Генератор широкополосных случайных процессов Советский патент 1980 года по МПК G07C15/00 G06F1/02 

(54) ГЕНЕРАТОР ШИРОКОПОЛОСНЫХ СЛУЧАЙНЫХ ПРОЦЕССОВ Изобретение относится к обпасти вычисгогтельной техники и может быть исгюльзовано в качестве специализированного блока универсальной электронной вьпшспительной машины, а также задающей аппаратуры для воспроизведения /случайных вибраций tnpyt исследовании 1 надежностии с помощью вибростендов. Известные генераторы случайных процессов строятся в основном на аналоговых элементах. Генератор узкополосного 1юрмального шума построен по простейше аналоговой схеме, состоящей из транзистора, емкости, кнцуктввност и ряда сопротивлений , В данном генераторе затруднена перестройка полосы генерируемого случайного процесса по частотному диапазону, а в широком диапазоне такая перестройка вообще невозможна. Как и любая ана логовая схема, построенная на реактивны элементах, генератор узкополосного нормального шума отличается нестабильностью своих характеристик. Аппаратура управления вибрационными установками узкополосной случайной вибрацией отличается громоздкостью структуры. Для реализащш такого генератора необходимы большие аппаратурные затраты , Известен генератор , в которюм увеличетше стабильности параметров СУВУ-УСВ достигается за счет конструктивных улучшений отдельных узлов аппаратуры 2, Общим и наиболее существенным недостатком известных устройств является невозможность построения подобных устройств для генерирования инфранизкочастотных широкополосных случайных процессов ,, Наиболее близким по технической сущности к тфедлагаемому. является цифровой генератор широкополосных случайных процессов на базе нерекурсивного (трансв ерсального) цифрегзого фильтра, содержащий регистр сдвига, блоки у лножоиия, сугл37матор, преобразователь код-аналог и вибрЬстенд с исследуемым объектом з. В данном устройстве входным ciirHartoM является двоичный белый шум, который поступает на йервый регистра сдвига цифрового нерекурсивного фшьтра. По приходу импртьсов сдвига информация, хранящаяся в разрядах рагистра сдвига, сдвигается на один разряд, при этом содержимое последнегоразряда пропадает, а в первый разряд поступает очередное значение двоичной случайной цифры О или i, пркч:ем (Р(О)-0,5 и Р{ 1)О,5. Количество раз рядов регистра сдвига опрвделяетс51 классом спектральных характеристзиж, воспроизводимых генератором случайяых процессов. Так, например, для воспроизведения полосовых случайных процессов ре€1льное значение рас ядности равняется 10-50. В случае воспроизведения широкополоскых случайных процессов количестЕю раз рядов регистра сдвига, и, соответственн блоков у лножения в большинстве с-лучаев равняетсй . Конкретное значение величины m определяется шириной частотного диапазона и крутизной резэнансных всплесков зaдaвa®v foй частотной характеристики S (to )о По виду непрерывной спектральной характеристиъ:и путем равномерного разбиения по оси часгот определяют т. -дискретных отсчетов Si, L im. , на основании которых, используя т)еобразование Фурь onpeaejSoTca тг значений весовой функ ц)рш фильтра п, I , где i 1, т . Для получения очередного знач(ЭЯйя выходного случайного процесса Yi содержимое w разрядов регистра сдвига умножается на весовые коэффиш5еиты b. цифрового фильтра в блоках умножень и полученные произведения суммируются в сумматоре. Далее дискретные значения jj широкополосного случайного процесса поступают на преобразователь код-аналог с выхода которого непрерывный сл айный процесс воздействует на исследуемый объект. Цифровой генератор щирокополссных случайных пропессов на базе нерекурсивного цифрового фильтра отличает1 я чрезвычайно простой структурой. Регистр сдвига реализуется на простейших элементах выч1гслительной техники, блоки умножения проиг ьодят умножение на О или 1, т.е. по сути села в 8 передается или не передается значение огтределенЯого весового коэффитшента п. Вторым и наиболее существенным преимуществом Ш1ФРОВОГО генаратора широкополосных случайных процессов на базе нерекурсивного цифрового фильтра является- возможность гибкой перестройки вида воспроизводимой спектральной плотности мощнос-га путем задания определенных значений весовых коэффициентов f L - ,« . Любой определе1шой совокупности h Л соответствует определе1шый вид дискретной спектральной характеристики tS,L-l,m , определяющей форму 3 ( о) ). Более того, все статистические характеристгаа такого генератора легко О1тредел5потся и с течением времени не изменяются. В процессе работы цифгювого генератора Ещфокополосных случайных процессов при исследовании объекта на случайные воадейвтвия стоит задача поддержания строго оиределенных условий испытаний соответствующих некоторому реальному режиму работы объекта, т.е. в данном случае стоит задача поддержания случайного процесса с неизменной спектральной плотностью S (, о) ) С целью поддержания определенного вида S ( и) ), в настоящее время строятся сложные системы виброиспьгтайий с полосовыми форкдаруюшшли и анализирующими филь7фами. Существенным недостатком цифрового генератора широкополосных случайных проиессов является низкая точность задания спектральных характеристик случайного процесса на выходе исследуемого объекта, а также их временная нестабильность в процессе испытаний изделий, связанная с механическ ями изменениями, происходящими в объекте и вибростенде. Так как вибростенд и иссле дуемый объект имеют определенный вид ампл.итудно-ча.стотной характеристики W(u)) , спектральная п.лотность на выходе будет иметь )( в не требуемый условия ли испытания вид (8 (UJ) . Цель изобретения - увеличение точности и стабильности поддержания заданной спектральной плотности мощности. Для достижения поставланной цели в генератор широкополосных сгтучайных процессов, содержащий регистр сдвига, выходы которого соединены с первыми входами блоков умиожеш1Я соответствен но, выходы которых через сумматор и преобразователь код-напряжение подключены ко входу функционального преобразователя, введены счетчик, регистр динамической памяти, группа сумматоро первая и вторая группа эле {ентов И, группа элементов НЕ, блок элементов НЕ и преобразователь аналог-код, первый вход которого соединен с выходом функционального преобразователя, второй вход преобразователя аналогкод объединен со входом счетчика, с первьпуш входами группы сумматоров и со входом сдвиг регистра сдвига, а выход преобразователя аналог-код под ключен ко входу блока элементов НЕ и к первым входам первой группы элементов И, выходы которых соединены со вторыми входами группы сумматоров соответственно, а вторые входы группы элоч ентов И объединены с первыми входами блоков умножения и групп элементов НЕ соответственно, выходы которых подключены к первым входам второй группы элементов И соответстве но, вторые входы которых подключены к выходу блока эл« 1ентов НЕ, а выходы второй группы элементов И соединены с третьими входами группы сумматоров соответстветгао, выходы которых соединены со вторыми входами блоков умножения соответственно, а четвертые вход группы сумматоров соединены с выходам регистра динамической памяти соответственно, первые входы которых подкпю чены к выходу счетчика, а вторые входьJ регистра динамической памяти являются входами генератора. На чертеже приведена блок-схема генератора. Генератор широкополосных случайных процессов состоит из tn -разрядного регистра 1 сдвига, блоков 2 умножения cyjviMaTopa 3, преобразователя 4 коднапряжение, функционального преобразо вателя 5, преобразоваггепя б аналогкод, блока 7 элементов НЕ группы эле ментов НЕ 8, первой группы элементов И 9, второй группы элементов И 10, группу сумматоров 11, регистров 12 динамической пвмятя, двоичного счетчик 13. Единичные выходы регистра 1 сдвн га подключены ко входам блоков 2 умножения, элементов НЕ 8 и к входам первой группы элементов И 9. 486 Выходы блоков 2 умножешш подключены ко входам сумматора 3, к выходу ко рого последовательно подключены преобразователь 4 код-гнапряжение, функциональный преобразователь 5 и преобразователь 6 аналог-код. Выход преобразователя 6 аналог-код подключен па Еход блока 7 элементов НЕ и на в.торые входы первой группы элементов И 9. На первые входы второй группы элементов И 10 подключены выходы элементов НЕ 8, а на вторые выход блока 7. К nepBhiNi входам сумматоров 11 подключены выходы первой группы элементов И 9, ко вторым выходы вторюй группы элементов. И Ю, а к третьим вход счетчика 13, выходы же сумматоров 11 подключены ко вторым входам блоков 2 умножения. Входы преобразователя 6 аналог-код и счетчики 13 подключены к шине сдвигающих импульсов регистра 1 сдвига. Кроме того, выход счетчика 13 подключен к управляющим входам регистров 12 динамической памяти, выходы которых подключены к четвертым входам сумматоров 11. Входной белый шумХС поступает на п эвьгй разряд 1 регистра сдвига. Весовая характеристика устройства, соответствующая требуемой спектральной плотности мощности в виде дискретных отсчетов hj , L-l,m заносится в регистры 12 динамической памяти. Количество блоков 2 умножения, элементов НЕ 8, сумматоров 11, регистров 12 Д1гнамической памяти, а также количество элементов И 9 и Ю в пеовой и второй группах равняется количеству разрядов регистра 1 сдвига, равному тп , которое, в свою очередь, определяется в процессе проектирования цифрового генератора в зависимости от класса воспроизводик{ых характеристик случайных процессов. Разрядность преобразователей код-напряжение4 и аналог-код 6 определяется разрядностью коэффициентов весовой функции nj, , -L,n, равной п Аналогично разрядность регистров 12 динамической памяти и количество элементов И 9 и Ю равняется. (08.-1 6). Разрядность сумматоров 11 и счетчика 13 определяется точностью оценки взаимокорреляшюшюн фуикшм R ху Рассмотрим основные функции вновь введенных стру стурных блоков. Преобразователь 6 аналог-код служит для преобразоватш аналоговой 1гаформа1даи в цифровую. Частота гфеобразозаний 77 определяется тактовой частотой рабсты устройства. Блок 7 элементов НЕ сложит для ;треобразования Ш1фровой нкфсрмаи ш в , обратный код. Элементы НЕ 8 служат для инверсии вь ходных значений разрядов регистра сдвзп а. Первая и вторая .группы элементов И 9 и 10 служат для передачи на cyj/nviaTopu прямог-о илн обратного кода двоичной .-гнформац Н . Сумматоры 11 осуществляют операщ ю суммирования щ) и обратных 1г.одов Регистры 12 динамической памяти 12 служат для 7фанения весовых коэ()(|)Иииек тов. Счетчнк 13 предназначен для счета импупьсов сдвига до величяны N . Функциош-грова ше устройства происходит следующим образом. Перед началом работь; в регистры 1 динамической памяти к блоки 2 улнгсже }шя заносятся зяачекяя весовой харая.те ристтш h-i, i- l,i которой соответ ствует требуемый вид ). На вход первого, разряда регнстра 1 сдвига пос тупают значения равновероятной нексрре лированной двоичной цифры Х- - О ияи где Р (0)0,5 и Р(1)0,5, запись рначения Л-6- з первый разряд к сдвиг инфсрмаики в регист е остареетвляется по приходу к шульсов сдви.гк . на уиразляющке входы. В блоках 2 , весовые коэ4 ицкенть ЬI t -1, m умножаются на 4-1., есгш значешге соответствующего разряда регистра 1 сдэ.йга равняется 1 и на 1, если О, Ум нож.енные на +1 или -1 значения коэффициентов суммируются на с мматсра 3 на выходе ко-горого получаем щжкрвтнь отсчеты Y случайного процесса, которые затем на преобразозатепе 4 . код-напряженке преобразуются в аичлоговую и лодаютс.ч иа J;yirK Efi-нальный преобрв зователь 5. ,m-:aviG заметить, что этот блок invteer такие устройства, как уск.яйтели мошност, преобразователи электргг-леских колебани в механичесхсяе к наоборот.. Преобрэзо, ватель 6 аналог-ютд преобрвзует аналоговый гшшап в .аискрегяую последовательность отсчетов случайного щюnscca . Причем на выходе блоке 8 Еолучается прямой код отсчета .йЕого процесса, а на выходе блока 7 КОЕ Y . Далее, в зааисимости от значеянй - -го разряда регистра 1 сдвига в i-ый сумма1х р 11 ,ится прямой ИЛИ инверсный код V€.,. В , когд KI -1, В I -ЫЙ cysiMQTop добавляетя i , гак как разрешающий потегпшол оступает с i- -го разряда на i борку элемен1чзв И 9 первой групьы. тех сл чаях, когда X i 0 в I -ый yMNiaTop добавляется инверсный од Уf. {т.е. вычитается Yf ), так ак через i -ый элемент НЕ подается азрешающий потенциал на г -ую сборку элемен-тов И 1О второй группы. В течение N тактов работы генератора опианный вьпне процесс повторяется. Таким образом, после окончания N тактов в i -ом cyMMaixjpe накопится сле дущая сумъ/ш:. i X + V е , где 1 IJTh - номер сумматора 11. Путем обычного сдвига суммы в сумматорах 11, читывая, что N 2 ,,2,3,..., получаем; ху() Rvy (О - h Другими словами, в сумматорах получены весовые коэффициенть Ь; 4 так как они соответствуют спектральной илоетгостн мощности 5()Wf(ij) где W(fii)/l для реальных случаеь . Для , чтобы получить на выходе требуемый вид S(LJ) , необходик-го иттерациоюго изменить коэффищенты 0 блоках 2 умножения. Для чего после получения на сумматорах 11 значений bt по управляющему сигналу, поступающему из счетчиков 13, с коэффициентом пересчета М на с мматоры 11 ИЗ регистров динамической памяти подаются значения h j , В результате простейших операций на сумк аторах 11 полт, ве.т1ичины(11-К1) / 2, которые постзпают на вторые входы блоков 2 умножетгая, где в результате сложения получ аотся: новые значения весовых коэффпамекггэв g J- - Ь i +- (h,; - h 1) / Далее в теченне следующих N тактов процесс позт-оряется вновь, но уже с новыми весозьми коэф)И1шентами , в результате чего получаем очередные новые значения д . Докасзано, что к иттерационньй процесс есть сходящийся процесс. Таким образм, после нескольких шагов яттерации пoлyчaevt весовьге коэффициенты Oj , которым соответствует спектральная плотность мощности 5 ;и)/

/Vyia- . L..jieaOil;r iiJIbtlO, D .:;.:..;.1-1ч;л;СЬ

режяьло ла DbiXOiO полЗ гао -: Cu&.-.ii-..,rj::j;i ;o i-:Ot;;r:oCTH, равичХ)

боть; устроДстпа возможны р-13.с; гги:-о рода Kaexai-iir ecKiie повреждений ь исследуMC;vi объокте и блоке 5, что ельчег за собой из1-48 ещ;е тфО . H3;vieHeiiKe vV(uj;

ТрКЬОДИГ К ;i3:vLGH8HKiO БЫХОДМО Cf/vrKTpQJTной плотное 1-Й, т.э. на вьходе лмее/AMr SUL} и, соответственно, коэфсрицкенты Ь, i ii . что иннцк.ируег коррекцию. Этот факт говорит с

стаЬилыюс iii работы ycYponci-uc , которое реагирует на .;тюбое отклоненыо от- заданного рекУ1ЫО.

Иь пульсы сдаяхга, riocvyn6joaj..;e нь регистр 1 сди:;ра, сумматоры il и двоjv-uJb.i-i счотчяк 13 синхроиизлруюГ работу bDeTi-j ycVj.MtcT-Bs .,

Е .navtHOM генераторе угтрййлекио осущестБлнете;я ыа осноогнни оцэксг; ьо вре- лекнсй области, а не в чаете .иоft,

Такой jicflx-..M влечет за ряд сушеси-веиных iipeu-iymecfii. Ее. - лсрвьгл. нот нэсбходйгЮСТи Е слолкых спзктраль- кых анализаторах, реализаийЛ KOTCptix требует построения, по ьгеьыяеЛ :лере, спеичйлизлровен юго выпУ1СЛ;1Тзл -. ..:С-вторых, улроиается алгор5-1тм утфаклеНйХ; оценива тсй а корректируются .слько

вессй:ле коэффициенты,

Зав,ц.э7;1ле новых блоков Б iaac-ii jsofi гоне.ратор ujjipoxojiOлесных случ йныт; пр цассов позволяло осущеотБить упразлелиз задакньГ:;-ГА характеристиками, что упелр1Ч {ло точиос- ь .; зт;1б;-лгьность полаер/лтлул TpcoyeiviOH с; ектр льной Г:Лот, л сл;-исстк.

Увелилеика точности обуслсьлеко, тем, что йведенйэ обратиол с:;;:лз;1 т;озволкло -1о5о/:сать .елиякия аглилягудЕочастотной kapsCvop icTHXK -./(w; блока S па требуегтый вг:д спектра 5 (ил за счзг

KTTepautOHHof i устгновлеЕлл

ff,

весовых коофалтиектоБ gt . Дн&;глт 1-.

ческое ло опрллеленке vy(iiU практслозюг для DC9X объектов кевозмох но. Более того, процесс проведения. злброяспытанил V((,o)- может менять сзол виД; кричс;.- закок.ь кзлгененшг .

Времеияйл с1-абильнос ь исздержашш требуемой спехтрпльной плоткостя обуспа.ЛЛл:ол р,;бо1ол нтераc:.L.;..:. лесоамх колфФ1А1е1{тов. ло KTHucTHOHKbiM показаi голорзтор. 3 ач} тельно преГОТ;Л ; а дoпoлнiIтeльuoe обо:г..злг иозлаллтелькый объем.

,.с-лфетлая рзалнзацни подоб.„ . :;эзволлт получить вы. .-.о злолокл-пгоскне показатели.

.1 ;:. л 3 о b р е т е н 1 я

1.лрокололоснь х случайных jAOpjKaiuiili регистр сдвнга, fO; о соединолы с первыми .члл ухл;ожолля соответствен:огср;лх через cyNiNfaTop и ель лод-напрл-кение под:: ;яол -Ьункнког-ального преС т .л и ч а Ю Щ i i с я

оли-ю iioiJbiUiGHHH точности -. couepKJsT счетчик, регисчр i лл:ч;яти., груплу CNX Aiaторов ру 1--рунпу элемелтоБ М,

rroij НЕ. блок элементов КЕ Jiiont-. алалог-код, нерзый ./ с:ое. с зыходом функ.л;лоб;:. дзоБатолк, второи л..н аналог-код объе,;.;,; слетчнка, с лервыми : -: с;-:лл1аторов н со входом -: гр;; сд1злга, а выход иреоб-: г;олкл:очен ко глг.елтой НЕ л к nepnbiNs :: груллы зле - елтов И, вы лооллнель; со втортлмн UJ.: су.гматорог соответотвеклходы перпой грулпы элелл лллть; с перзыьлт вхолахгн .;: ллл )г грулль; sлe eFIтoз лл:л;л ; БМХО.ЦЫ которь;х входам второй лтлв -ч ссотзетстБенно, то :тор;::л лоцключелы к выходу ол лЕЗ, а выходы второй груп соод;шены о третыан вхосу ;матороь соответотвелко,

.3.. С Х ЛЛЛЗШЛ со BTOpI.

3-5 ;;:ллс; -:злля соответс7-веТ1 л ЗлОДл групп: 1 су.1 лато ; с ль ходамн рогнотра .лтл соотзотстзелно, ппр.TCMibix лолкл:олены к выходу .:л-1е дходь регистра дилл;:тл яалкютоя Bxopavnt гоИсгочкшог информации; принятые во вгшманке при экспертизе

1 Авторское свидетельство COCLP № 376864; -АЛ, Н ОЗ В 29/ОО, 1972.

2.Кузнецов А. д. РЗыбраниошые питания элементов и устроГтств автоматики, М ., °Экергия% 1976.

3.Данилов Б, С,, Штейкбок М. Г. Однополосная передача цифровых сигнале. М-., Связь, 1974 (прототип).