Генератор случайных чисел Советский патент 1993 года по МПК G06F7/58 

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в системах статистического моделирования.

Целью изобретения является увеличе- ние.быстродействия работы генератора случайных чисел в асинхронном режиме при выдаче последовательности реализации случайной величины.

На фиг. 1 дана структурная схема генератора случайных чисел; на фиг. 2 - временная диаграмма работы генератора в асинхронном режиме; на фиг. 3 - временная диаграмма работы генератора в синхронном режиме.

Генератор случайных чисел содержит генератор 1 тактовых импульсов, выход которого соединен с информационным входом первого ключа 2, управляющий вход которого соединен:с выходом Пуск блока 3 синхронизации, а выход - со счетным входом делителя 4 частоты и с информационным входом второго ключа 5, управляющий вход которого соединен с единичным выходом триггера 6, управляющий единичный вход которого соединен с установочным входом первого счетчика 7, а управляющий вход подключен к выходу элемента.ИЛИ 8 и управляющему входу первого счетчика 7, выход второго ключа 5 соединен со счетным входом первого счетчика 7. разрядные входы которого соединены с информационными входами разрядов регистра 9. разрядные выходы которого являются выходами генератора случайных чисел, выходы элементов И 10 каждой j-й группы (j 1. К. где К - число

00

о ч

N 00

ю

законов распределения случайных чисел, обеспечиваемых генератором), соединены с j-й группой информационных входов коммутатора 11, каждая j-я группа выходов которого соединена с входами j-ro элемента ИЛИ 12 первой группы, выходы которых соединены с разрядными входами делителя 4 частоты, выход которого соединен со счетным входом второго счетчика 13, выход переполнения которого соединен с вторым входом второго дополнительного элемента И 14. Выход последнего соединен с первым входом первого дополнительного элемента ИЛИ 15, второй вход которого соединен с выходом первого дополнительного элемен- та И 16, а выход соединен с входом формирователя 17 импульсов, выход которого соединен с синхронизирующим входом регистра 9 и входом элемента 18 задержки,

выход которого соединен с вторым входом

элемента ИЛИ 8 и с входами запуска первого датчика 19 и второго датчика 20 равномерно распределенных случайных чисел. Разрядные выходы датчика 19 соединены с первой группой входов схемы 21 сравнения, вторая группа входов которой соединена с разрядными выходами второго счетчика 13 и с входом дешифратора 22, выходы которого соединены с первыми входами элементов И 10 j-й группы, выход Равно схемы 21 сравнения соединен с нулевым входом триггера 6, выход Сброс блока синхронизации 3 соединен с входами начальной установки делителя 4 частоты, регистра 9, второго счетчика 13 и вторым входом элемента ИЛИ 8. Выходы каждого j-ro элемента И из группы 23 и группы 24 соединены с входами j-ro элемента ИЛИ второй группы 25, выходы которой соединены с вторыми входами элементов И j-й группы 10, разрядные выходы второго датчика 20 равномерно распределенных случайных чисел соединены с первыми разрядными входами второй схемы 26 сравнения, вторые разрядные входы которой соединены с первой группой выходов блока3 синхронизации, а выход-с первыми прямыми входами элементов И первой группы группы 24, j-й выход второй группы выходов блока 3 соединен с вторыми прямыми входами j-x элементов И группы 23 и вторыми инверсными входами j-x элементов И группы 24, j-e выходы третьей группы выходов блока 3 синхронизации соединены с третьими прямыми входами групп 23 и 24 элементов И. Первые входы дополнитель- ных элементов И 14, 16 и 27 соединены с выходом Синхронно-асинхронно блока 3 синхронизации, а второй вход первого дополнительного элемента И 16 подключен к единичному выходу триггера, второй вход

третьего дополнительного элемента И 27 подключен к выходу элемента ИЛИ 8, выход элемента 18 задержки является выходом синхронизации генератора случайных чисел.

Формирование случайных чисел основано на преобразовании равномерно распределенных на интервале (0,1) случайных чисел R в случайные числа с заданным законом распределения вероятностей F(X), которое сводится к решению относительно X уравнения

00

/ f(X)dxeRi.

- 00

(1)

или F(X) R, где F(X) - функция распределения.

Формирование композиции случайных чисел, включающей основное случайное число и случайное число, описывающее грубые ошибки, осуществляется по методу П.Хубера согласно следующему соотношению:

Y (1 -E)X1 EX2,

(2)

где Х1 - случайные числа, распределенные по основному закону распределения вероятностей;

Х2 - загрязняющие случайные числа, распределенные по соответствующему закону распределения вероятностей;

Е - малый параметр, указывающий на процентное содержание грубой ошибки в модели случайных чисел.

Генератор работает следующим образом. .

В исходном состоянии ключ 2 разомкнут, на выходах датчиков 19 и 20 равномерно распределенных случайных чисел сформированы числа, на выходах второй группы выходов блока синхронизации установлены 1, на выходах третьей группы выходов блока синхронизации - О. Настройка генератора случайных чисел на формирование композиции случайных чисел с заданными законами распределения вероятностей производится путем установки на выходах первой группы выходов блока 3 синхронизации кода, соответствующего значению малого параметра Е. установки 1 на выходах третьей группы выходов блока 3 синхронизации, которые соответствуют выбранным законам распределения случайных чисел (основному и загрязняющему) и О на выходе второй группы выходов блока 3 синхронизации, который соответствует закону распределения вероятностей загрязняющих случайных чисел. Сигналом Сброс с блока 3 синхронизации, делитель 4 частоты, счетчики 7 и 13, регистр 9 устанавливаются в нулевое состояние, триггер 6 устанавливается в такое состояние, когда ключ 5 замкнут. Сигнал с выхода схемы 27 сравнений (1, если число с датчика равномерно распределенных чисел Е и О - в противном случае) через соответствующие группы элементов И (23 или 24) и группы ИЛИ 25 подключает соответствующую группу элементов И 10, производя таким образом настройку генератора на формирование случайного числа, распределенного по одному из выбранных законов распределения вероятностей (основному или загрязняющему). Сигнал Синхронно-асинхронно (0 - синхронно, 1 - асинхронно) с блока синхронизации 3 устанавливает соответствующий режим работы генератора.

В синхронном режиме работы генератора по команде Пуск замыкается ключ 2 и импульсы с renepatopa 1 тактовых импульсов через делитель 4 частоты начинают поступать на вход счетчика 13. По цепи обратной связи через дешифратор 22, включенную группу 10 элементов И и элементы ИЛИ 12 производится управление коэффициентом деления делителя 4 частоты, обеспечивающим необходимую частоту для каждого участка аппроксимированной функции распределения, которая формируется на выходах счетчика 13. В момент, когда число на выходе счетчика 13 становится равным числу на выходе датчика 19 равномерно распределенных случайных чисел, с выхода схемы 21 сравнения оно поступает на триггер 6, который перебрасывается и размыкает ключ 5. Число, записанное е счетчик 7, является искомым. После переполнения счетчика 13 сигнал с него поступает на второй вход дополнительного элемента И 14, сигнал с выхода которого через дополнительный элемент И 15 поступает на формирователь 17 импульсов, импульс с которого переписывает число с выхода счетчика 7 в регистр 9. Импульс, задержанный элементом 18 задержки на время установки числа в регистр 9, сбрасывает в нулевое состояние счетчик 7, производит смену чисел в датчиках 19 и 20 равномерно распределенных случайных чисел и устанавливает триггер 6 в такое состояние, когда ключ 5 замкнут. За время записи числа в регистр 9 сигнал с выхода схемы 27 сравнения настраивает (перенастраивает) генератор ка формирование нового случайного числа по одному из выбранных законов распределения вероятностей. Формирование следующих случайных чисел производится аналогично. Генерирование однородных случайных чисел осуществляется при величине Е 0.

При асинхронном режиме работы гене- 5 ратора по команде Пуск замыкается ключ 2 и импульсы с генератора 1 тактовых импульсов через делитель 4 частоты начинают поступать на вход счетчика 13. По цепи обратной связи через дешифратор 22, вклю0 ченную группу 10 элементов И и элементы ИЛИ 12 производится управление коэффициентом деления делителя 4 частоты, обеспечивающим необходимую частоту для каждого участка аппроксимированной фун5 кции распределения, которая формируется на выходах счетчика 13. В момент, когда число на выходе счетчика 13 становится равным числу на выходе датчика 19 равномерно распределенных случайных чисел, с выхода

0 схемы 21 сравнения оно поступает на триггер 6, который перебрасывается и размыкает ключ 5. Число, записанное в счетчик 7, является искомым. Сигнал с выхода триггера 6 поступает также на второй вход первого

5 дополнительного элемента И 16 и через дополнительный элемент И 15 поступает на формирователь 17 импульсов, импульс с которого переписывает число с выхода счетчика 7 в регистр 9. Импульс, задержанный

0 элементом 18 задержки на время установки числа в регистр 9. сбрасывает в нулевое состояние счетчик 7. производится смена чисел в датчиках 19 и 20 равномерно распределенных случайных чисел, устанавли5 зает триггер 6 в такое состояние, когда ключ 5 замкнут, через третий дополнительный элемент И 27 устанавливает в нулевое состояние второй счетчик 13 и делитель 4 частоты и поступает на выход синхронизации

0 генератора случайных чисел. За время записи числа в регистр 9 сигнал с выхода схемы 27 сравнения настраивает (перенастраивает) генератор на формирование нового случайного числа по одному из выбранных

5 законов распределения вероятностей. Формирование следующих случайных чисел производится аналогично. Генерирование однородных случайных чисел осуществляется при величине Е О,

0

Таким образом, генератор случайных чисел имеет существенное преимущество перед указанным прототипом, заключающееся в том, что .он имеет большее быстро5 действие в асинхронном режиме, что позволяет сократить время выдачи последовательности реализации случайной величины в среднем в 2 раза. Применение устройства позволит получить экономию и снижение себестоимости устройства за счет

сокращения затрат электроэнергии при его эксплуатации.

Формула изобретения . Генератор случайных чисел, содержащий генератор тактовых импульсов, первый и второй ключи, делитель частоты, первый и второй счетчики, регистр, первую и вторую группы элементов ИЛИ, два коммутатора, первый и второй датчики равномерно распределенных случайных чисел,.схемы сравнения, дешифратор, элемент задержки, первый элемент ИЛИ, формирователь импульсов, триггер, К групп элементов И (К - число задаваемых законов распределения вероятностей), блок синхронизации и дополнительные группы элементов И, причем выход генератора тактовых импульсов соединен с информационным входом первого ключа, управляющий вход которого соединен с первым выходом блока синхронизации, а выход - со счетным входом делителя частоты и информационным входом второго ключа, управляющий вход которого соединен с единичным выходом триггера, единич- ный вход которого соединен с установочным входом первого счетчика и выходом первого элемента ИЛИ, выход второго ключа соединён со счетным входом первого счетчика, разрядные выходы которого соединены с информационным входом регистра, выход которого является выходом генератора, выходы элементов И дополнительных групп соединены с j-й группой информационных уходов первого коммутатора (где j 1, К), управляющий вход которого является входом задания коэффициентов линейной аппроксимации интегральной функции распределения вероятностей, каждая j-я группа выходов первого коммутатора соединена с входами j-ro элемента ИЛИ первой группы, выходы элементов ИЛИ первой группы соединены с информационным входом делителя частоты, выход которого соединен со счетным входом второго счетчика, выход формирователя импульсов соединен с синхронизирующим входом регистра через элемент

задержки, с вторым входом первого элемента ИЛИ и входами запуска второго и первого датчиков равномерно распределенных случайных чисел, выход которого соединен с

первым входом схемы сравнения, второй вход которой соединен с выходом второго счетчика, подключенного к входу дешифратора, выходы которого соединены с первыми входами элементов И дополнительных

групп, выход Равно схемы сравнения соединен с нулевым входом триггера, второй выход блока синхронизации соединен с входами начальной установки делителя частоты, регистра, второго счетчика и вторым

входом первого элемента ИЛИ выходы элементов И каждой группы соединены с входами одноименного элемента ИЛИ второй группы, а выходы элементов ИЛИ второй группы подключены к вторым входам элементов И дополнительных групп, разрядные выходы второго датчика, равномерно распределенных случайных чисел соединены с информационным входом второго коммутатора, управляющий вход которого

соединен с первой группой выходов блока синхронизации, а выход - с первыми входами элементов И групп, вторая группа выходов блока синхронизации соединена с вторыми входами элементов И групп, третья

группа выходов блока синхронизации соединена с третьими входами элементов И групп, отличающийся тем. что, с целью повышения быстродействия, в него введены три элемента И и второй элемент ИЛИ, выход которого соединен с входом формирователя импульсов, а выходы - с выходами первого и второго элементов И, выход третьего элемента И подключен к установочному входу второго счетчика, первые входы злементов И подключены к третьему выходу блока синхронизации, второй вход первого элемента И подключен к прямому выходу триггера, второй вход, второго элемента И подключен к выходу переполнения второго

счетчика, второй вход третьего элемента И подключен к выходу первого элемента ИЛИ, выход элемента задержки является выходом синхронизации генератора.

j I IJ I I III I I II I 1 M I I I I I h. I I I M i II 1 M II M I U I ) I LLL

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в системах статистического моделирования. Генератор моделирует однородные случайные сигналы, соответствующие заданной функции распределения вероятностей, по методу П.Хубера. Использование предложенных новых связей и блоков позволяет увеличить быстродействие генератора в асинхронном режиме работы в 2 раза по сравнению с прототипом. Вмход- ные случайные сигналы генератора практически точно описывают реальные случайные возмущения и сигналы, наблюдаемые при исследовании различных технических систем. Генератор содержит генератор тактовых импульсов, ключи, блок синхронизации, делитель .частоты, триггеры, счетчики, элемент ИЛИ. регистр, группы элементов И, коммутаторы, датчики равномерно распределенных случайных чисел, дешифратор и схему сравнения. 3 ил. ел С

II

1

ilJLJJJJJJJJJJJ 1.1 i.l i- U i LLL

A

II

1

Фш-. 2

ЪАОКО (Ьнй) j

rf/

и S

1 M M I I I

г ts

UФиг. 3