Цифровой генератор случайных процессов Советский патент 1980 года по МПК G06F1/02 G07C15/00 

(54) ЦИФРОВОЙ ГЕНЕРАТОР СЛУЧАЙНЫХ ПРОЦЕССОВ

Изобретение относится к области вычислительной техники и может быть использовано в качестве блока модульной ЭВМ, специализированного блока универсальной ЭВМ, задаю щей аппаратуры для воспроизведения случайны процессов с заданной спектральной плотностью мощности при построении автоматизированных систем исследования надежности с помощью вибростендов. Известен ряд генераторов для формировани случайных процессов заданной спектральной плотностью мощности, в которых требуемая спектральная плотность мощности случайного процесса аппроксимируется непересекающимис спектральными плотностями полосовых случайных процессов с постоянной абсолютной полосой пропускания д(х) (или переменной относительной полосой ), причем велишша спектральной плотности мощности в полосе пропускания разная К, К,,..., К, При этом обязательным условием данного спо соба является независимость полосовых случайных процессов. Данный метод и определил структуры построения генераторов случайных процессов. Известен генератор случайных процессов, содержащий г - источников белого щума, П -полосовых формирующих фильтров с регулируемым усилием в полосе. Выходной случайный процесс получается в результате суммирования на сумматоре всех выходных сигналов формирующих полосовых фильтров. Понятно, что вид воспроизводимой спектральной плотности мощности на выходе оггределяется значениями коэффициентов усиления фильтров и количеством полосовых формирующих фильтров. Изменяя коэффициенты усиления и количество полосовых формирующих фильтров, можно с требуемой точностью получать случайные процессы с заданной спектральной плотностью мощности 1. Данным устройствам присущи существенные недостатки, к которым следует отнести наличие дрейфа у аналоговых фильтров, зависимость результатов работы от нестабильности реактивных элементов (L, С) схемы и особенно генератора белого , низкую технологичность изготовления, трудоемкость настройки, а также сложность и высокую стоимость фильтров, особенно при высоких требованиях к качеству и крутизне амплитудно-частотной характеристики, громоздкость аппаратуры. Кроме того, особую сложность вызывает реализация фильтров сверхнизких частот.

Известен также генератор, в котором аналоговые фильтры заменены цифровыми фильтрами, построенными на базе стандартных элементов вычислительной техники 2.

Однако в этом случае для построения генератора случайных процессов необходимы значи- тельные аппаратурные затраты, которые выражаются количеством фильтров, примененных в этом устройстве. Иногда для уменьшения количества формирующих фильтров используют фильтры одной октавности (т.е. с постоянной относительной полосой пропускания {(х) 2. Очевидно, таким способом можно аппроксимировать узко ограниченный класс спектральной плотности мощности. Введение цифровых фильтров в генератор требует применения аналоговых фильтров нижних частот, которые подключаются к выходу или к входу цифровых фильтров (предполагается наличие аналого-цифрового и цифроаналогового преобразователей в цифровом фильтре) для подавления повторов амплитудно-частотной характеристики, следующих с частотой дискретизации. Количество аналоговых фильтров нижних частот и генераторов белого шума в данном случае равно числу цифровых фильтров.

Недостатком такого генератора является зависимость результатов7его работы от нестабильности реактивных элементов схемы (oco6efmo генератора белдго шума).

Для повышения точности задания требуемой спектральной плотности мощности необходимо увеличивать количество полос, т.е. количество фильтров, при этом можно добиться высокой точности задания требуемого спектра. Однако, очевидно, что точность задания требуемого спектра зависит от annapaTypin ix затрат на реализацию данного устройства, которые сильн ограничивают ее.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является цифровой генератор случайных процессов, содержащий пульт управления, который представляет собой последовательно соединенные регистр константы и дещифратор, цифровой фильтр, мультиплексор, коммутатор, генератор тактовой частоты, генератор белого шума, цифроаналоговый преобразователь, аналоговые фильтры нижние частот, сумматор 3.

Анализ Данного устройства показывает, что при достатоадо большом наборе цифровых фильтров различной октавности S (1-октавны

1/3-октавные, 1/6-октавные) можно аппроксимировать больший класс спектров и несколько уменьшить аппаратурные затраты, в данном случае S.E где i - количество фильтров в двух предьщущих случаях, но число фильтров нижних частот равно их количеству во втором аналоге 2. Данный генератор не лишен недостатка: нестабильность реактивных элементов схемы. Если учесть современные требования виброметрии, когда необходимо доводить центральные частоты до 0,5 Гц, то, кроме того, формирование дантгм устройством инфранизко-частотных полосовых случайных процессов вызывает особую сложность из-за трудностей изготовления фильтров нижних частот. Следовательно, точность. задания требуемого спектра в области нижних частот данным устройством низкая. Для увеличения точности задания спектра необходимо увеличивать S ( количество разнооктавных фильтров, обычно берут

0 два, три типа фильтров: 1 - октавный, 1/3 октавный, реже 1/6 - октавный), что сопряжено со значительными аппаратурными затратами, так как увеличивается число однотипных блоков - цифровых полосовых фильтров,

5 представляющих собой специализированные вычислительные устройства.

Таким образом, недостатком известного генератора случайных процессов является низкая тошость задания требуемой спектральной

0 плотности мощности, значительные аппаратурные затраты, зависимость результатов работы от нестабильности реактивных элементов схемы.

Цель изобретения - увеличение точности задания требуемой спектральной плотности

5 мощности и сокраще1ше аппаратурных затрат, а также уменьшение зависимости результатов работы от нестабильности реактивных элементов схемы и увеличение быстродействия для некоторых видов спектральных плотностей

0 мощности, т.е. поднятие верхнего частотного диапазона генератора.

Для достижения поставленной цели в известный цифровой генератор случайных процессов, состоящий из пульта управления, цифроанало5гового преобразователя, фильтра нижних частот, последовательно включегшых генератора тактовых частот, мультиплексора и генератора белого шума, причем первый выход пульта управления соед1шен с первым входом мульти0плексора, введены блок регистров динамической памяти, коммутатор, дешифратор, два блока оперативной памяти, два множительных блока, два накапливающих сумматора, блок синхронизации, щесть блоков элементов И, два блока

5 элементов ИЛИ, причем первый выход бйока синхронизации соединен с первыми входами первого и второго блоков элементов И, при этом выход первого блока элементов И соединен со входом цифроаналогового преобразо вателя, выход которого соединен со входом фильтра нижних частот, выход которого явля ется выходом устройства, а выход третьего блока элементов И соединен со входом цепоч последовательно соединенных первого блока оперативной памяти, первого множительного блока, первого накапливающего сумматора, п вого блрка элементов И, выход четвертого блока элементов И соединен со входом цепочки последовательно соединенных второго блока оперативной памяти, второго множительного блока, второго накапливающего сумматора и пятого блока элементов И, выход которого соединен с первыми входами первого и второго блоков элементов ИЛИ, выход первого блока элементов ИЛИ соединен со входом первого множительного блока, а выход блока регистров динамической памяти соединен с первым входом шестого блока элементов И, выход которого подключен ко вторым входам рого множительного блока и первого и второго блоков элементов ИЛИ, причем второй вход пятого блока элементов И соединен со вторым выходом блока синхронизации, третий выход которого соединен со вторым входом шестого блока элементов И, вторые входы третьего и четвертого блоков элементов И со динены с четвертым выходом блока синхронизации, пятьш и шестой выходы которого соединены с адресньгми входами соответственно первого и второго блоков оперативной Памяти, выход генератора белого шума соединен со вторым входом второго блока элементов И, выход которого соединен с вычитающим входом второго накапливающего сум матора, при этом выход мультиплексора соеди нен с первым входом блока синхронизации и сдвигающим входом блока регистров динамической памяти, информационные входы которого соединены с выходами коммутатора, управляющий вход которого соединен с выхо дом дешифратора, а информационный вход с выходом второго блока элементов ИЛИ, второй и третий выходы пульта управления соединены с первыми входами соответственно четвертого и третьего блоков элементов И, четвертый выход - со вторым входом блока синхронизации, а пятый выход пульта управления соединен с третьим входом блока синхронизации и входом дешифратора. Известно, что в рамках корреляционной теории для широкого класса случайных проце сов (линейных стационарных и нестационарных их структурные модели полностью определяют ся формирующими фильтрами. Поэтому, как видно из рассмотрения аналогов, задача постро ния генератора случайных процессов сводится 66 к той или иной структурной реализации формирующего фильтра. Для увеличения задания точности требуемой спектральной плотности мощности в основу структуры данного цифрового генератора случайных процессов положен следующий метод. Зная, что спектральная плотность на выходе Л1шейной системы получается нз спектральной плотности на выходе умножением на квадрат амплитудной характеристики системы SV) SJ(CL)), ) не ограничивая общности, положим, что входной процесс с единичной спектральной плотностью (белый шум), SyH--lK(-ja)MH(jaj)|. (1) Решая (1) относительно Нй U)) (задача факторизации) и применяя метод билинейного Z - преобразования, находим передаточную функцию Н(2) цифрового формирующего фильтра соответствующего порядка. Решение задачи (1) осложняется тем, что Зу(Ы1 задана обычно графически или таблично. Поэтому необходимо найти аппроксимирующую функцию ;№) ) 4s, с. - вещественные числа - параметры фзт1кдии. к tTiin Причем moixP(w;(S,(w)-S(u,)U(f (Э) где сГ - абсолютная ошибка; )) - весовая функция, позволяющая учитывать неодинаковьп вес ошибок аппроксимации на различных частотах. Для того, чтобы относительная ошибка аппроксимащш не выходила за наперед заданные пределы , весовая функция выбирается по правилу з,,(ш).е требование минимального К согласуется с требованием нахождения передаточной функции с наименьшим необходимым количеством параметров, т.е. минимального порядка. Фун сция S((J,j находится с помощью математического программирования. На фиг. 1 представлена .структ фа цифрового генератора случайных процессов; на фиг. 2 - временная диаграмма работы блока управления. Цифровой генератор случайных процессов содержит пульт 1 управления, цифроаналоговый преобразователь 2, фильтр 3 нижних частот, генератор 4 тактовых частот, мультиплексор 5, генератор 6 белого шума, бпок 1 регистров динамической памяти, коммутатор 8, дешифратор 9, первый блок 10 оперативной памяти, второй 77 fJjioK 11 oiiepaiHUiioH памяш, первый 12 и второй 3 множительные блоки, первый 14 и второй 15 аакашшпающие сумматоры, блок 16 сшгхронизащш, шесть блоков 17-22 элементов И (первый блок 22, второй блок 20, третий блок 19, четвертый блок 18, пятый блок 21, шестой блок 17), два блока 23 и 24 элементов ИЛИ. Коммутатор 8 представляет собой группу (). одного блока элементов И, каж/дый из которых одним входом подключен к соответствующему выходу дешифратора 9, а вторым входом - к выходу динамической памяти. Количество элементов И в блоке равно разряд ности h регистров динамтеской памяти. . Пулы 1 управления предназначен для ввода параметров щ{фрового генератора случайных пропессов. Он содержит переключатель занесение параметров - работа и набор кнопочны 11ереключа ;елей или микротумблеров для задания параметров, а также кнопку Запись, которая разрешает запись параметров в соответствующий блок оперативной памяти. В случае использования цифрового генератора случайных процессов в автоматизированной системе виброиспытаний или в качестве модуля ЭЦВМ пульт управления заменяется блоком сопряженш с управляющей ЭВМ или с ЭЦВМ О пелом устройство является аппаратурным аналогом цифрового формирующего фильтра, а основу которого положена каноническая форма рекурсивного фильтра с параметрами сА и ), где Jij - коэффтаденты зиамекателя передато ной функции H(Z) сХ: - коэфф11Ш1енты числителя передаточной функции .zH(z): :--rr - . ГТ1f а алгоритм функционирования следутоидай Чп п.У(П-1/ р1- ,(б) .VJ/t n-LВыполнение условий (2) при расчете параметров делает цифровой генератор случайных процессов адаптируемым к требуемой спектральной плотности мсщности. С этой целью в устройство введены дешифратор 9 и коммута тор 8. Адаптация осуществляется по количест ву коэффициентов , согласно (5) и (б), здесь К ,Нл Функционирование устройства происходит следующим образом. Па пульте 1 управлетшя в один из регистров задается код числа К , где К -- порядок знаменателя передатоадой функции (5), пятый выход которого соединен с третьим входом блока 16 и дешифратором 9. Даншлй код в блоке управления используется как код адреса старшего коэффициента jb;,npH этом он дешифрируется дешифратором 9, возбуждается соответствующий выход дешифратора 9,.который управляет коммутатором 8. Таким образом коммутируется вход с (т - К ) -ным выходом. Далее на пульте 1 управлен}{я набираются коды параметров j и подается команда Запись (четвертый выход пульта I управления) в блок 16, там формируются адреса параметров J. и которые соответственно по связям а-а и б-б передаются в адресные части второго) блока 11 оперативной памяти и первого блока 10 оперативной памяти; как только сформировались адреса, блок управлеН1-1Я вырабатывает сигнал Запись в оперативную память (связь в-в) и из пульта управления записываются параметры Р{ и ( (соответственно второй и третий выходы пульта управления) через соответствующие четвертый и третий блоки элементов И во второй и первый блоки оперативной памяти. Так продолжается К раз, т.е. по числу коэффициентов JE) , максимальное количество которых равно Гп , а К изменяется от 1 до ГП , таким образом можно перестраиваться от цифрового формирующего фильтра первого порядка до ИЛ -ого. Так для нужд виброметр1Ш достаточно 16-20 порядка (5). Итак, параметры для формирования случайного процесса с требуемой спектршьной плотностью моццюсти занесены в блоки оперативной памяти, и генератор готов к работе. Из пульта 1 управления (выход первый) поступает сигнал на управляющий вход мультиплексора 5, с помощью которого выбирается требуемая частота дискретизации генератора 4 тактовых частот, которая поступает на вход генератора 6 белого шума в блок 16 и на сдвигающий вход динамической памяти. Данный сигнал пульта управления переводит цифровой генератор случайных процессов в автоматический режим, который функционирует согласно алгоритму (6). Для удобства объяснения функционирования генератора, рассмотрим работу с п -ого шага. К этому моменту времени в блоке 7 регистров динамической памятн хранятся К, промежуточ1ШХ результатов . Значение входного процесса (белый щум/Х„) считывается по сигналу с блока 16 (выход первый, см. временную диаграмму работы блока 16 на фиг. 2) через второй блок 20 элементов И во второй накап9ливающий сумматор 15, а из первого накаппипающего сумматора 14 считывается очередн значение сформированного случайного процес 3 Vrt-4 цифроаналоговый преобразователь 2 и Далее через фильтр 3 нижних частот на выход устройства. Из блоков 10-11 оперативной памяти считываются во множительные блоки 12 и 13 коэффициенты о , и ,, соответствен но, одновременно по сигналу генератора 4 тактовых частот из динамической памяти 7 считывается промежуточный результат Ц/ чере шестой блок 17 элементов И во множительны . блок 13 и через первый блок 23 Элементов ИЛИ во множительный блок 12, где соответственно образуются произведения Cj,, и . Произведение Sl алгебраи чески вычитается из содержимого сумматора 15, а результата(,у, с передается в накапливающий сумматор 14. Промежуточньп1 результат записывается через второй блок 24 элемен тов ИЛИ и коммутатор в (т -К.)-и регистр (перед этим бьш осуществлен сдвиг в динами ческой памяти). По очередному сигналу генератора тактовых частот считывается ( пром жуточный результат и одновременно - и и в результате во множительном блоке 13 образуется произведение n-iC, , а в множительном блоке 12сЛу.|О, далее из содержимого накапливающего сумматора 15 алгебраически вычитается ), сз, , а о(,С|, алгебраически складывается с содержимым накапливающего сумматора 14, а (2 записывается в (т - К,) -и регистр. Так продол жается К раз. В результате во втором накапливающем сумматоре 15 образуется следую щая сумма . , ,ЯГ- к-1 Т----.мГ Здесь и далее верхние индексы при ( означают номера регистров динамической памяти, а в первом накапливающем сумматоре 14 .Т п Г Если коэффициентов меньще, чем 6 дующая сумма ..ГП.л -ГП-1 .. Промежуточные результаты в Д1шамкческой памяти располагается в следующем порядке „т m-v Ti S2 Далее блок 16 снимает сигнал (выход 3). Поступает очередной сигнал тактовой частоты, который производит сдвиг динамической памяти, но перепись ( в (гп - к)-ый регистр не осуществляется, так как нет разрещающего сигнала на щестом блоке 17 элементов И, в результате получаем Т- 6 По сип1алу (второй выход блока синхрони ации) считывается содержимое накапливающего сумматора 15 (там к этому времени уже сформировалось очередное промежуточное значение с /, которое записывается в (т - К ) -и регистр и умножается на AQ , см. алгоритм 6), Далее по сигналу (первый выход блока 16) считывается очередное значение выходного процесса у и в накапливающий сумматор 15 записывается новое входное значение ;)(, Цикл работы повторяется сначала. Необходимо отметить, что введение блоков 7, 8 и 9 увеличивает аппаратурные затраты но незначительно по сравнению с прототипом. Экономия аппаратурных затрат и проявление возможности увеличения точности задания спектральной плотности моцщости получается за счет замены m полосовых фильтров одним вдфровым формирующим со сложной передаточной функцией. Затраты по аппаратуре полосового и предполагаемого фильтра примерно одинаковы, так для обеспечения.неперекрытия полос необходимо брать фильтры полосовые высокого порядка: 16-20 (5). Количество генераторов белого щума и фильтров нижних частот сокращается до одного, следовательно, уменьщается зависимость результатов работы от нестабштьности реактивных элементов схемы, а адаптация генератора к требуемой спектральной плотности мощности делает возможным увеличить быстродействие предлагаемого генератора. Например, требуемая спектральная плотность мощности описывается m -ым порядком передаточной функции форм1фующего фильтра, т.е. количество коэффициентов равно 2т. (порядок, положим, числителя и знаменателя равны), а количество коэффициентов в полосовом фильтре S причем 2т S , тогда имеем вьшгрыщ в быстродействии для данного класса спектральной плотности мощности. Увеличение точности задания требуемого спектра осуществляется за счет увеличения порядка аппроксимирующей функции. При порядке 20 можно описывать более щирокий класс функций, чем с помощью многоканального генера тора. Таким образом конкретная реализация данного устройства позволяет получить высокие технико-экономические показатели, а включение его в состав автоматизированной системы виброиспытаний позволяет поднять испытания на качественно новую основу. Формула изобретения Цифровой генератор случайных процессов, одержащий пульт управления, цифроаналоговый

1175

преобразователь, фильтр нижних частот, последовательно включенные генератор тактовых частот, мультиплексор и генератор белого шума, причем первый выход пульта управления соединен с управляющим входом мультиплексора, отличающийся тем, что, с целью повышения то шости задатш требуемой спектральной плотности мощности, генератор содержит блок регистров динамической памяти, коммутатор, дешифратор, два блока оперативной памяти, два множительных блока, два накапливающих сумматора, блок синхронизации, шесть блоков элементов И, два блока элементов ИЛИ, причем первый выход блока синхронизации соединен с первыми входами первого и второго блоков элементов И, выход первого блока элементов И соед1шен со входом цифроаналогового преобразователя Выход, которого соединен со входом фильтра нижних частот, выход которого является выходом генератора, выход третьего блока элементов И соединен со входом цепочки последовательно соединегшых первого блока оперативной памяти, первого множительного блока, первого накапливающего сумматора,

первого блока элементов И, выход четвертого блока элементов И соединен со входом цепочк последовательно соединенных второго блока оперативной памяти, второго множительного блока, второго накапливающего сумматора

и пятого блока элементов И, выход которого соединен с первыми входами первого и второг блоков элементов ИЛИ, вь1ход первого блока элементов ИЛИ соединен со входом первого множительного блока, а выход блока регистро динамической памяти соединен с первым входом шестого блока элементов И, выход которого подключен ко вторым входам второго множительного блока первого и второго блоков элементов ИЛИ, второй вход пятого бло12

ка элементов И соединен со вторым выходом блока синхронизации, третий выход которого соединен со вторым входом шестого блока элементов И, вторые входы третьего и четвертого блоков элементов И соединены с четвертым выходом блока синхронизации, пятый и шестой выходы которого соединены с адресными входами соответственно первого и второго блоков оперативной памяти, выход генератора белого шума соединен со вторьхм входом второго блока элементов И, выход которого соединен с вычитающим входом вторго накапливающего сумматора, при этом выход мультиплексора соединен с первым входом блока синхронизации и сдвигающим входом блока регистров динамической памяти, информацио1шые входы которого соединены с выходами коммутатора, управляющий вход которого соединен с выходом дешифратора, а информационный вход - с выходом второго блока элементов ИЛИ, второй и третий выходы пульта управления соединены с первыми входами соответственно четвертого и третьего блоков элементов И, четвертый выход - со вторым входом блока синхронизации, а пятый выход пульта управления соединен с третьим входом блока сшосронизации и входом дешифратора.

Истошики информации, принятые во внимание при экспертизе

(.i

ti