Генератор случайного процесса Советский патент 1980 года по МПК G07C15/00 G06F1/02 

I

Изобретение относится к области B Iчислитепьной техники и может быть использовано при построении имитадионно-моделирующей аппаратуры дня решения задач исследования и оптимизации структурно сложных систем.

Известные генераторы случайного процесса с заданной спектрашной плотностью мощности по технической сущности можно сгруппироватьв два класса.

К первому классу могут быть отнесены генераторы i , использующие метод преобразования исходного случййного процесса с известными статистическими .свойствами в случайный процесс с заданными статис ческйми свойствами и в соответствии с этим содержащие в своей структуре, генератор исходного случайного про;цесса и блок линейного инерционного преобразования (формирующий фильтр). Полу teHHe случайного процесса с заданной спектральной плотностью мендности в классе генераторов достигается тем, что спектральная плотность модности выходного случайного процесса равна произведению спектральной плотности мощности исходного случайного процесса на квадрат модуля частотной характеристики формирующего фильтра. В iсоответствии-с этим управление спектральной плотностью мощности выходного случайного процесса может выполняться путем изменения частотной характеристики формирующего фильтра. Структуры формирующих фильтров, с управляемыми частотными свойствами достаточно полно изучены и освещены в пнте ратуре.

Ко второму |классу могут быть отнесвь. ны генераторы, использукядие для получения выходного случайного процесса с заданной спектральной плотностью мси№ности множества исходных случайных процессов с известными статистическими характеристиками, которые суммируются с заданными вероятностными или датерм - нированными весами f2T Обобщенная сггруктура таких т нераторов содержит множество ген аторов исходных случайиых процессов с известными статистическими свойствами, выходы которых соещвевь со входами блока суммирования. Из известных генераторов наиболее близким по технической сущности к изобретению является генератор, содержащий систему первичных источников нормального шума, систему формирующих фильтров, сумматор и нелинейный элемент СЗ. Выходы первичных источников нормального шума соединены «lepea соответствующи формирующие фильтры системы со входадами сумматора, выход которого соединен с выходом генератора через нелинейный элемент. Совокупность системы первичных источников нормального шума и системы формирующих фильтров можно рассматрива как блок генераторов узкополосных случай ных процессов (гармонических колебаний) I -и генератор которого формирует процесс (t). Далее эта совокупность уэкополосных случайных процессов суммируется с заданными весами Ai , и на выхо .сумматора формируется результирующий случайный процесс вида (1)(0. Известно что если случайные процессы ц {i ) независимы между собой, то спектральная плотность мощностиG (uJ ) случайного процесса f (t ) определяется следующим соотношением: Q(W)-Z , (Ы ) - спектральная плотеость мсш ностн t (t ). В соответствии с приведенным соотношением управления спектральной плотностью мощности G (Ы ) при известных р; (U)) может выполняться путем соответствующего задания коэффициентов А . Недостатками устройства являются ограниченные функциональные возможности Сформирование исключительно непрерывно ч случайного процесса). Кроме того, следует отметить, что реализация первичных источников нормального шума, обладающего стабильными характеристиками, и формирующих фильтров, обладакндих заданными частотными характеристиками, представляет собой достаточ но сложную техническую задачу. Решение данной задачи может быть существенно уп рошено, если в качестве блока генвратсфов узкополосных случайных пропессоа (соао купность системы первичных источников нормального шума н системы формирующих фильтров) использовать блок генераторов гармонических колебаний, представЛЯЮ1ЦЙХ собой частный случай узкополосного стохастического процесса. Однако в прототипе это приведет к тому, «гго процесс на выходе генераторастанет регулярным и соответственно обладающим дискретным спектром вида. G(w)aAiCf(w-w.), где Wj - частоты reHepaTogoB гармонических колебаний; дельта - функция Дирака. Целью изобретения является расширение ))ункциональных возможностей генератора за счет формирования импульсного процесса, и, как следствие, получение возможности использования в качестве блока гецератора узкополосных случайных процессов блока генераторов гармонических колебаний, обладающего простотой технической реализации, В различных областях техники реальные случайные процессы носят импульсный характер, поэтому создание устройств по их регенерирование является актуальной задачей. Например при разработке испытательного оборудования необходимы генераторы случайных импульсных процессов с заданной спектральной плотностью мощности, моделирующие в лабораторных условиях механические ударные воздействия (например, транспортную тряскуЬ Цель изобретения достигается тем, что предложенный генератор содерж Гт генераторы случайных временных интервалов, ведущий мультивибратор и коммутатор. Выход первого генератора случайных временных интервалов соединен со входом второго генератора случайных временных интервалов, выход которого соединен со входом ждущего мультивибратфа. Выход ждущего мультивибратора соединен с пераым входом первотх генератора случайных временных интервалов и первым вхохюм коммутатора, а второй вход первого генератора случайных временных интервалов соединен с первым выходом блока ген раторов гармонических колебаний. Выход блока суммирования соединен со вторым входом коммутатора, выход которого является выходом генератора случайного прооессси Введение в структуру генератора ноых блоков, обеспечивает формирование а выходе генератора процесса, восяшетч мпульсный характер, т.е. содержащего трезки времени, на которых сягнал присутствует (формируется импульс), и отрезки времени, на которых сигнал отсутствует (формируется паУза). Спектральная плотность мощности процесса может регулироваться.

Приобретение процессом на выходе генератора импульсных свойств определяете включением между выходом блока- суммирования и выходом генератора коммутатсура, управляемого ждушим мультивибраторром, а сохранение возможности придания процессу на выходе генератора произвольной (заданной) спектральной плотности мощности определяется введением в структуру генератора первого и второго генераторов. случайных временных интервалов, , На чертеже изображена структурная схема генератора случайного процесса.

Генератор случайного процесса содержит блок генераторов гармонических колебаний, включающий N генераторов гармонических колебаний (1 - IN ), соответствующие выходы которого подключены ко входу блока суммирования 2, коммутатор 3, второй вход которого соединен с выходом блока суммирования, а выход является выходом генератора случайного процесса, первый 4 и второй 5 генератор случайных временных интервалов, ждущий мультивибратор 6. Первый и второй входы генератора 4 соединены соответственно с первым входом коммутатора 3, объединенного с выходом ждущего мультивибратора 6 и выходом первого генератора 1 блока генератора гармони4iecKHx колебан. Генераторы 4 и 5 и мулЕ тнвибратор 6 соединены поспеаоватепьно

Указанные блоки выполняют следующие функции..

Блок генератора гармонических кол&баний формирует ряд регулярных процессов с частотами W м генераторы (,) соотвв пственно .

Блок суммирования предназначен для суммирования сигналов, поступающих на его входы с заданными (управляемыми) весами А ц .

Коммутатор предназначен для придания процессу импульсного характера, так как пропускает на выход сигналы со второго входа прн наличии на первом входе управляющего сигнала и не пропускает в противном случае.

Генератор 4 предназначен для формирования случайного временного интервала между моментами времени; поступления сигнала на его первый вход и появлею1ем сигнала ва его выходе. Этот временной интервал может иметь произвольный дискретный закон распределения, причем дискретность облает еуадестйования определяется частотой гармонического сигнала, поступающего на его второй вход. Закон распределения случайного временного интервала на выходе этого генератора имеет следующий вид:

.cr(t-me),

где 9 - период гармонического сигнала,

поступающего на второй вход; Ру - вepoятнocт i появления временного интервала длиной т9.

Генератор 5 формирует случайный временной интервал с равномерным распределением между моментом времени поступления сигнала на его вход и моментом времени появления сигнала на его выходе.

Мультивибратор 6 по сигналу, поступа эщему на его вход, формнрует импульс заданной (управляемой) длительности Г.

Генератор случайного процесса работает следующим образом.

Генераторы 1 - в течение отрезка времени (произвольной длишд) формирования случайного импульсного процесса формируют на соответствующих входах блока суммирования 2 сигналы V - У вида

V COSWjjt

y cosawQt

выходе которого образуется непрерывный сигнал Z вида:

N

cosnw t

Импульсный характер процесса на выходе генератора случайного процесса обеспечивается дискретным функционированием блоков 3,4,5 и 6, которое осуществляется следующим образом.

В качестве исходного : выбирают мометг времени окончания импульса на выходе мультивибратора 6. При этом из-за отсутствия управляххцего сигнала на первом входе коммутатора на его выходе сигнала нет, что соответствует паузе между импульсами случайного импульсного проиеоса. В этот же момент времени окончание импульса на выходе мультивибратора 6, поступакхцего на первый вход генератора 4 приводит к формированию случайноЬо временного интервала, коггорое | жанчивает. ся появлением сигнала на выходе генератора 4 через интервал времени Т. . т Т.-т tjp где m - случайное число с произвольным авконом распределения,. Ситаал с выхода генератора 4 поступает на вход генератора 5 и запускает его, в связи с чем на его выходе появля ется импульс через интервал времени Т„ т V 27t V w;где Л - равномерно распределительное число в интервале О..1. i аким образом, с момента прихода за пускающего сигнала на первый вход г нератора 4 до момента появления сигнала на входе мультивибратора 6 проходит сле дующий отрезок времени: () W Запуск мультивибратора 6 сигналом, поступающим на его вход, вызывает на е выходе появление сигнала, который присут ствует в течение заданного интервала вре мени тг и, поступая на первый вход коммутатора 3, разрешает прохождение на его выход процесса с выхода блока сумми рования 2. Таким образом, в течение ин тервала времени Т на выходе генератора случайного процесса присутствует сигнал % (t), описываемый следующим соотнощением: . ((m+)nv/Ql rv«1о или в более компактном виде, с учетам того, что константы аргумента косввуеюв могут быть приведены к интервалу 0-2 , ДЛ(, ГДР 4n()-t-mw l а знак Б означает операцию выделения хюлой части из выражения, закгаоченногс в скобки. Можно показать, что при равномерно распределенной величине Л на интервале О 4 1 величины Чр статистически независимы между собой и различных импульсов, и распределены равномерно на интервале 2 ТГ. Следует отметить, что из-за случайного характера величины функция ( t), описывающая форму отдельного импульса, является случайной, несмотря на то, что ( t ) есть результат суммирования регулярных процессов. Таким образом, процесс на выходе предлагаемого генератора представляет собой последовательность сигналов случайной формы, появляющихся чербз случайные интервалы времени. При атом, функция распределения интервалов следования импульсов определяется суммой двух случайных величин Т и Т бла- годаря наличию в структуре двух независимых генераторов 4 и 5, может регулироваться путем- соответствующей настройки генератора 4 . Можно показать, что случайный импульсный процесс на выходе генератора обладает спектральной плотностью мощности, определяемой следующим соотношением:;(wi.-. а еста фyнкцияG(w) задана Ht; 2JC/NN/o то коэффициенты Л п могут быть вычислены по cлeдyквдeh формуле: А --|1 «(). где математическое ожидание интервала времени следования импульсов в потоке. Использование в структуре генератора новых эле ментов (коммутатора, управляемого ждущим мультивибратором и генераторами случайных временных интервалов) позволяет не только получить импульсный характер процесса, но и сохранить возможность настройки генератора на формирование случайного процесса с произвольной (званной) спектральной плотностью м ностн. 73 ПредпагЬемый генератор позволяет достаточно просто расчитать коэффициенты суммирования А по заданной спектральной ПЛОТНОСТИ мощности и упростить техническую реализацию блока генераторов гармо1шческих колебаний. Формула изобретения Генератор случайного процесса, содержащий блок суммирования и блок генераторов гармонических колебаний, выходы которого соединены с соответствующими входами блока суммирования, отличающийся тем, что, с целью расщирения функциональных возможностей генератора за счет формирования импульсного процесса, он содержит генераторы jr lJ,Ui,-r V. - .-. - p.. случайных временных интервалов, ждущий мультивибратор и коммутатор, причемвыход первого генератора случайных временных интервалов соединен со входом вто4910рого генератора случайных временных интервалов, выход которого соединен со входом ждущего мультивибратора, выход ждущего мультивибратора соединен с первым входом первого генератора случайных временных интервалов и первым входом коммутатора, а второй вход первого гене ратора случайных интервалов соединен с первым выходом блока генераторов гарм( нических колебаний, выход блока суммировашя соединен со вторым входом коммутатора, выход которого является выходом генератора случайного процесса. И сто чники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Бобнев М. П.-. Генерирование случайных сигналов и измерение их параметров. М., Энертая, 1966. 2.Авторское свидетельство СССР .. № 391576; кл. 3 06 F 1/02, 1973. 3. Авторское свидетельство СССР № 391577, кл. G 06 F 1/02, 1973 (прототип).