Генератор псевдослучайных чисел Советский патент 1979 года по МПК G07C15/00 G06F1/02 

Предлагаемый генератор относится к области вычислительной техники и может быть использован, в частности для испытания и моделирования систем передачи информации, а также в качестве периферийного блока (ЭЦВМ электронной цифровой вычислительной машины. Известен генератор псевдослучайных чисел, содержащий регистр сдвига с сумматором по модулю два в цепи обратной связи, генератор импульсов, цифровой фильтр, преобразователь 1 . Недостатком этого генератора явпяется его сложность. Наиболее близким тех1Л1ческим решением к данному изобретению является генератор псевдослучайных чисел содержащий сумматор по МОДУ.ЛЮ .два, первый и второй входы которого соеди нены с первым и вторым выходами соот ветственно основного регистра сдвига, первь й вход которого соединен с первым выходом генератора импульсов второй выход которого подключен к первому входу счетчика, выход которого является первым выходом генератора 2. При исследовании реальных систем/ имеюидах ограниченную полосу пропускания, важной характеристикой случайного процесса являются его корреляционные свойства. Степень коррелированности чисел зависит от ширины полосы пропускания системы. Поэтому при исследовании таких систем необ ходимо формировать коррелированные числа и, кроме того, важно иметь возможность изменять время корреляции, что эквивалентно получению случайного процесса на выходе фильтра с изменяемой полосой пропускания. Целью предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей генератора псевдослучайных чисел за счет изменения степени коррелнрованности формируёккис чисел. Для дортижения поставленной цели генератор содержит первый и второй делители, блок задания знака, коммутатор и дополнительный регистр, выход которого соединен со вторым входом счетчика, первый вход- с первым выходом основного регистра сдвига/ второй вход объединен с первым входом первого делителя и подключен к первому выходу генератора IJM3пульсов, а-rpyftna выход5в соединена с группой входов коммутатора, выход которого, подключен ко второму входу основного регистра.сдвига, первый вход - к выходу сумматора по модулю два, а второй вход - к выходу первого делителя, второй вход которого подключен ко второму выходу генератора импульсов и ко входу второго делителя, выход которого соединен с первым входом блока задания знака, второй вход которого соединен с выходом счетчика, а выход является вторым выходом генератора. На фиг.1 приведена блок-схема предлагаемого генератора. На фиг.2 - функции корреляции последовательности чисел, формируеNWX генератором в различных режимах работы. В состав генератора входят основ:ной регистр сдвига 1, дополнительный регистр сдвига 2j счетчик 3, сумьтато по модулю два 4, коммутатор 5, де.литель 6, генератор импульсов 7, делитель 8 и блок задания знака 9. Выходы разрядов счетчика 3 являются первым выходом генератора, а выходы разрядов блока задания знака 9-вторым выходом генератора. Выход регистра 1 через дополнительный регистр сдвига 2 соединен со входом счетчика 3. Выходы разрядов регистра 1 в соответствии с коэф фициентами генераторного полинома соединены с входами сумматора по модулю два 4, выход которого через ком мутатор 5 соединён с информационным вхрдом регистра 1. Управляющий вход кс мутатора 5 через делитель с пере менным коэффициентом деления 6 соединен со вторым выходом генератора импульсов 7 и тактовым входами регистров 1 и 2, Выходы разрядов дополнительного регистра 2 соединены с входами коммутатора 5. Первый выход генератора импульсов 7 соединен с установочными входами делителя 6 и счетчика 3 и счетным входом делителя 8, выход которого соединен с управляющим входом блока задания знака 9 Выходы разрядов счетчика 3 соединены со входами блока измерения знака 0. Сущность предложения заключается в формировании псевдослучайных чисел из пересекакядихся отрезков, что позволяет получать коррелирован ные числа. Изменение области пересе чения отрезков приводит к изменению степени корреляции генерируемых чи сел. Рассмотрим принцип работы предла гаемого генератора псевдослучайных чисел.da тактовый вход регистра сдв га I поступает пачка импульс где к разрядность регистра сдвига 1 Первые in() тактов регистр 1 с сумматором по модулю два работает как.генератор бинарной псевдослучайной послед9в4тельности . Затем с выхода делителя 6 приходит сигнал на коммутатор 5, который переключает выходы сумматора по модулю два 4 и дополнительного регистра 2, так что регистр 1 и дополнительный регистр 2 оставшиеся (n-m) тактов работают в режиме кольцевого регистра сдвига. При этом из дополнительного регистра 2 в основной регистр ёключаются только (п-к) разрядов. Таким образом, на вход счетчика 3 поступают П символов и по окончании цикла работы генератора в счетчике 3 сформировано псевдослучайное Число, равное числу единиц в этом отрезке, а в регистре 1 оказывается записана фаза, отличающаяся, от исходной на m тактов. Следующий отрезок имеет (n-w) символов, общих с предыдущим. В начале следующего цикла по сигналу с выхода генератора 7 происходит установка счетчика 3 и делителя в исходное состояние. Исходное состояние счетчика 3, задаваемое по управляющ гму входу перед началом работы, определяет математическое ожидание распределения формируемых псевдослучайных чисел.Коэффициент деления делителя 6 задается по управляю-дему входу и определяет время корреляции . Описанный цикл работы генератора повторяется для формирования каждого нового числа. При достаточно больших И распределение весов отрезков (числа единиц в отрезках) стремится к нормальному. Математическое ожидание этого распределителя определяется зависимостью п где М - число, соответствующее исходному состоянию счетчика в начале каждого цикла формирования псевдослучайного числа. Очевидно, что.изменяя исходное состояние счетчика, получаем различные значения математического ожидания, распределения. Дисперсия Д распределения определяется по формуле д П/4 Если , то генерируемые числа коррелированы. Для примера можно показать, что при т 1 и функция автокорреляции г (К) генерируемой последовательности псевдослучайных чисел имеет вид: (У-Л - Т- целое При достаточно больших п зависимость упрощается гГ -consi , Вследствие периодичности функция корреляции генерируемой последсвательности также периодична с периодом 1. Выражения для функции корреляции даны для одного периода. График корреляционной функции приведен на фиг.2 эпюра а). Увеличение числа тактов m приводит к уменьшению времени корреляции. Таким образом, время корреляции регулируется изменением коэффициента деления делителя 6. В частности, при генерируются практически некорре ляционные числа. Функция корреляции, (фиг.2 эпюра а) удовлетворительно аппроксимир корреляционную функцию шума на выхо ряда технических устройств, в частности, фильтров нижних частот. Так, например, корреляционная функция шума на выходе фильтра согла сованного с единичным прямоугольным импульсом, имеет треугольную форму. Для получения колебательного характера автокорреляционной функци (фиг.2 эпюра в)псевдослучайных чисел, формируем ае в счетчике 3 числ поступают на схему изменения знака которая управляется по управляющему входу делителя 8 с коэффициентом деления L(L«n). на счетный вход дел теля поступают импульсы с частотой формирования псевдослучайных чисел. При этом L чисел поступают на выход генератора без изменения, а следующие L чисел с инверсией знака. Полученная таким образом автокорреляционная функция достаточно хорошо аппроксимирует корреляционную функцию шума на выходе полосо вого фильтра (в частности фильтра, согласованного с прямоугольным ради импульсом) . Изменяя по управляющему входу коэффициент деления делителя изменяем период колебаний функции корреляции (фиг.2 эпюра в), что экБивалентно изменению центральной частоты полосового фильтра. . Таким образом, предлагаемый гене ратор псевдослучайных чисел позволя ет формировать цифровой шум с законом распределения, близким к нормал ному и корреляционными (функциями, характерными для процессов получаемых из белого шума на выходе низкочастотных и полосовых фильтров. Управляя состоянием делителя 6, коммутатора Ь, делителя 8 и счетчика 3 изменяем параметры генерируемых псевдослучайных чисел (что расширяет функциональные возможности генератора случайных чисел. Большой диапазон регулировок в предлагаемом генераторе позволяет эффективно использовать его при моделировании и экспериментальном исследовании различного рода систем передачи цифровой информации. Формула изобретения Генератор псевдослучайных чисел, содержащий сумматор по модулям два, первый и второй входы которого соединены с первым и вторым выходами соответственно основного регистра сдвига, первый вход которого соединен с первым выходом генератора импульсов второй выход которого подключен к первому входу счетчика, выход которого является первым выходом генератора, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей генератора за счет изменения степени коррелированности формируемых чисел, генератор содержит первый и второй делители блок задания знака, коммутатор и дополнительный регистр, выход которого соединен со вторым входом счетчика, первый вход- с первым выходом основного регистра сдвига, второй вход объединен с первым входом первого делителя и подключен к первому выходу генератора импульсов, а группа выходов соединена с группой входов коммутатора, выход которого подключен ко мторому входу основного регистра сдвига, первый вход - к выходу сумматора по модулю два, а второй вход - к выходу первого делителя, второй вход которого подключен ко второму выходу генераторд импульсов и ко входу второго делителя, выход которого соединен с первым входом блока задания знака, второй вход которого соединен с выходом счетчика, а выход является вторым выходом генератора. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР 495657, кл. G06 Р 1/02, 1975. 2..Neuvo,W.H.. AnaEiysis and «gatizalion of a pssndorandom Gaussian and impulsive no-ise source. IE ЕЕ Trons. Согт1типз,Ч975,23,л/е9.

ВЫК1. .2