Генератор случайного процесса Советский патент 1980 года по МПК G07C15/00 G06G7/52 

Изобретение относится к вывдслитепьной технике и может быть использовано при построении имитапионно-модепируюшей аппаратуры для решения задач исследования и оптимизации структурно-сложных систем. Известные генераторы случайных процессов с заданной спектральной плотностью мощности по технической сущности можно сгруппкроватьв два класса, К первому классу могут быть отнесены генераторы, использующие метод преобразования исходного случайного процесса с ,известными статистическими свойствами в случайный процесс с заданными статистическими свойствами и, в соответствий с этим, содержащие в своей структуре генератор исходного случайного процесса и блок линейного инерционного преобразования (формирующий фильтр) . В данном классе устройств . получение случайного процесса с заданной спектраль ной плотностью мощности основано на том что спектральная плотность мощности результирующего случайного процесса определяется произведением спектральной плотности мощности исходного случайного процесса на квадрат модуля частотной характеристики формирующего фильтра. В соответствии с этим управление спектральной плотностью мощности в подобных устройствах осуществляется изменением формы частотной характеристики формирующего фильтра. Структуры формирующих фильтров с управляемыми частотными свойствами хорошо изучены и освещены в литературе. Ко второму классу могут быть отнесены генераторы, использующие для получения требуемой спектральной плотности мощности выходного процесса множество исходнь)Х независимых случайньтх процессов с известными статистическими харак теристиками, которые суммируются с заданными вероятностными или детерминированными весами 2 . Структура таких устройств содержит множество генераторов исходных случай, ных процессов с известными статистическими свойствами, выходы которых соеди нены со входами блока суммирования. Из известных генераторов наиболее близким к изобретению по тезснической сущности $юляется генератор, содержащий блок генераторов первичного нормаль ного шума, блок формирующих фильтров, сумматор и нелинейный безынерционный преобразователь, причем выходы блока генераторов первичного нормального шума соединены через соответствующие формирующие фильтры блока формирукяцих фильтров со входами бпока суммирования, выход которого соединен с выходом генератора через нелинейный безьгаерционный преобразователь . Совокупность блока генераторов первичного нормального шума и блока форми рующих фи.льтров можно рассматривать как многоканальный генератор случайнь1Х процессов 1.( t ), причем спектральные плотности мощности Qj(cu) случайных про цессов iCi ) являются постоянными дл конкретной технической реализации устройства и отличными друг от друга. Так как множество независимых случайных процессов суммируется соответствующим блоком с заданными весами А (, то спектральная плотность мощности G(uj ) случайного процесса (t ) на выходе бло ка суммирования равна сумме нормирован ных спектральных плотностей мощности случайных процессов. .,QJ(OU) Таким образом, в рассматриваемом прототипе управление спектральной плотностью мощности осуществляется вариадией коэффициентов А i . С точки зрения технической реализации, указанный генератор имеет следующие недостатки. I. Сложность технической реализации за счет множества генераторов первичного нормального шума. Генераторы первичного нормального шу ма в свтей структуре содержат один или несколько шумящих физических элементов (например,П-р переход транзистора, шумовой вакуумный диод, стабилитрон), обладающих, большим разбросом и нестабилы ностью, В связи с этим физические генераторы шума содержат дополнительные блоки норми ювания и стабилизациистатистических характеристик шума, что сущес венно усложняет их техническую реализацию и технико-эксплуатационные характе ристики. 21 Сложность технической реализации из-за наличия множества формирующих фильтров. формирующие фильтры могут быть реализованы средствами аналоговой или цифровой техники. В первом случае они представляют собой резонанснь е цепи, характеризующиеся достаточной сложностью перестройки их частотных свойств и нетехнологнчностью изготовления, в связи с чем требования прототипа к отличающимся частотным свойствам формирующих фильтров не позволяют использовать унифицированные по конструкции и частотным свойствам фильтрующие модули. Для реализации формирующих фильтров цифровыми методами требуется дополнительное оборудование, так как цифровой фильтр представляет собой вычислительное устройство, реализующее операции умноже1шя и сложения. 3.Дополнительные погрешности воспроизведения заданной спектральной плотности мощности, обусловленные относительной нестабильностью генераторов первичного нормального шума. Так как реальные генераторы щума обладают нестабильностью лВд дисперсии Ро формируемого случайного процесса, то в соответствии с этим спектральная плотность мощности на выходе генератора будет определяться следующим соотношением: СЫ 2 л.Ъ. Л; «.D- ((u. где 1) - дисперсия шума; Q(UJ)- спектральная плотность модности шума с единичной дисперсией; AD; - нестабильность дисперсии. Второе слагаемое данного соотношения представляет собой функ1шю погрешностей, значение которой определяется не только абсолютной нестабильностью л В о генераторов, но и всей совокупностью ДТЬ4.Зависимость аппаратурных затрат от точности воспроизведения заданной спектральной плотности мощности. Так как спектральная плотность мощности результирующего случайного процесса представляет собой ксмпозшхию спектральных плотностей мощности суммируемых случайных процессов, то точность воспроизведения спектра мощно повысить, увеличивая число членов Ц суммы, а следовательно, увеличивая число генераторов первичного нормального шума и формирующих фильтров, Цепью изобретения является повышение точности воспроизведения заданной спегтральной плотности мощности и упрощение технической реализации путем сокращения аппаратурных затрат.

Цепь достигается тем, что генератор содержит блок умножения, генератор rapмонического сигнала, генератор импульсов первый и второй генераторы случайных чисел, причем выход генератора импульсов соединен со входами генераторов случайных чисел, выходы которых соединены с соответствующими входами генератора гармонического сигнала, выход блока умножения является ВЫХОДОМ4 генератора случайного процесса, а его входы погвслючены соответственно к выходу формирующего фильтра и генератора гармонического сигнала.

На чертеже приведена структурная схема генератора случайного процесса.

Выход генератора I щума соединен со входом формирующего фильтра 2. Входы блока 3 умножения соединены с выходом формирующего фильтра 2 и генератора 4 гармонического сигнала. Входы первого 5i и второго 6 генераторов случайных чисел объединены и подключены к выходу генератора 7 импульсов, а их выходы соединены со входами генератора 4 гармо1шчейкого сигнала.

На выходе генератора 7 импульсов фор мируются импульсные сигналы, следующие один за другим через интервалы времени t: . Входы генераторов 5 и 6 случайных чисел предназначены для их сннхронизации, заключающейся в задании момента времени формирования очередного случайного числа. Случайные числа формируются на выходах генераторов 5 и 6 и поступают на входы генератора 4 гармонического сигнала, прячем случайное число с выхода первого генератора случайных чисел задает частоту, а случайное число с выхода второго генератора случайных чисел задает начальную, фазу гармонического сит нала, формируемого на выходе генератора 4. Блок 3 умножения предназначен для выполнения умножения сигналов с выхода формирующего фильтра и генератора гармонического сигнала, результат которого поступает на выход генератора случайного процесса.

Формирование случайного процесса на выходе генератора протекает следуюпшм образом.

Генератор шума 1 формирует непрерывный случайный процесс, спектрапьнйя плотность мощности которого известна. Проходя через формирующий фильтр 2, случайный процесс с выхода генератора туыа

частотно-нелинейно преобразуется, вследствие чего на входе 3 блока умножения присутствует случайный процесс с заданной спектральной плотностью мощности.

Блок 3 умножения выполняет дальнейшее преобразование случайного процесса следующим образом. Очередной сигнал, появляющийся на выходе генератора 7 импульсов, поступает на входы первого и второго генераторов случайных чисел и вызывает появление на выходах Генераторов двух случайных чисел, первое из которых задает частоту, а второе - начальную фазу гармонического колебания на выходе генератора 4 гармонического сигнал Таким образом, в течение периода следовния -t импульсов на выходе генератора 7 импульсов генератор 4 гармонического сигнала формирует гармоническое колебание со случайными, частотой и начальной фазой, а процесс на выходе .заявляемого генератора представляет собой соответственно произведение случайного сигнала с выхода формирующего фильтра и отрезков гармонических сигналов со случайными частотами и начальными фазами. Связь спектральной плотности мощности результирующего случайного процесса со статистич ескими характеристикам н ел учайны х чисел получается наиболее простой, если принять, что случайные величины на выходах генераторов случайных чисел взаимно независимы, а закон распределения случайных чисел на выходе второго генератора - равномерный. В этом случае спектральная плотность мощности результирующего случайного процесса определяется соотношением

Ci(w),F(, (

.

где

F(W)JR(-C)H(TV car, (2)

.0

(sV

гле H(t)-JE(t)E(l.T)at,

E( /.N . (f

R:( t:) коррел5шионная функция случайного процесса на выходе формирующего фильтра.

Таким образом, существенное отличие предлагаемого генератора от известного заключается в том, что настройка генератора на заданную спектральную плотность мощности осуществляется заданием вероятностей Р; . В связи с этим, увелиlemie точности воспроизведе, заданной спектральной плотности мощности за счет числа М членов .ряда (1) в предлагаемом генераторе требует эасширения области существования случайных чисел (разряд- йости), что приводит к увеличению оборудования только первого генератора спучайных чисел. Соотношение (1) доказыва т также, что погрешность воспроизведения заданной функции Q(tu) оказывается небольшой за счет того, что в генераторе имеются один формирующий фильтр и один генерютор шума, причем дрейф дисперсии шума приводит к изменению постоянного множителя G (UJ) при сохранении заданной формы спектральной плотности мощности. Благодаря указанным особенностям тех ническая реализация изобретения позволяе сократить аппаратурные затраты и повысить точность работы генераторов случайных процессов. Формулаизобретения Генератор случайного процесса, содержащий последовательно соединенные генератор шума и формирующий фильтр, отличающийся тем, что, с цепью повышения точности воспроизведения заданной спектральной плотъюсти мощности, он содержит блок умножения, генератор гармонического сигнала, генератор импульсов, первый и второй генераторы случайных чисел, причем выход гедаратора импульсов соединен со входами генераторов случайшэгх чисел, выходы которых соединены с соответствующими входами генератора гармонического сигнала, выход блока умножения является выходом генератора случайного процесса, а его входы подкшочены соответственно к выходу формирующего фильтра и генератора гармонического сигнала. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Бобнев М. П. Генерирование случайных сигналов и измерение их параметров, М,, Энергия, 19GG. 2.Авторское свидетельство СССР № 391576, кл/q Об F 1/О2, 1973. 3.Авторское свидетельство СССР № 391577, кл. Q 06 F 1/02, 1973 (прототип).