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

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано как пр моделировании случайных процессов с заданными статистическими характеристиками, так и для спектрального анализа непрерывно изменяющихся во времени сигналов. Известен генератор случайных процессов, содержащий генератор импульсов, датчик случайных импульсов, элементы И, блок управления, счетчик. Для упрощения настройки требуемого закона генератор содержит шифра тор и регистр, по функциональные возможности его ограничены 1. Другой Известный генератор случайных про цессов содержит блок злементов И, выходы которых соединены с входами блока памяти, первые входы - с вь1ходами датчика случайных чисел, а вторые входы - с первыми выходами блока управления,второй выход блок управления соединен с первым входом блока считывания, второй вход которого соединен с выходом блока суммирования, а выход -т с выходом генератора 2. Однако зтот генератор не позволяет формировать случайные процессы с заданными спектральными характеристиками и не может быть использован для спектрального анализа сигналов. Известно также устройство для вычисления коэффициентов разложения функции в ряд, содержащее накопительный блок, генератор импульсов ключей, п блоков делителей напряжения (на п выходов каждый) и п каналов из последовательно соединенных сумматоров, аналого-цифрового преобразователя и блок регистрации с соответствующими связями между блоками и узлами 3. К недостаткам известного устройства следует отнести большую конструктивную .сложностъ, обусловленную наличием ключей и П блоков делителей напряжения на п выходов каждый, а также наличием накопительного блока, содержащего большое количество интеграторов, низкое быстродействие, обусловленное тем, что действительные значения спектральных коэффициентов могут быть получены только по окончании времени интегрирования (т.е. после окончания интервала времени на котором производится анализ сигнала) и ограниченные функциональные возможности. Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является генератор случайных процессов, содержащий последовательно соединенные датчик случайных чисел, блок элементов И, блок памяти, комму татор, блоки присвоения знака, блок суммирования и блок считывания. Кроме того он содержит генератор функций Уолша, выходы которого подсоединены к другим входам коммутатора, и блок управления 4. Однако этот генератор не может быть испол зован для формирования спектральных коэф.фициентов по анализируемому сигналу. Целью предлагаемого изобретения является дополнительное расширение функциональных возможностей за счет формирования спектраль ных коэффициентов по анализируемому сигналу и последующего автоматического формирования случайного процесса с теми же спектральными характеристиками, что и анализируемый сигнал, а также за счет появляющейся возможности одновременного проведения спект рального анализа сигнала и генерации случайного процесса с заданными статистическими характеристиками. Для достижения поставленной цели в генератор случайных прюцессов, содержащий последовательно соединенные датчик случайных чисел, первый буферный блок памяти, регистр и коммутатор, к другим входам которого подсоединены входы генератора дискретных ортогональных функций, а также последовательно соединенные сумматор и второй блок буферной памяти, введены сдвиговый кольцевой регистр и последовательно соединенные блок интегрирования, блок осреднения выборки и блок формирования спектральных коэффициентов, другие п входов которого объединены с п входами коммутатора, выход которого подсоединен к входу сдвигового кол цевого регистра, выход оторого подсоединен к первому входу сумматора, второй вход которого подсоединен к выходу блока формирования спектральных коэффициентов, причем входы интегрального преобразователя подсоединены соответственно к входу генератора и к выходу датчика случайных чисел. Кроме того блок формирования спектральных коэффициентов содержит п +1 последова тельно соединенных сумматоров, выход послед него из которых подсоединен к входу первого из них, и г последовательно соединенных элементов задержки, вход первого из которых подсоединен к управляющему входу блока формирования спектральных коэффициентов и к входу первого сумматора, а входы других сумматоров подсоединены к соответствующим отводам цепочки элементов задержки, причем другие информационные входы первых Т сумматоров объединены и подсоединены к выходу элемента считывания, управляющий и информационный входы которого подсоединены соответственно к другому управляющему и первому информационному входу блока формирования спектршьных коэффициентов, другие п информационных входов которого подсоединены к входам управления суммированием-вычитанием п первых сумматоров. Кроме того, блок осреднения выборки содержит последовательно соединенные п элементов задержки и последовательно соединенные сумматор, блок переключения масштаба и п регистров, выход последнего из которых подсоединены к информационному входу сумматора, другой информационный вход которого подсоединен к входу блока осреднения выборки, два управляющих входа которого подсоединень соответственно к управляющему входу блока переключения масштаба и к входу считывания последнего регистра, объединенного с входом цепочки элементов задержки, отводы которых подсоединены к входам считывания соответствующих регистров, а выход последнего элемента задержки подсоединен к входу считывания сумматора. На фиг. 1 приведена блок-схема универсального генератора случайных процессов; на фиг. 2 и 3 - блок-схемы соответственно блока формирования спектральных коэффициентов и блока хранения и осреднения выборки. Универсальный генератор содержит датчик 1 случайных чисел, блок 2 буферной памяти, регистр 3, коммутатор 4, генератор 5 дискретных оротогональйых функций, сдвиговый кольцевой регистр 6, сумматор 7, блок 8 буферной памяти. Блок 9 интегрирования, блок 10 хранения и осреднения выборки, блок 11 формирования спектральных коэффициентов. Блок управления на чертеже не показан. Универсальный генератор предназначен в основном для генерации случайных процессов, по спектральным характеристикам (функция спектральной плотности) совпадающих с анализируемым случайным процессом (но сами реализации генерируемых случайных процессов в общем случае не совпадают с анализируемым случайным процессом). В частных случаях универсальный генератор может быть использован в качестве только спектрального анализатора или в качестве только генератора случайных процессов на основании заранее рассчитанных спектральных коэффициентов. В предлагаемом устройстве реализуются алгоритмы расчета спектральных коэффициентов при разложении исследуемого сигнала по дискретным ортогональным кусочно-постоянным функциям (Родемахера, Уолша, Хааре и т.п.)- Любой спектральный коэффициент, например в базисе Уолша, может быть рассчитан по формуле C«,(2)dt;, ,(1) спектр Уолша от исследуемого сигнала X (t ItV/ система ортогональных функций Уолша; текущее время; переменная интегрирования на интер вале ор/ргональности 0, jj J n,.n.lчисло участков постоянства функций Уолша максимальной частоты (т-1, 2, ...); I At- интервал дискретизации по времени. Так как ± 1 Для функций Роде Мах и Уолша, то (1) можно представить в виде С МгУ«ДН4М 1: Д« ; Элементарные интегралы 0 3 I - п В выражении (2) вычисляются с помощью интегрального преобразователя 9 и хранятся в блоке 10 хранения и осреднения выборки. Блок .10 хранения и осреднения выборки содержит сумматор 16, блок 17 переключения масштаба, регистры и элементы задержки 19,-19f. Блок 10 предназначен для приема из интегрального преобразователя 9 кода очередного значения элементарного интеграла, для хранения значений элементарных интегралов D , 3,..., 3, в регистрах .. При необходимости осреднения двух 18„ (или нескольких выборок) очередное значение D, из интегрального преобразователя суммируется в сумматоре 16 с содержимым регистра 18 и передается в соответствующем масштабе (например со сдвигом на 1,2 и т д. разрядов вправо) в регистр 18. При расчете же спектральных коэффициентов (либо в про .межутке между поступлением Д-, и 0, либо после расчета и осреднения выборок) содержимое регистра 18 через сумматор 16 и блок 17 передается в регистр 18 г, без изме нения. При этом на вход элемента 19 задержки поступают имггульсы сдвига максимал ной частоты, в связи с чем спектральные ко1группа включ 2группа I . .( V2 (ШИ) группа Sn/2 эффициенты могут быть рассчитаны без остановки процесса формирования очередного значения выборки 3 J н с минимальными затратами времени (ограничиваемыми элементной базой). Функции W в выражении (2) формируются генератором 5 дискретных ортогональных функций и поступают в блок 11 формирования спектральных коэффициентов. Блок 11 содержит элемент 12 буферной памяти, сумматор 13 (буферный), сумматоры 14.-14„, элементы и предназначен м (Л для формирования спектральных коэффициентов С путем суммирования - вычитания кодов Зд ,П,..., Э п на сумматорах 14.14р(В соответствии со значениями функции Wj управляющих суммированием-вычитанием в сумматорах 14-14,. При генерации случайных процессов блок 11 предназначен для хранения значений спектральных коэффициентов на сумматорах 14р (рассчитанных ранее или записанных извне) и для последовательной выдачи их в сумматор 7 (с максимальной возможной частотой) с целью формирования очередного значения случайного процесса. При этом в основу работы генератора положена реализация алгоритма m 0.-1, , из: Гс l- jHifjC..,/ i и л и fe(ii)°§(2}) f, г- спектр Уолша, принад Ай )Г.И) ) лежащий i -ой группе. Коэффициенты и j в этом случае могут быть найдены уже по следующим формулам /1,. п/ач а.Ф„„(.е,к).,(с..,ч), , п/ач c.-je Jo KVKe- fA.Ke) и являются детерминированными величинами. Для дискретного варианта правило объединения спектральных коэффициентов Уолша в rpynin i имеет вид 1элемент 2элемента . элементов, гОД г : . 2 элементов. J 1 элемент Например, для п 3 случайный ряд Уолша представляется в виде OVhVH2lCaCO((.,C,-oMV - -Cjcoijii) боед-, W° 30 V4 4boe(,) Аналогичный ряд Уолша может быть построен и для непрерывного сигнала, прн этом расчет спектров -Уолша должен быть проведен. по формулам )Cc,,). V-r .) Максимальное число возможных реализации случайного процесса в базисе Уолша составит 9-2 а Набор случайных велнчин Ue - tl вырабатывается датчиком 1 случайных чисел (ДСЧ) При этом величине е - соответствует двоичный код 1 К -ого разряда случайного числа, а величине е нулевое состояние & -ого разряда. Выработанное m - разря ное случайное число с помощью блока 2 счнтывания передается на блок 3 и запоминается на нем. Значения п функций формируются с помощью генератора 5 функций Уолща, а изменение значений функций УолШа в соответствии со знаками случайных единиц - на (п + то) - входовом коммутаторе 4. В устройстве принято следующее правило соответствия между значениями функций Уолша и их двоичным эквивалентом; значению W(j(l-) +1 соответствует О состояние -го выхода ГДОФ, а значению W(i) -1 - его единичное состо яние, (п + гп) - входовой коммутатор 4 включает в себя гг групп блоков суммирования по модулю два, причем каждая К-ая группа содержит 2 блоков суммирования по модулю два. К первым входам блоков суммирования по модулю два К-ой группы подключаются выходы только тех функций Уолша, которые соответствуют спектральным коэффициентам, объединенных в К-ую группу в соответствии с правилом объединения коэффициентов в однотипные группы. Поскольку изменение знака случайным образом должно щюиэводиться одновременно у всех функций Уолша объединенных в группу, то вторые выходы блоков суммирования по модулю два каждой К-ой группы объединены и подсоединены к выходу соответствующего разряда регистра 3. Таким образом каждый выход (каждый разряд) коммутатора 4 представляет собой произведение Це на значение соответствующей функции Са С текущий момент времени (см. выражение (3). Из этого выражения видно, что для получения значения случайного процесса ( ) в данный текущий момент времени i необходимо в соответствии СО значением этого произведения соотвегствующего разряда выхода коммутатора 4 прибавить или вычесть значение соответствующего спектрального коэффициента. Для реализации этого алгоритма содержимое коммутатора в каждый текущий дискретный момент времени i переписывается в регистре 6 и затем, продвигая содержимое сдвигового кольцевого регистра 6 и сумматоров 14.-14 с помощью сумматора 7 осуществляется суммирование - вычитание спектральных коэффициентов (в соответствии с означением очередного разряда регистра 6). После суммирования-вычитания всех спектральных коэффициентов на выход генератора через блок 8 выдается значение случайного процесса в момент времени i . При переходе к следующему шагу - .моменту дискретного времени (i +1) через время д1 изменяется состояние генератора, изменяется содержимое регистра 6 и процесс формирования очередного значения Cl +0 случайного процесса повторяется. Работа предлагаемого устройства происходит, следующим образом. Перед началом работы в сумматоры , , блока 11 формирования спектральных коэффициентов помещаются значения спектральных коэффициентов Сс( обеспечивающие заданные спектральные характеристики генерируемого случайного процесса. Все остальные узлы и блоки предлагаемого устройства находятся в исходном состоянии, а в регистре 2 произвольное случайное число. После этого содержимое коммутатора 4 заносится в сдвиговый кольцевой регистр 5, на вход интегрального преобразователя поступает исследуемый аналоговый сигнал (для преобразования с одновременной низкочастотной фильтрацией), на управляющие входы блока- 11 формирования спектральных коэффициентов (вход элемента 15 задержки), датчика случайных чисел, регистра 6 и один из управляющих входов интегрального преобразователя с соответствующими задержками относительно друг друга (с учетом переходных процессов в различных узлах и блоках) поступают импульсы максимальной частоты. При этом в сумматоре 7 формируется одно значение случайного процесса, а в интегральном преобразователе вдет процесс формирования элементарного интеграла 3 формирование и выдача на выход значения случайного процесса заканчивается значительно быстрее, чем формирование величины О так как число п практически невелико (десятки, сотни), в то время как от чис- f ла испытаний в интегральном преобразователе зависит точность преобразования и это число должно быть как можно больше (миллионы). Через время At элементарный интеграл передается в блок 10 хранения и обеднения выборки, изменяются значения функций с выхода теиератора 5 и соответственно изменяется содержимое регистра 6. После этого вновь фор мируется очередное значение случайного процес са в сумматоре 7 и идет процесс формирования очередного элементарного интеграла СЗ . По прошествии времени Т в блоке 10 оказывается полная выборка исследуемого сигнала (CJ.., п ), а на выход устройств1а оказывается выданной одна реализация случайного процесса (из i отсчетов). Дальне1пцая работа устройства зависит от выбранного (с помощью блока управления) режима работы - бо осуществляется генерация случайного процесса с теми же спектральными характеристиками (но в регистр 3 при этом записывают другое случайное число), а, выборка сигнала заменяется или осредняется с новыми значениями исследуемого сигнала, либо по полученной выборке быстро вычисляются спектральные коэффициенты (за то же время, что одно значение случайного процесса) и процесс работы продолжается так же как описано выше, но с новыми спектральными коэффициентами. При этом генерируемый случайный процесс по спектральным характеристи кам совпадает с исследуемым случайным сигналом. Кроме того, если исследуемый сигнал представляет собой смесь детерминированного сигна ла со случайной помехой и если на регистре 3 сохраняется нулевое состояние, то на выходе предлагаемого устройства будет формироваться отфильтрованный от высокочастотных помех входной сигнал, т.е. предлагаемое устройство может быть использовано в качестве фильтра. Таким образом, предложенный универсальный генератор позволяет выполнять все функции устройства, и , кроме того, дает возможность осуществить воспроизведение реализаций случайного процесса, подобных исследуемому сигналу, без предварительного определения и аппроксимации статистических характеристик исследуемого сигнала. Кроме того, предложенный универсальный генератор может быть использован в качестве анализатора спектра (особенно радиолокационных сигналов, причем позиционное накопление в этом случае може быть осуществлено на блоке 10 хранения и осреднения выборки). ФормулаИзобретения 1. Генератор случайных процессов, содержащий последовательно соединенные датчик случайных чисел, первый блок памяти, регистр и коммутатор, к другим входам которого под соединены выходы генератора дискретнь:х ортогональных функций, а также последовательно соединенные сумматор и второй блок буферной памяти отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей генератора за счет формирования спектральных коэффициента по анализируемому сигналу, он содержит сдвиговый кольцевой регистр и последовательно соединенные блок интегрирования, блок осреднения выборки и блок формирования спектральных коэффициентов, другие п входов которого объединены с п входами коммутатора, выход которого подсоединен к входу сдвигового кольцевого регистра, выход которого подсоединен к первому входу сумматора, второй вход которого подсоединен к выходу блока формирования спектральных коэффициентов, причем входы блока интегрирования подсоединень соответственно к входу генератора и к выходу датчика случайных чисел. 2.Генератор по п. 1, отличающийс я тем, что блок формирования спектральных коэффициентов содержит элемент буферной памяти, (п +1) последовательно соединенных сумматоров, выход последнего из которых подсоединен к входу первого из них, и п последовательно соединенных элементов задержки, вход первого из которых подсоединен к управляющему входу блока формирования спектральных коэффициентов и к входу первого сумматора, а входы других сумматоров подсоединены к соответствующим отводам цепочки элементов задержки, причем информационные входы первых п сумматоров объединены и подсоединены к выходу элемента буферной памяти, управляющий и информационный входы которого подсоединены соответственно к другому управляющему и первому информационному входу блока формирования спектральных коэффициентов, другие п информационных входов которого подсоединены к входам управления п первых сумматоров. 3.Генератор по ц. 1, отличающийс я тем, что блок осреднения выборки содержит последовательно соединенные П элементов задержки и последовательно соединенные сумматор, блок переключения масштаба и П регистров, выход последнего из которых подсоединен к информационному входу сумматора, другой информационный вход которого подсоединен к входу блока осреднения выборки, два управляющих входа которого подсоединены соответственно к управляющему входу блока переключения масштаба и к входу считывания последнего регистра, объединенного с входом цепочки элементов задержки, отводы которых подсоединены к входам считывания соответствующих регистров, а выход последнего элемента задержки подсоединен к входу считывания сумматора.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР № 344431, j кл. G 06 F 1/02, 1970.

75230912

2. Авторское свидетельство СССР № 370717,, кл. Н 03 К 13/02, 1970.

3., Авторское свидетельство СССР № 470812, кл. G 06 F 15/34, 1975. 4. Авторское свидетельство СССР № 532873, кл.С 07 С 15/00,006 F 1/02,1977 (прототип).

1

Т t

w,