумматора и подключен к выходу переполнения первого счетчика, выход переполнения третьего счетчика - с входом установки в 1 тригге1С ра, вход установлен в О которого соединен с выходом переполнения второго счетчика, выход переполнения четвертого счетчика - с входом разрешения работы схемы сравнения и со счетным входом второго счетчи- 15 ка, вход установки четвертого счетчика соединен с выходом триггера, выход переполнения первого счетчика - с информационным входом сдвигового регистра, выход которого соединен с вторым входом эле20 мента И, выход которого соединен с входом разрешения сдвига сдвигового регистра, выход делителя частоты - с установочным входом сдвигового регистра.

30 памяти, выход которого подключен к первому входу блока элементов ИЛИ, выход которого является выходом функционального преобразователя, второй вход блока элементов ИЛИ соединен с выходом эле35 ментов ИЛИ-НЕ, старший разряд преобразователя кода - с инверсным входом элемента ИЛИ-НЕ, остальные разряды преобразователя кода - с соответствующими прямыми входами элемента ИЛИ40 НЕ, все разрядные входы преобразователя кода являются входом функционального преобразователя. 13