Управляемый вероятностный преобразователь Советский патент 1978 года по МПК G07C15/00 G06F1/02 

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано при создании стохастических вычислитель ных и моделирующих машин и для построе ния цифровых управляющих имитаторов слу чайных возцейсТБИй. Известен управляемый вероятностный преобразователь, содержащий генератор случайных импульсов, регистр сдвига, блок элементов И, элементы ИЛИ, блок источников шумов . Однако этот преобразователь имеет ограниченные функциональные возможности, так как формирует толь ко интервалы времени с одномерным распределением. Наиболее близким техническим решением к изобретению является управляемый вероятностный преобразователь, содержащий блок элементов И, выходы которых соединены с входами первого элемента ИЛИ, первые ахоцы - с выходами вероятностного (1,Г ) - Полюсника, а вторые входы - с выходами блока памяти, первая группа входов которого подключена к вых дам регистра сдвига, а вторая группа входов - к выходам блока управления И . Однако этот преобразователь не обеспечивает формирование групп случайных чисел, каждое из которых независимо от других распределено по требуемому закону, а временной интервал между группами Чисел является непрерывной случайной величиной с заданным законом распределения. Целью изобретения является расширение области применения преобразователя, Для этого преобразователь дополнительно содержит первый, второй, третий, четвертый и пятый элементы И, первый и второй i-риггеры, первый и второй счетчики, первый и второй блоки выдачи кодов, первый, второй и третий генераторы импульсов и второй элемент ИЛИ, выход которого подключен к входу вероягностного (й,П) Полюсника, к первым входам регистра сдвига и первого и второго элементов И, а входы - к выходам третьего и четвертого элементов И, первые входы которых соединень с выходами первого триггера соотетственно, а вторые входы - с выхоцами ервЬго и второго генераторов импульсов оответственно, входы которых подключены к последнему выходу блока управл:ения, вхоц которого соединен с вторым входом 5 регистра сдвига, с входом первого григгера, с первыми входами второго триггера, первого и второго счетчиков, первого и второго блоков выдачи кодов с первым Выходом преобразователя и с выходом вто О рого элемента И, второй вход которого оединен с прямым выходом первого элемента ИЛИ, инверсный выход которого подключен к второму входу первого элемента И, выход которог;о соединен с вторыми 5 входами первого счетчика и второго триггера, выход которого соединен с первым входом пятого элемента И, второй вход которого подключен к выходу третьего генератора импульсов, а выход - к вт&рому 0 входу второго счетчика, выход которого соединен с вторым входом второго блока выдачи кодов, выход которого является вторым выходом преобразователя, второй вхоц первого блока выдачи кодов соеолнен -5 с выходом первого счетчика, а выход является третьим выходом преобразователя. Благодаря этим отличиям управляемый вероятностный преобразователь обеспечивает формирование групп случайных чисел, каждое из которых независимо от других распределено по требуемому закону, а временной интервал между группами чисел является непрерывной случайной величиной ,С заданным законом распределения.

На чертеже изображена структурная Схема управляемого вероятностного преобразователя.

Предлагаемое устройство содержит (1, П) - полюсник 1, блок элементов И 2, первый элемент ИЛИ 3, четвертый 4 и пятый 5 элементы И, первый счетчик 6, первый блок 7 выдачи кодов, блок 8 памяти, блок 9 управления, первый триггер 1О, регистр 11 сдвига, третий генератор 5 12 импульсов, первый элемент И 13i второй счетчик 14, второй блок 15 выдачи кодов, второй элемент И 16, первый генератор 17 импульсов, второй элемент ИЛИ 18, второй триггер 19, третий злемент И 2О и второй генератор 21 импульсов,

Выхоси вероятностного (1,П) - полюсника 1 подключены к первым входам блока элементов И 2, вторые входы которого соединены с соответствующими выходами блока 8 памяти, а выходы с входами первого элемента ИЛИ 3, инверсный

и прямой выходы которого подключены к вторым входам соответственно первого 13 и второго 16 элементов И, первые входы которых соединены между собой и с входом вероятностного (1,г|) - полюсника 1, с первым входом регистра 11 сдвига-и с выходом второго элемента ИЛИ 18, выход первого элемента И 13 подключен к второму входу первого счетчика 6 и второму входу второго триггера 19, выход первого счетчика 6 подключен к первому входу первого блока 7 выдачи кодов, соединенного выходом с третьим входом преобразователя, при этом вторые входы первого счетчика 6 и первого блока 7 выдачи кодов соединены между собой, с выходом второго элемента И 16, с первым входом второго триггера 19, регистра 11 сдвига, второго счетчика 14 и второго блока 15 выдачи кодов, а также с входом блока 8 управления, счетным входом первого триггера 10 и с первым выходом преобразователя, второй выход которого подключен к выхооу Второго блока 15 выдачи кодов, соединенного вторым входом с выходом второго счетчика 14, второй вход которого пошслючен к выходу пятого элемента И 5, соединенного первым входом с выходом второго триггера 19, а вторым входом - с выходом третьего генератора 12, при этом выходы регистра 11 сдвига попдлючены к первой группе адресных, входов блока 8 памяти, с второй группой адресных входов которого соединены выходы блока 9 управления, последний выход которого подключен также к управляющим входам первого 17 к второго 21 Генераторов импульсов, выходы которых соединены с вторыми входами соответственно 1ретьего 20 и четвертого 4 элементов И, первые входы которых подключены соответственно к прямому и инверсному выходам первого триггера 10, а выходы третьего 2О и четвертого 4 элементов И соединены с входами второго элемента ИЛИ 18.

Управляемый вероятностный преобразователь имеет особенности выполнения и настройки отдельных узлов.

Так, вероятностный (1,Г| ) - полюсник 1 является неперенастраиваемым, и по каждому импульсу опроса на одном из его выходов устанавливается единичный потенциал, в то время, как на других устанав ливаются нулевые потенциалы, при этом вероятность установления единичного потенциала на i -м выходе, ( -1,2 ....,г. равна величине -2 , т.е. для первого вьисоца ( -1) величина d j -0,5, цля второго i -2)о 0,25 и т. ц. Первый 17 и второй 21 генераторы импульсов являются регулярными, несин- хронизированными, перенастраиваемыми и настроенными на оцинаковые выхоцные частоты, которых, в общем случае, имеет ся два различньи значения: высокая частота - для режима генерирования группы случайных чисел, и низкая - для режима формирования случайного временного интервала межцу группами случайных чисел При работе преобразователя одновременное переключение частот генераторов про исходит по сигналам из блока 9 управления. БЛОК 8 памяти содержит Г зон по т ячеек в каждой зоне. Выбор 1 - той зо ны определяется присутствием единичного потенциала нд j - ом выходе, 1,2, Г , блока 9 управления. Выбор и передач на выход блока 8 памяти кода, хранящего ся в К-ой ячейке j - ой зоны блока 8 памяти, обеспечивается присутствием единичного потенциала на К-ом выходе, ,2,,.,, Ш , регистра 11 сдвига. Регистр 11 сдвига устроен таким обра зом, что импульсные сигналы, поступающие на его первый вход, осуществляют продвижения единичного потенциала от цан ного выхода регистра к следующему, при STOM продвижение всегда происходит в на правлении возрастания номера к ,выхода, т. е. до к ТТ импульсные сигналы, поступающие на второй вход регистра 11, -нулевых потенциалов на остальных выходах регистра, Блок 9 управления устроен таким образом, что импульсные сигналы, поступа щие на вход, осуществляют продвижение единичного потенциала с j -го выхода на (У +1)-Й, при этом, если единичный дотенциал присутствовал на г -ом выходе блока 9 управления, то входной импуль устанавливает единичный потенциал на пер вом выходе блока 9 управления {на остальных выходах устанавливаются нулевые потенциалы). Счетчики 6 и 14 осуществляют перерасчет импульсов, поступающих на их вторые входы, а по импульсному сигналу, поступающему на их первые входы, счетчики устанавливаются в нулевое состояние Блоки 7 и 15 выдачи кодов обеспечивают по сигналам, поступакнцим на их первые входы, передачу кодов с выходов счетчиков на соответствующие выходы преобразователя. Второй триггер 19 по сигналу, посту лающему па его второй вхоц, устанавливается в нулевое состояние, а по сигналу, поступающему на первый вход-, в единичное. Третий генератор 12 импульсов настроен таким образом, что частота его выходного потока превышает высокую частоту первого 17 и второго 21 генераторов в раза, гдеЗл -разрядность второго счетчика 14. Первь|й счетчик 6 имеет разрядность 5, при этом регистр 11 сдвига имеет разрядность m 2 Случайные числа, вырабатываемые преобразователем, содержат старшие разряды, снимаемые с третьего выхода, и младшие, снимаемые с второго выхода и приписываемые (условно) к старшим без дополнительного преобразования. Распределение всего числа, а распределение младщих, как будет показано дальще, является равномерным и предназначено для увеличения разрядности чисел, вырабатываемых преобразователем. Разрядность выходнснго числа преобразователя равнаЭд 34+52Перед началом работы в блок 8 памяти заносятся коды, определяющие вид закона распределения для каждого из случайных чисел и временного интервала между группами чисел, а также устанавливаются высокая и низкая частоты двух первых генераторов 17 и 21 и соответствующая частота третьего генератора 12. Исходное состояние прео азователя рассмотрим в момент окончания случайного временного интервала, длившегося с момента окончания формирования последнего случайного числа предшествовавшего группе случайных чисел. Счетчики 6 и 14 переходят в нулевое состояние, блок 9 управления и регистр 11 сдвига переходят в первое состояние, а триггеры Ю и 19 - в единичное {хотя состояния первсго триггера 10 равнопр иы.. Первый 17 и второй 21 генераторы импульсов включаются в режим высокой частоты, Формирование случайнсяго равномернораспределенного числа во втором счетчике 14 происходит следующим образом. Так как второй триггер 19 находится в единичном состоянии, то на первом входе пятого элемента И 5 присутствует потенциал, разрешающий прохождение импульсов от третьего генератора 12 на второй вход второго счетчика 14, осуществляющего подсчет этих импульсов. Второй счетчик 14 работает до момента появления перво- Го импульса на выходе одного из элементов И 13 или 16. Появление импульса на выходе второго элемента И 16 означает OKOHHaiine формирования очередного случайного числа, при этом в старших разряцах, согласно исходному состоянию лервого счетчика 6, записаны нули, а коц младших разрядов определяется состоянием.второго счет чика 14. После выдачи коцов через 7 и 15 на выход преобразователя второй счетчик 14 об - уляется и начинает новый счет импульсов от третьего генератора 12,так как второй триггер остается в единичном состоянии,, Если первый импульс после начала фор мирования очередного случайного числа появился на BbLxoas первого элемента И 13 то это означает, что формирование кода младших разрядов закончено, а формированне кода старших, разрядов будет продолжено, при этом первый счетчик 6 переходит иа исходного в первое состояние, а второй счетчик 14 прекращает счет и хранит зафиксированный код до окончания формирования старших разрядов очередного случайного числа, так как импульс С выхода первого элемента И 13 переводит второй тргпг гер 19 -в нулевое состояние, в результате чего на первом входе пятого элемента И 5 устанавливается нулевой потеш иал, запрещающий прохождение через этот элемент потока импульсов от третьего генератора 12, Kottbts формируемые во втором счетчик 14s имеют равномерное распределепие, как результат изменения времен 101о интервала между произвольными импульсами потоки одного из генераторов 17 и 21 и ближайшим импульсом в потоке другого генератора Эти коды коррелировань и зн чение коэффициента корреляции зависит от степени флуктуации частот первого 17 и второго 21 генераторов импульсов, имеющей место во всех реальных генераторах. Однако за счет того, что старшие разряды случайного числа, формируемого преобразователем, независимы, выходные числа преобразователя являются некоррелированными. Применение рассмотренного способа формирования равномерно распределенных ( коррелированных) кодов младших разрядов выходного случайного числа, существенно упростило конструкцию преобразователя, так как не требует дополнительных источников случайных сиг налов и дополнительного преобразователя этих сигналов в ривном8Е но pncriperifJifH - F-rbie коды. За счет поочередного использования первохо 17 и второго 21 гене)аторов импульсов в процессе формирования случайных чисел обеспечивается простая организация формирования кода млпдших разрядов при нулевом состоянии первого счетчика 6, а также уменьшается коррелированность этих кодов, Принцип работы управляемого вероятностного преобразоват-еля основан на проведении последовательности независимых случайных испытаний до первого положительного исхода после которого для формирования нового случайного числа последовательность указанных испытаний начинается сначапа При этом осуществляется операция вероятностного преобразователя код-Е.ероятность . Пусть испытание заключается в опросе первых входов первого 13 и второго 16 элементов И при этом прохождению импульса опроса через второй элемент И 16 соответствует положительный исход испытания, а.через первый элемент И 13- отри.иательнь Й, Обозначим р вероятность положительного исхода к-го по счету испытания в данной последовательности, а есть вероятность отрицательного исхода К го испытания. Тогда вероятность первого положительного исхода при К-ом ис- пытан.чиа .,2,,„„,т , равна . (1) Пусть F к - значение воспроизводимой интегральпой фун1щии распределения дискретной случайной величины Кб Cl,2,... а U.FK FK-PK-i есть значение фун1щии плотности распределения указанной случайной величины (). Тогда из равенства Рк-дРк(2) нетрудно установить связь между значениями функции распределения случайной величины К-номером испытания, имевшего положительный исход и вероятностями положительного исхода в каждом из возможнь х испытаний; Кодированное значение выходного случайного числа К , снимаемого с третьего выхода преобразователя на единицу мень- те номера испьЕтания с ппложнтельк,1М ir хоцом, т, о. К и-1,.2,...,(,( и соответствует количеству последовател иых испытоннй до первого положительног нсхоаа. Присутствие ецииичного потещиа f(l-Lflt & if) к-ом испытании на -ом выходе блока 8 памяти обеснечив ет возможность прохождения ециничного сигнала с -го выхода вероятностного (1,П) полюсника 1 через 4 -ый элемент И блока 2 и первый элемент ИЛИ 3 на второй вход второго элемента И 16, обеспечивая возможность прохождения через эту схему очерецного импульса опроса, поступающего на первый вход второго элемента И 16. С учетом того, что присутствие единичного сигнала на i -ом вы ходе вероятностного (1,П ) - полюсника является случайным событием с вероятностью поступления fl 2 , можно записать вероятность положительного исхода в К-ом испытании ,- (5) Таким образом, с помощью вероятностного (1, fl ) -полюсника 1 блока элементов И 2 и первого элемента ИЛИ 3 осу ществляется преобразование выходного кода блока 8 памяти, представленного сигналами СЗ , в вероятность р положительного исхода к-го испытания, при этом блок элементов И 2 реализует oneрацию перемножения величин а- и СЗ , а элемент ИЛИ 3 реализует операцию сум мирования результатов перемножения согласно выражению (5), Введение в блок 8 памяти кодов, задающих р соответстВИИ с выражением (3), обеспечивает возможность формирования любой требуемой функции распределения кодов старших разрядов выходного числа преобразователя При каждом неуспешном ислытании им- пульсом с выхода второго элемента ИЛИ 18, проходящим через первый элемент И 13, в первый счетчик 6 добавляется единица, регистр 11 сдвига переводится Б (к +1) -ое состояние, а на выходе вероятностного (1,П )-полюсника 1 устанавливается новая случайная комбинация сигналов. При успешном исходе испытания импульсом с выхода второго элемента И 16 осуществляется, в частности, перевоц блока 9 управления из j -го в (j +1)-ое ссютояние, а регистра 11. сдвига - из К- го в первое состояние, чем обеспечивает- ся прцг1)товкл к форки1.)ог ;1мию (j+lj-ro случайного чис.ш, имсющм о нозгшисящое от afiyriix чисел рнсирецеление. По окончании формирования группы из (П-1) случайных Ч)сел блок 9 упрпвления переходит в состояние с номером Р , обеспечивая последующую выборку из блока 8 памяти кодов, определяющих 3aKOfi распрецепения временных интервалов межцу группами чисел, и переключая первый 17 и второй 21 генераторы в peжи( низкой частоты. Дальнейшая работа управляемого вероятностного преобразователя полностью совпадает с рассмотренной. При этом временной интервал до первого положительного исхода испытания при Г ом состоянии блока 9 управления содержит случайное целое число тактов между сигналами одного из первых двух генераторов 17 или 21, а также случайный равномерно распределенный отрезок времеЕ1и до прихода первого импульса опроса на первые входы первого 13 и второго 16 элементов И. Устанавливая требуемые значения низких частот работы первых двух генераторов 17 и 21, oжнo управлять интенсивностью следования группслу- чисел в любом требуемом диапазоне, при этом не требуется никакой дополнительной перенастройки преобразователя, так как закон распределения формируемых чисел и временного интервала между группами чисел не зависит от значений частот первых двух rOEiepaTopa 17 и 21 импульсов. Первый выход управляемого вероятностного преобразователя может быть использован для снятия случайных временных интервалов между его выходными импульсами, имеющ1 ми распределения, совпадающие с соответствующими распределениями формируемых случайных чисел и случайного временного интервала между группами случайных чисел. Технико-экономическая эффективность управляемого вероятностного преобразователя определяется его более широкими по сравнению с известными аналогами функциональными возможностями, сочетающимися при этом с относительно .простой структурой, и возможностью выполнения его целиком на базе элементов цифровой вычислительной техники, в том числе с применением микросхем, что открывает возможности построения высокочастотных, с широкими функциональными всхзможностями, малогабаритных и недорогих преоб-г разователей.