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

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано при построении имитационно-моделирующей аппарату ры для решения задач исследования и оптими задии структурно-сложных систем. Известные генераторы случайных процессов по совокупности существенных признаков могут быть сгруппированы в два класса. К первому классу относятся генераторы, содержащне в своей структуре один или несколько формирующих фильтров для придания случайному процессу требуемых спектральных свойст Известны генераторы, использующие один формирующий фильтр, содержащие генератор исходного случайного процесса, спектральные свойства которого известны и нормированы 1 Управление спектральной плотностью мощности случайного процесса выполняют изменением частотной характеристики формирующих фильтров. С математической точки зрения такое угфавление является достаточно простым так как спектральная плотность мощности выходного случайного процесса определяется произведением квадрата модуля частотной характеристики формирующего фильтра и спектральной плотности мощности исходного случайного процесса. Однако, с практической точки зрения, проектирование и изготовление формирующих фильтров с перестраиваемой в ишроких пределах частотной характеристикой представляет собой достаточно труднзто техническую задачу. Формирующие фильтры, проектируемые на основе аналоговых средств (емкостей и индуктивностей), достаточно прюсты и стабильны, однако допускают перестройку частотных свойств в широких пределах только механическим путем и не допускают прямого цифрового управления. Реализация формирующих фильтров цифровыми методами частично лишена этих недостатков и допускает прямое цифровое управление частотной характеристикой. Однако цифровой фильтр требует выполнения нескольких операций умножения и суммирования для формирования текущего отсчета выходного случайного процесса, что существенно оказывается на уменьшении быстродействия программно управляемых генераторов. Кроме того, расчет парамегров формирующих фильтров 3 достаточно сложен, так как требует выполнения интегральных преобразований. Генераторы случайных процессов, использую щие несколько формирующих фильтров, содер жат дополнительно в своей структуре нескольк генераторов исходных случайных процессов и блок суммирования с заданными весами 2 Управление спектральной плотностью мощности случайного процесса в таких генераторах основано на том, что при суммировании независимых случайных процессов спектральные плотности их мощности суммируются. А так как суммирование случайных процессов производится с определенными весами, то их вариация приводит к юменению спектральной плотности мощности процесса на выходе генер тора. Указанные генераторы допускают прямое цифровое управление спектральными свойствами, однако требуют выполнения операций умножения исходных случайных процессов на весовые коэффициенты и суммирование полученных результатов. Следовательно, ввиду необходимости вычисления суммы произведений, для формирования одного отсчета генераторы, содержащие несколько формирующих фильтров, эквивалентны по быстродействию генератором, содержащим один формирующий фильтр. К другому классу можно отнести генераторы, использующие для формирования выходного случайного процесса множество случайны импульсных потоков. (6-11) . Такие устройств содержат в своей структуре множество генераторов импульсов, конъюнкторы, дизъюнктор и другие вспомогательные элементы, выполняющие над множеством исходных случайных процессов только логические операции, в связи с чем обладают высоким быстродействием. Однако выходной процесс представляет собой поток импульсов фиксированной формы, следующих через случайные интервалы времени. Управляемой статистической характеристикой потока является функция распределения случайного -временного интервала между импульсами, вариация которой приводит к изменению спектральных свойств процесса на выходе ген ратора 3. К недостаткам известных генераторов можн отнести ограниченность класса воспроизводимы спектральных плотностей мощности, а также сложность методики расчета параметров их настройки по заданной спектральной плотности мощности, так как их целевое назначениемоделирование случайных событий. Наиболее близким к предлагаемому по тех нической сущности является генератор, предназначенный для формирования случайного процесса с заданным многомерным распредели телем, которое в конечном итоге определяет его спектральные свойства. Эта цель достигается тем, что он содержит блок генераторов, включающий множество генераторов нормальных случайных процессов, статистический коммутатор и выходной блок, предназначенный для преобразования сигналов к дискретной форме. Так как выходной блок выполняет лищь вспомогательные функции типа информационных преобразований, то существенными признаками противопоставляемого устройства являются наличие статистического коммутатора и блока генераторов, выходы которого соединены с входами статистического коммутатора. Принцип действия генератора основан на том, что для формирования текущего отсчета выходного случайного процесса случайным образом выбирают один (и только один) из выходов блока генераторов и умножают значение сигнала на определенный коэффициент (4. Так как указанные функции выполняет статистический коммутатор, то в своей структуре он должен содержать устройство умножения текущего значения сигнала на заданный коэффициент, запоминающее устройство для хранения коэффициентов и вероятностей 1, N-noлюсник с управляемыми вероятностями выбора выходов блока генераторов. Кроме того, упомянутый принцип действия может быть реализован только при условии, что процессы на выходах блока генераторов должны иметь в общем случае отличные друг от друга и регулируемые статистические свойства. При реализации генератора с}эедствами аналоговой вычислительной техники перечисленные выше требования к функционированию его элементов не налагают принципиальных ограничений на его быстродействие, так как операции умножения (деления) и суммирования не требуют временных затрат и могут выполняться, например, при помощи потенциометров (деление) или более сложных резистивных схем (суммирование). Однако такой путь не является эффективным, когда речь идет о создании генераторов случайных процессов, управляемых от ЭВМ. Необходимость создания таких генераторов определяется прежде всего тем, что их использование Б качестве узлов и подсистем в сложных .имитационно-моделирующих комплексах с элементами автоматизации статистического эксперимента требует обеспечения возможности программного управления статистическими свойствами случайного процесса. Несмотря на то, что программное (цифровое) управление обладает рядом преимуществ перед аналоговым сформулированное требование является дринципиальным, как в конечном итоге определяет эффективность практического не5пользования генераторов слу-чайных процессов Испытание изделий электронной промышленности на воздействие случайных факторов тре бует применения генераторов случайных процессов, которые являются электрическими аналогами исследуемых воздействий. Причем, если генератор случайного процесса обладает возможностью программного управления от ЭВМ, то процесс испытаний может быть автоматизирован, т.е. задание режимов испытаний, вариация режимов и анализ результата выполняются по специальным программам, хранимым в управляющей ЭВМ. Это приводит к повышению информативности испытаний, прои водительности испытательного оборудования и в конечном итоге, к повышению качества выпускаемой продукции. с целью программного управления, реализа ция известного устройства средствами цифровой техники принципиально возможна, однако ведет к уменьшению быстродействия устройства в целом, по следующим причинам: формирование нормальных случайных процессов с заданными статистическими свойствами требует выполнения над некоторым исходным случайным процессом как минимум двух арифметических операций: умножения (получе ние заданной дисперсии) и сложения (получение заданного математического ожидания); преобразование нормального случайного гфоцесса статистическим коммутатором требует выполнения операции умножения. Таким образом, для вычисления текущего значения выходного случайного процесса выпо нение как минимум psyx операций умножения, реализация которых средствами цифрово техники требует значительных временных затр Вследствие этого можно утверждать, что рассматриваемое устройство при реализации программного управления обладает пониженным быстродействием. Цель изобретения - повышение быстродействия генератора при реализации программног управления спектральными свойствами процесса. Для достижения поставленной цели в генератор случайного процесса, содержащий статчс ческий коммутатор и блок генераторов, выходы которого соединены со входами статисти ческого коммутатора соответственно, введен сумматор, входы которого соединены с выходами статистического коммутатора соответственно, а выход сумматора является выходом генератора. Кроме того, статистический коммутатор содержит датчик случайных чисел и ключи, причем выходы датчика случайных чисел соединены с первыми входами соответствующих ключей, вторые входы ключей, являются вхоими статистического коммутатора, а их выходы - выходами статистического коммутатора. Кроме того, блок генераторов содержит генераторы rapMOHH4ecKFiK колебаний, выходы которых являются выходами блока генераторов, а выход первого генератора гармонического колебания соединен со входами остальных генераторов гармонических колебан1{й. Предлатаемое устройство обладает повышенным быстродействием за счет того, что для формирования текущего значения выходного сл чайного прю цесса не требуется выподшения операций умножения. Высокое быстродействие определяется так же тем, что часть устройства может быть реализована средствами аналоговой техники, а часть (датчик слу-чайных чисел) - цифровыми методами, вследствие того, что в предлагаемом устройстве спектральные свойства выходного процесса определяются законом распределения случайных чисел на выходе датчика, управляющего работой ключевых схем. Таким образом, введение су 1матора в структуру генератора случайного процесса, позволяет заменить операцию умножения процесса на выходе блока генераторов операцией подключения или отключения его ко входу су {матора. Кроме того, благодаря введению счтиматора и указанным особенностям функционирования стохастического коммутатора оказывается возможным повысить быстродействие блока генераторов за счет использования генераторов гармонических колебаний, схемотехника построения которых достаточно хорошо изучена и не имеет принципиальных ограничений по быстродействию. На чертеже приведена структурная схема генератора случайного процесса. Устройство вк.пСшет блок 1 генераторов, статистический коммутатор 2, сумматор 3, ключи 4 (4-1,...,4-М), Aaf4nK 5 случайных чисел и генераторы 1-1,. .Л- гармонических колебаний. Выходы генераторов 1-1,...,1-N гармонических колебаний соединены со вторыми входами ключей 4-1,...,4-N схем соответственно. ервые входы ключей 4-1,...,4-N соединены соответственно с выходами 1, ...,N датчика 5 случайных чисел. Выходы ключей 4-1, ..., -N, являясь выходами статистического коммуатора 2, соединены со входами 1,..., N сумматоа 3 соответственно. Генераторы 1 - 1, ..., 1-N армонических колебаний блока 1 генераторов функционально связаны таким образом, что ыход генератора гармонических колебаний 7 1 - 1 соединен со входами остальных генераторов 1-2, ...,1-N. Названые блоки выполняют следующие функции. Блок генераторов 1 непрерывно формирует На своих выходах множество исходных процес сов. В зависимости от конкретного исполнения Э1ОГО блока, исходные процессы на его выходах могут быть либо случайными, либо представлять собой гармонические колебания с заданными частотами и фиксированными фазовыми соотношениями. В последнем случае он содержит генераторы гармонических колебаний 1-1, ..., 1-N, форми рующие на своих выходах гармонические колебания с заданными частотами. Требуемые фазовые соотношения колебаний поддерживаются благодаря соединению выхода генератора 1-1 со входами синхронизации остальных генераторов 1-2, ..., 1-N. Статистический коммутатор 2 предназначен для периодического подключения ко входам сумматора случайного числа выходов блока 1 генераторов с заданными вероятностями подключения каждого из них. При этом Подключение (если оно выполняется) происходит в прямой или инверсной форме (сигнал с выхода блока генераторов инвертируется или не инвертируется) случайным образом с равной вероятностью. Указанные функции реалнзуются с помощью ключей 4 и датчика 5 случайных чисел. В соответствии со значением случайного сигнала, поступающего на первый вход ключа она пропускает или не пропускает на выход сигнал, поступающий на ее второй вход. При этом передача сигнала выполняется либо инвертированием, либо без инвертирования с равной вероятностью. Описанный принцип действия позволяет синтезировать ключевую схему и, в соответствии с этим, более детально она не рассматривается. Датчик 5 случайных чисел периодически через заданные интервалы времени формирует независимые случайные числа с управляемыми вероятностями появления сигнала на каждом Из его выходов. Сумматор 3 выполняет арифметическое суммирование величин, поступающих на его входы. Функцнонирование устройства происходит следующим образом. После формирования очередного нового случайного числа датчиком случайных чисел, оно поступает на первые входы ключевых схем и, соответственно, управляет подключением нового случайного числа выходов блока генераторов по соответству щим входам сумматора. Одновременно с этим выполняется равновероятный выбор ключевыми схемами прямой или .инверсной передачи сигналов. После выполнения этих действий в течение заданного интервала времени t никаких переключений в схеме не происходит до формирования нового случайного числа. Спектральные свойства случайного процесса на выходе генератора определяются вероятностями появления сигналов на выходах датчика случайных чисел, т.е. в конечном итоге настройкой датчика случайных чисел на формирование случайных двоичных сигналов с заданными статистическими свойствами. Известно большое число различных датчиков случайных чисел с программным управлением. В предлагаемой структуре может быть использо-. вам любой из них без дополнительных ограничений. Связь между спектральной плотностью мощности случайного процесса на выходе генератора случайного процесса и вероятностями появления единицы на соответствующих, выходах датчика случайных чисел оказывается наиболее простой, если предположить, что частоты гармонических колебаний на выходах блока генераторов кратны величине ujo (u „ - Л а.о) а интервал времени t между моментами формирования новых случайных чисел датчиком задан, исходя из величины fx 2Jr/uJo . Кроме того, гармонические колебания на выходах блока 1 генераторов находятся в определенных фазовых соотношениях, (начальная фаза каждого гармонического колебания равна а: /4). При выполнении указанных условий спектральная плотность мощности случайного процесса на выходе устройства определяется следующим соотношением: G(uj)- во((ш-пшо 5а(шлпшд Г . ,, . а Исходя из данного соотношения, нетрудно расчитать такие вероятности Р появления сигналов .на соответствующих выходах датчика случайных чисел, что воспроизводимая функция S (ш) будет совпадать с заданной Q (uj) в точках к и.о Названные вероятности рассчитываются в соответствии со следующим соотношением РК 4G ( и являются исходными данными для расчета параметров настройки датчика случайных чисел. Таким образом, помимо высокого быстродействия при реализации программного управления, предлагаемый генератор отличает также простота математических операций при расчете вероятностей настройки Pj на формирование процесса с заданными свойствами. Ввиду, того, что все расчеты, связанные с настройкой программно-управляемых устройств реализует управляющая ЭВМ, то простота математических операций позволяет сократить затраты машинного времени на расчет и увеличить число сопрягаемых с ЭВМ генераторов без существенного увеличения времени их обслуживания. Формула изобретения 1. Генератор случайного процесса, содержащий статистический коммутатор и блок генераторов, выходы которого соединены со входа ми статистического коммутатора соответственно отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия генератора, он содержит сумматор, входы которого соединены с выходами статистического коммутатора осответствеино, а выход сумматора является выходом генератора. 2. Генератор по п. 1, отличающий с я тем, что статистический коммутатор содержит датчик случайных-, чисел и ключи, причем выходы датчика случайных чисел соединены с первыми входами соответствующих ключей, вторые входы ключей являются входами статистического коммутатора, а их выходы - выходами статистического коммутатора.. 3. Генератор по п. 1, отличающийс я тем, что блок генераторов содержит генераторы гармонических колебаний, выходы которых являются выходами блока генераторов, а выход первого генератора гармонического колебания соединен со входами остальных генераторов гармонических колебаний. Источники информации, принятые во внимание при зкспертизе 1.Бобнев М. П. Генерирование случайных игналов, М., Энергия, 1971. 2.Авторское свидетельство СССР № 391577, л. G 06 F 1/02, 1971. 3.Авторское свидетельство СССР № 312253, л. G 06 F 1/02, 1969. 4.Авторское свидетельство СССР № 391576 л. G 06 F 1/02, 1971 (прототип).