ГЕНЕРАТОР ПСЕВДОСЛУЧАЙНЫХ СИГНАЛОВ Советский патент 1973 года по МПК G06F7/58 G06G7/52 

1

Изоб ретение относится к области вычислительной техники и, в частности к моделированию случайных цроцессов и явлений.

Предлагаемый генератор псевдослучайных сигналов может быть использован для исследования различных технических, биологических и других систем, решения статистических задач на аналоговых и гибридных аналого-цифровых вычислительных машинах, а также для моделирования различных систем связи и обнаружения с учетом шумов, запаздываний, отражений.

Известные генераторы псевдослучайных сигналов выполнены на основе регистров сдвига, в цепи обратной связи которых установлен сумматор по mod 2.

Такие генераторы могут быть выполнены с использованием одновременно цифровых и аналоговых блоков. Так, например, генераторы псевдослучайных сигналов с бин-омиальным распределением содержат кодирЗюш;ее устройство, два набора цифровых управляемых сопротивлений. Входы цифровых управляемых сопротивлений обоих наборов подключены соответственно к первому 1входу и выходу компаратора, а выходы ч&рез соответствующие ключи выбора - ко входу интегратора и инвертора соответственно. Выход инвертора подключен к первому входу компаратора, второй вход -которого соединен с выходом интегратора; выход компаратора через формирователь подключен ко входу двоичного счетчика и ко .входам регистра сдвига с сумматором в цепи обратной связи.

Однако в таких генераторах период псевдослучайной последовательностн цифрового и аналогового сигналов ограничен разрядностью регистра сдвига; максимальное число случайных реализаций в случае «-разрядного регистра равно /V

увеличение за счет разрядности регистра сдвига не всегда рационально, поскольку многоразрядные регистры сдвига довольно сложны и ненадежны в работе;

ширина линейчатого спектра псевдослучайного сигнала ограничена и зависит от максимальной частоты следования импульсов сдвигде п- период следога

н„

вания импульсов сдвига.

Целью изобретения является устранение этих недостатков, т. е. увеличение периода повторения псевдослучайной последовательности и расширение спектра частот сигналов.

Эта цель достигается тем, что разрядные выходы регистра сдвига подключены к управляющим входа цифровых управляемых сопротивлений обоих наборов, выходы двоичного счетчика через кодирующую схему подключены к управляющим входам ключей выбора. На фиг. 1 приведена схема предложенного генератора псевдослучайных сигналов; на фиг. 2 - диаграммы напряжений псевдослучайных и управляющих сигналов на входах и и выходах генератора. Генератор содержит интегратор I, инвертор 2, выполненные па операционных усилителях с интегрирующей емкостью и солротивлением в цепях отрицательной обратной связи, компаратор 3 напряжений. Интегратор 1, инвертор 2 и компаратор 3 образуют замкнутый колебательный контур (аналоговый мультивибратор) с целью положительной Обратной связи. В мультивиб|раторе при обеспечении необходимых условий возникают автоколебания с пилообразной или треугольной формой напряжения на выходе интегратора 7 и с прямоугольной формой па .выходах комиаратора Зи инвертора 2. Причем на выходе компаратора напряжение может припимать только два фиксированпых значения: +С/ст и -LCT. Генератор содержит также «.-разрядный регист|р сдвига 4 с одноразрядным сумматором 5 по mod 2, двоичный т-разрядный счетчик 6 (), старшие разряды которого (+1, +2, ..., I, ..., т) подключены ко входа.м кодирующей схемы 7, формирователь 8 коротких импульсов сдвига, включенный между выходом компаратора 3 напряжений и входами регистра сдвига 4 и двоичного счетчика 6. Кодирующая схема 7 представляет собой шифратор со случайным законом кодирования, имеющий К входов л 2К выходов (К т-п, где m - разрядность двоичного счетчика 6, а п- разрядность регистра сдвига 4}. На входах интелратора / и инвертора 2 установлены наборы 9 и 10 цифровых управляемых сопротивлений 11, образованных п последавательпо включенными резисторами с щунтирующими их ключами. Номиналы резисторов всех цифровых управляемых сопротивлений (ЦУС) . могут быть распределены как по регулярному закону (папример, двоичному: R, 2/, ..., ), так и по случайному, например, с использованием таблиц Гауссавского, Рэлеевского и других распределений. Проводимость каждого ЦУС определяется п-разрядным параллельным кодом на выходах регистра сдвига 4, подаваемым на управляющие входы ЦУС. С помощью ключей выбора 12 ЦУС, управляемых от кодирующей схемы 7, ко входам интегратора / и инвертора 2 могут подключаться как отдельные ЦУС 11, так и их различные сочетания (параллельно включенные ЦУС по 2, 3, ... К). Число различных комбиналг . ций для одного набора равно 2 Ск, где К -число ЦУС, Ск -число сочетаний из/С по L Для деух наборов ЦУС 11, установленных в генераторе, число комбинаций сответственно возрастает и равно к при одинаковом числе цифровых управляемых сопротивлений 11 в каждом наборе 9 и 10. В итоге увеличивается число случайных реализаций, которое становится равным A(2«-1)(J ciV; i-l I (где я - разрядность регистра сдвига), а следовательно, увеличивается период повторения псевдослучайной последовательности сигналов. I i Число Ск не является степенью двух, поэтому чтобы обеспечить согласованную работу двоичного т-разрядного счетчика 6 и кодирующей схемы 7, используются не все указанные комбинации, а меньщее их число, кратное степени двух. При этом исключаются наиболее сложные комбинации, например когда включены одновременно все ЦУС или больщое их число. Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии регистр сдвита 4, двоичный счетчик 6 сбро.щены сигналом установки нуля «О (СБРОС) по выходу 13 (фиг. 2,а). При этом на интеграторе / и инверторе 2 установлены начальные условия (например, пулевые). Аппаратурные средства, обеспечивающие установку начальных условий, на работу генератора влияния не оказывают, и на чертежах не показаны. По нулевому состоянию старщих разрядов двоичного счетчика 6 срабатывают определепные ключи выбора 12 ЦСУ, управляемые кодовой схемой 7, обеспечивая первую случайную комбинацию. В пачальпый момент времени , на выход 14 формирователя 8 подается разрещающий потенциал (фиг. 2, б), подготавливаюий формирователь к приему оигналои от компаратора 3. . В момент времени на вход 15 подается сигнал записи единицы (ПУСК) в младий разряд регистра сдвига 4 (фиг. 2, в). По ервоначальному состоянию регистра сдвига ЦУС со случайным номиналом подключаетя ко входам интегратора / и инвертора 2. Напряжение интегратора на выходе 16 наинает изменяться по линейному закону (фиг. , г),определяемому несколькими случайными араметрами схемы А - пыХзн ( н); RMTtt,, (1 + )Кэкв.„ , коэффициент усиления операционного усилителя; С - номинальное значение емкости конденсатора в цепи обратной связи интегратора /; экв„ - эквивалентное сопротивление набора 9 на входе интегратора в интервале от н до i; выхзн - напряжение инвертора на выхо де 17 1 выХзн - .ос - сопротивление в цепи обратной связи инвертора 2; RsKBj, - эквивалентное сопротивление набора 10 на входе инвертора в интервале от t до ti, UC.T - стабильный уровень напряжения компаратора 3 напряжений на выходе 18 (фит. 2, д). Из формул (1) и (2) следует const. (1 +А)С На вход компаратора напряжений 3 поступают линейное напряжение интегратораf/вых со случайной крутизной pinir ЭКВ.д -ЭКВ.д и напряжение с выхода инвертора 2 со случайной амплитудой выхзн (фиг. 2, г и 2, е соответственно). Когда эти два напряжения сравниваются, комларатор изменяет свое состояние на противоположное на выходе 19 формирователя 8 появляется сдвиговый импульс (фиг. 2,ж), который поступает на входы регистра сдвига 4 и двоичного счетчика 6. Интервал времени ti - /„ является случайным и определяется из равенства: , J .Хд„| по формулам (2) и (3). После преобразований имеем (+A)-Rl,, -С (,-4) ; . (4) Для момента времени ti (фиг. 2, г, е (i + )U., -с вылц - - выхзг ; (i - fi-l) . в момент времени на выходах 20 регистра сдвига появляется псевдослучайный параллельный двоичный код Q - а,, «2, ... , а,., .. . , а„,(5) управляющий ключами ЦУС и задающий новые случайные значения ЦУС на входах интегратора / и инвертора 2. На выходе инвертора устанавливается новое значение напряжения (фиг. 2, е) другой амолитуды и противоположного знака. Линейное напряжение на выходе интегратора (фиг. 2, г) начинает изменяться с другой крутизной и в противоположную сторону .( . - RIJY1 В дальнейшем процесс повторяется. При поступлении на счетчик 6 п-то импульса на старших разрядах формируется параллельный код, отличный от нулевого, который преобразуется кодовой схемой 7 в новую комбинационно-избирательную функцию ,г (,1г,1М fjU /,11АИли СбЧ г -Oj, Oj, ... , V. ... , О, Wj , 2 (верхний индекс (I, II) указывает прииадлежность к первому или второму наборам (соответственно 9 и 10, управляющим ключами выбора 12 ЦСУ и задаюш,ИМ новую случайную комбинацию. Изменение функции Ч происходит через каждые очередные 2д сдвиговых импульсов. Генератор может работать также и в периодическом режиме с постоянными частотой следования и амплитудор выходных сигналов. Если в момент времени , снять разрешающий потенциал на входе 14 формирователя 8, то на его выходе отсутствуют сдвиговые импульсы (фиг. 2). В этом случае генератор переходит в режим автоколебаний с параметрами выходных сигналов, определяемыми состоянием, предшествовавшим f;, что позволяет повторять любую случайную реализацию необходимое число раз. Таким образом, параметры выходных ситналов генератора (амплитуда, кр тизна, длительность) в каждый момент времени зависят от многих случайных дискретно изменяемых величин и определяются двумя матрицами состояний, в каждой из которых (п+1) столбцов и (/С+1) строк. Эквивалентная проводимость каждого набора находится из матриц по следзющей формуле . где а, и принимают одно из двух значений: О или 1. Таким образом, предложенный генератор псевдослучайных сигналов позволяет увеличить период псевдослучайной последовательности в раз по сравнению с проотипом и формирует на своих выходах цифовые и аналоговые сигналы с заданными аспределениями амплитуды, крутизны и длиельности при расширении спектра частот, так как с помощью интегратора на операционном силителе можно получать сигналы с длительностями от долей миллисекунд до сотен и тысяч секунд, т. е. коэффициент перекрытия по частоте /minmin может быть весьма :большим (свыше 10), что приближает псевдослучайные сигналы к белому шуму. Предмет изобрете«ия Генератор псевдослучайных сигналов, содержащий кодирующее устройство, два набора Цифровых з-правляемых сопротивлений, входы цифровых управляемых сопротивлений обоих наборов подключены к первому входу и к выходу компаратора соответственно, а выходы через соответствующие ключи выбора подключены соответственно ко входу интегратора и ко входу инвертора, выход которого подключен к первому входу коМПарагора, второй вход которого соединен с выходом интегратора, выход компаратора через формирователь подключен .ко входу двоичного счетчика и ко входам регистра сдвига с сумматором в цепи обратной овязи, отличающийся тем, что, с целью расширения класса решаемых задач, разрядные выходы регистра сдвига нодключены к Зправляющим входам цифровых управляемых сопротивлений обоих наборов, выходы двоичного счетчика через кодирующую схему подключены к управляющим входам ключей выбора.

гЧ

Р

(Пуск) i L U-3XIirjII, 1I Г,

j-iJi|/7 /|/ 2| У

т

г i

1 I L Jл-///- 1

J i импульсоб {2 /j