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

(54) ГЕНЕРАТОР СЛУЧАЙНОГО ПРОЦЕССА

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано при построении имитационно-моделирующей аппаратуры для решения задачи исследования и оптимизации структурно сложных систем. Известны генераторы, использующие один формирующий фильтр, которые содержатгенератор исходного случайного процесса спектральные свойства которого известны и нормированы. Управление спект ральной плотностью мощности случайного процесса на выходе таких генераторов вьшолняется изменением частотной характеристики формирующего фильтра. Такое управление с математической точки аре-, ния является достаточно простым, так как спектральная плотность мощности случайного процесса на выходе генератора определяется произведением спектральной плот ности мощности исходного случайного про цесса и квадрата модуля частотной характеристики формирующего фильтра . Однако проектирование и изготовление формирующих фильтров с перестраиваемой в широких пределах частотной характеристикой технически сложно. Формирующие фильтры, проектируемые на основе анало- , говых средств (емкостей и индуктивноетей), нетехнологичны и, как правило, их простые конфигурации допускают перестройку частотных свойств в широких пределах только механическим путем. Цифровой же фильтр требует выполнения операций умножения и суммирования и представляет собой вычислительное устройство, высокая точность и быстродействие которого требует существенных аппаратурных затрат. Кроме того, расчет параметров формирующего фильтра по известной частотной характеристике сложен, так как требует выполнения интегральных преобразований. Генераторы случайных процессов, использующие несколько формирующих фильтров, содержат дополнительно в своей структуре несколько генераторов исходнььх случайных процессов и блок суммирования. Управление спектральной плотностью мощности случайного процесса на выходе таких генера1Оров основано на том, что спектральные плотности суммируются при суммировании независимых случайных про цессов. Если при этом спектральные плот ности мощности указанных случайных процессов отличны друг от друга (например сдвигом по оси частот), а суммирование выполняется с определенными детерминиро ванными или вероятностными весами, то юс изменение приводит к изменению спект ральной плотности мощности выходного случайного процесса. Методика расчета параметров настройки указанных генераторов оказывается проще чем для генераторов, содержащих один формирующий фильтр 2. Однако с точки зрения аппаратурных затрат, рассматриваемый вариант является более емким. Известны такхсе генераторы, использующие для формирования выходного случайкого процесса множество импульсных потоков. Такие устройства содержат в своей структуре множество генераторов импульсОв, элементы И, ИЛИ и некоторые другие вспомогательные элементы, причем общим для их структуры является то, что выходы генераторов подключены к входам элементов И, выходы которых под ключены {непосредственно или через другие лопяеские элементы) к входам элемента ИЛИ. Процесс на выходе генераторов представляет собой последовательност импульсных сигналов определенной формы, следующих через случайные интервалы вре мени, причем .регулируемой статической характеристикой выходного случайного процесса является закон распределения случайных временных интервалов з. Известно, что вариация закона распределения случайных временных интервалов менсду импульсами приводит к изменению спектральных свойств процесса на выходе генератора. Названный класс генераторов случайных процессов отличает простота технической реализации, так как в своей структуре они содержат достаточно прос Тые и в небольшом кол1етестве логические элементы, а также простота расчета параметров настройки для формирования про цесса с заданной функцией распределения случайных временных интервалов, форма которой не имеет принципиальных ограниqemift. Однако выполнить обратный расчет, т.е. вычислить требуемую функцию распре целения случайных временных интервалов по заданной спектральной плотности мощности, оказывается затруднительно как из-за сложности математических преобразований, так и из-за ограниченного класса воспроизводимых спектральных плотностей мощности. Наиболее близким техническим рещением к предлагаемому изобретению является генератор случайного процесса, содержащий элемент ИЛИ, входы которого соединены с выходами группы элементов И, первые входы которых соединены с выходами циклического регистра сдвига, вход которого соединен с выходом генератора импульсов 4J. Недостаток этого генератора - ограниченный кдасс воспроизводимых функций спектральной плотности мощности. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей генератора за счет формирования случайных процессов с произвольной спектральной плотностью мощности формируемого процесса. Для достижения поставленной цели генератор содержит группу генераторов импульсов, датчик случайных чисел, группу триггеров, регистр памяти, сумматор, блок памяти, первый счетчик, второй счетчик, причем первые входы триггеров соединены с выходами группы генераторов импульсов соответственно, вторые входы триггеров соединены с выходами датчика случайных чисел, а выходы триггеров соединены со вторыми входам группы элементов И, вход датчика случайных чисел соединен с выходом второго счетчика, вход которого соединен с первым входом первого счетчика, первым входом сумматора, первым входом регистра памяти и подключен к И -му выходу циклического регистра сдвига, второй вход первого счетчика соединен со входом циклического регистра сдви-. га, а выход первого счетчика соединен со входом блока памяти, второй и третий входы сумматора соединены соответственно с- выходом элемента ИЛИ и выходом блока памяти, выход сумматора соединен со вторым входом регистра памяти, выход которого является выходом генератора. Использование новых блоков и связей позволяет получать процесс на выходе генератора в виде последовательности случайных чисел с заданными спектральными свойствами. В отличие от известного форма функции спектральной плотности мощности не зависит от частот генератора импульсов и определяется исключительно на573бором кодов, хранящихся в запоминающем устройстве и может быть произвольной. Указанное свойство устройство приобрело благодаря введению в его структуру триггеров, сумматора, запоминающего устройства, регистра и первого счетчика, а простота методики расчета параметров настройки определяется введением в структуру гене ратора датчика случайных чисел и второго счетчика. На чертеже приведена структурная схе ма устройства. Устройство содержит датчик 1 случайных чисел, группу WB N генераторов 2 (2-1, ..., 2-N) импульсов, группу из N триггеров 3 (3-1, ..., 3-N), группу из VJ элементов И 4 (4-1, ..., 4- N), элемент ИЛИ 5, регистр 6 памяти, суммато 7, блок 8 памяти, первый счетчик 9, цик лический регистр 10 сдвига, генератор 11 импульсов, второй счетчик 12. Выходы 1, ..., N датчика 1 случайных чисел соединены со вторыми входами триггеров 3-1, .0, 3- N соответственно, а первые входы триггеров соединены с выходами генераторов 2-1, ..., 2-N соответственно. Первые входы элементов И 4-1, ..., 4- М соединены с выходами 1, ..., N циклического регистра 1О сдвига, вторые входы - с выходами триггеров ;3-1, ..., 3-N соответственно, а выходы - со входами 1, ..., N элемента ИЛИ 5 соответственно. Выход элемента ИЛИ 5 соединен со вторым входом сумматора 7, первый вход которого соединен с первым входом регистра 6 памяти, первым входом первого счетчика 9, входом второго счетчика 12 и подключен к выходу циклическоГО регистра сдвига. Выход второго счет чика 12 соединен со входом датчика 1 случайных чисел, выход генератора 11 импульсов соединен со входом циклического регистра Ю сдвига и вторым входо первого счетчика 9, Вход и выход блока 8 памяти соединен с выходом первого счетчика 9 и третьим входом сумматора 7 соответственно. Выход сумматора 7 соединен со вторым входом регистра 6 памяти, выход которого явл51ется выходом генератора случайного процесса. Устройство работает следующим образом. Датчик 1 случайных чисел на выходах 1, ,,., N формирует равномерно распределенное случайное число по сигналу, посту пающему на его вход. Генераторы импульсов 2-1, ,.,, 2-N непрерывно формирую 8 импульсные последовательности с частотами 2Ш) соответственно. Триггеры 3-1, ..,, 3- N вьшолняют счет им1тульсных сигналов, поступающих на их первые входы, при этом на выходах триггеров присутствуют сигналы меандровой формы с частотами ty ,.., iU . Вторые входы триггеров являются установочными, появление сигналов на которых вызывает их переключение в соответствующее состояние. Элементы И 4-1, ..., 4- N выполняют логическую операцию И над сигналами, поступающими на их входьи Элемент ИЛИ 5 выполняет логическую операцию ИЛИ над сигналами, поступающими на его входы. Регистр 6 памяти вьшолняет операцию приема и хранения кода, поступающего на его второй вход при появлении сигнала на его .первом входе.Сумматор 7 выполняет суммирование и вычитание кодов. Операция суммирования или вычитания вьшолняется над содержимым сумматора (кодом хранимым в сумматоре) и кодом, поступающим на его третий вход. Управление видом вьшолняемой операции осуществляется сигналом, поступающим на его второй вход, причем при наличии сигнала выполняется суммирование, а при отсутствии - вычитание. Первый йход сумматора предназначен для установки его содержимого в исходное (нулевое) состояние по соответствующему сигналу. Блок 8 памяти предназначен для хранения и выдачи на его выход предварительно записанных в него двоичных кодов при подаче сигналов, соответствующих когду адреса на его вход. Первый счетчик 9 вьшолняет счет сигналов, поступающих на его второй вход. На его выходе при этом присутствуют двоичные коды числа импульсов, поступивших на его вход. Первый вход счетчика предназначен для установки его в исходное (нулевое) состояние. Циклический регистр 1О сдвига по сигналу, поступающему на его вход, вьшолняет сдвиг хранимого в нем двоичного кода, все разряды в котором нулевые за исключением одного. На выходах 1, .,,, Н циклического регистра Ю сдвига присутст вуют сигналы, соответствующие хранимому в нем двоичному коду. Генератор 11 импульсов непрерывно формирует импульсную последовательность с частотой 2Nuu. Второй счетчик 12 вьшолняет счет сигналов, поступающих на его вход. На выходе счетчика 12 появляется каждый М-ный входной сигнал, где М - коэффициент пересчбта. Процесс фушщионирования устройства для наглядности -удобно разбить на , шаги и циклы, причем 1 цикл вюпочает в себя несколько шагов, а 1 шаг несколько тактов. Устройство вьтолняет один такт работы по сигналу.на выходе генератора 11 импульсов. Этот сигнал, поступая на второй вход первого счетчика 9, вызывает передачу кода его состояния в блок 8 памяти, на выходе которого появляется соответствующий двоичный код, поступающий на сумматор. По окончании сигнала на выходе генератора 11 импульсов происходит сдвиг кода в циклическом регистре Ю сдвига и увеличении кода состояния. счетчика 9 на единицу. Один шаг включает выполнение N тактов, причем начало шага характеризуется наличием сигнала на первом выходе циклическо- го регистра 1О сдвига, а конец шага на его N-OM выходе. Вьтолнение очередного шага заканчивается с окончанием сигнала на N-OM выходе циклического регистра сдвига, при этом содержимое второго счетчика 12 увеличивается на единицу в регистр 6 записывается код, хранящийся в сумматоре, содержимое сум матора устанавливается в нулевое состояние и в первый счетчик 9 записывается нулевой код. Один цикл включает в себя вьшолнение M-2N шагов работы устройства и заканчивается появлением сигнала на выходе второго счетчика 12, который вызывает появление очередного случайного числа на выходах генератора случайных чисел, устанавливающего триггеры , .,., 3-N Б случайные равновероят ные состояния. .Рассмотрим вид сигналов на выходах, триггеров 3-1, ..., 3-N в течение длительности цикла. Так как в начале цикла М-й триггер устанавливается в состояние Н (О или 1) с равной вероятностью, а в течение длительности цикла триггер перерасчитывает импульсы, поступающие с выхода соответствующего генератора, то мвандровый сигтшл на его выходе определяется следующим соотношением ,|tis-.. ri l-leign smK.if)H o, где f| - величина, определяемая фазовым остоянием и-го генератора 2 импульсов Гак как частота генератора 11 импульсов в 2N раз больше максимальной частоты переключения триггеров, то время вьтолнения одного шаг-а равно половине периода минимальной длительности сигнала на выходе триггера 3-N . В связи с этим можно условно рассматривать триггеры 3-1, ..., 3-N как находящиеся в статическом состоянии за время вьшолнения одного шага. Рассмотрим более подробно выполнение одного шага с момента времени появления сигнала на выходе 1 циклического регистра сдвига. Так как этому предшествует наличие сигнала на выходе N циклического регистра сдвига, то счетчик 9 и сумматор 7 находятся в нулевом состоянии. Так как сигнал присутствует только на первом выходе циклического регистра сдвига, то на выходе элемента ИЛИ 5 присутствует t сигнал, соответствующий состоянию триггера 3-1. Появление очередного сигнала на выходе генератора 11 импульсов вызывает передачу нулевого кода из счетчика ® запоминающее устройство 8. В соответствии с этим адресом из соответству- ющей ячейки запоминающего устройства на вход сумматора поступает код А.|. При этом код А. суммируется или вычитается из содержимого сумматора S в зависимости от состояния триггера Т,. Таким образом, за один такт работы устройства выполняется операция e.v.W- ,M--{tl i На втором такте работы устройства аналогичная операции выполняется над кодом Дп. из запоминающего устройства и состоянием 2 (.t)Vpиггepa 3-2.. S ,,f(i)-A,i)) и так далее. Таким образом, за время выполнения одного шага в сумматоре 7 накапливается сумма ()Л„, и по окончании шага она записывается в регистр 6. После вьшолнения 2 М шагов цикл завершается установкой триггеров 3-1, ..., 3-Н в новое случайное состояние. При вьшолнении одного цикла на выходе генератора присутствует сигнал FCt) вида P(t) 1 ( ( if) . Если случайные события на выходах дат ,чика случайных чисел статистически независимы между собой, частоты генераторов кратны Шр nuUp) и длительность цикла равна 2lt (.сСо) что достигается зада нием частоты генератора 11 импульсов равной 2N спектральная плотность мощности случайного процесса на выходе генератора определяется соотношением X 0° -, - - G( SC,, -о Методика расчета коэффициентов А оказывается наиболее простой,сли потребовать совпадение функции ) и за данной бСш) в точках ГШо- В слу чае приведенное соотношение принимает bTSVpW G,(raj -S ,0 ° UJ (2) где - функция равная С к, если -- целое число, и равна в противном случае. Отыскание А в соответствии с данным соотношением выполняется достаточ но просто методом подстановки, начиная с Л-(. Действительно при (и;Л.А:С Д5 может быть вычислено А-(, при h - 2 ,сХ «( вычисляется А 2 и так и известном А далево Рассмотрим вероятность формирования случайного процесса с произво/йэной спект ральной плотностью мощности с помощью предлагаемого генератора. Так как соотно шение {1) дает однозначную методику вы числения величин АП, то можно утверждат что для любого набора GCrUJo) могут быть найдены требуемые параметры настройки генератора, С физической точки зрения результирующая спектральная плот ность мощности случайного процесса пред ставляет собой композицию сдвинутых по оси частот функций X/ik 3 с весами А j, что позволяет их вариацией, получать любые формы спектральных функ ций. Таким образом предлагаемое устройство позволяет формировать случайный процесс с произвольной {заданной) спектральной плотносаью мощности, причем метод1жа расчета параметров настройки генератора является достаточнопростой и сводится к выполнению арифметических операций. Формула изобретения Генератор случайного процесса, содер-жащий элемент ИЛИ, входы которого соединены с выходами группы элементов И, первые входы которых соединены с выхо-, дами циклического регистра сдвига, вход которого соедшюн с вььходом генератора импульсов, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей генератора за счет форми- рованш случайнььх процессов с произвольной спектральной плотностью мощности, он содержит .группу генераторов импульсов, датчик случайных чисел, группу триггеров, регистр памяти, сумматор, блок памяти, первый и второй счетчики, причем первые входы триггеров соединены с выходами группы генераторов импульсов соответственно, вторые триггеров соединены с sbLKoaaMn датчика сл -чайных .чисел, а выходы триггеров соединены со вторыми входами группы эломентов И,. вход датчика случайных чисел соединен с выходом второго счетчика, вход которого соединен с первым входом первого счетчика, первым входом сумкштора, первым входом регистра памяти и подключен к И -му вьссоду цпклЕгческого регистра сдвига, второй вход первого счетчика соединен со входок циклического регистра сдвига, а выход первого счетчика соединен со входом блока памяти, второй и третий входы сумматора соединены соответствен™ но с выходом элемента ИЛИ и выходом блока памяти, выход сумматора соедшген со вторым входом регистра памяти, выход которого являе1х;я выходом генератора. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Бобнев М. П, Генерирование случай ых сигналов и измерение itx параметров. „ Энергш, 1966, 2.Авторское свидетельство СССР 391577, кл, Q 06 F 1/02, 1972. 3.Авторское .свидетельство СССР 308431, кл. G Об F 1/02, 197О. 4.Авторское свидетельство СССР 312253, кл. G Об F 1/О2, 197О (прототип).