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

1

Изобретение относится к области вычислительной техники и может быть использовано как при 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 шифратор и регистр, но функциональные возможности его ограничены I 1 ,

Другой известный генератор случайных процессов содержит блок элементов И, выходы которых соединены с входами блока памяти, первые входы - с выходами датчика случайных чисел, а вторые входы - с первыми выходами блока управления, второй выход блока управления соединен с первым входом блока считывания, второй вход которого соединен с выходом блока суммирования, а выход с выходом генератора. Однако этот генератор не позволяет формировать

случайные процессы с заданными спек-, тральными характеристиками и не может быть использован для спектрального анализа сигналов 2,

5

Известно также устройство для вычисления коэффициентов разложения i функции в ряд, содержащее накопительный блок, генератор импульсов п ключей, п блоков делителей напряжения (на п выходов каждый), п каналов из последовательно соединенных сумматора, аналого-цифрового преобразователя и блок регистрации с соответствующими связями между блоками и ysjjaMH 3J. К недостаткам известного устройства следует отнести большую конструктивную сложность, обусловленную наличием п ключей и п блоков делителей напряжения на г выходов каждый, а также наличием накопительного блока, содержащего большое количество интеграторов; низкое быстродействие, обусловленное тем,

25 что действительные значения спект-ральных коэффициентов могут быть получены только по окончании времени интегрирования (т.е. после окончания интервала времени, на котором

30 производится анализ сигнала); ограничейные функциональные возможности 3 .

Наиболее близким техническим решением к изобретению является генератор случайных процессов, содержащий последовательно соединенные датчик случайных чисел, блок элементов И, блок .памяти, коммутатор, блоки присвоения знака, блок суммирования и блок считывания. Кроме того он содержит генератор функции Уолша, выходы которого присоединены к другим входам коммутатора, и блок управления 4,

Однако этот генератор не может быть использован для формирования спектральных коэффициентов по анализируемому сигналу.

Целью изобретения является дополнительное расширение функциональных возможностей генератора за счет формирования спектральных коэффициентов по анализируемому сигналу и последующего формирования случайного процесса с теми же спектральными характеристиками, что и анализируемый сигнал.

Поставленная цель достигается тем, что генератор случайных процессов, содержащий сумматор, последовательно соединенный с первым блоком памяти, и последовательно соединенные датчик случайных чисел, второй блок памяти, регистр и коммутатор, к другим входам которого подсоединен своими информационными выходар.1и генератор дискретных ортогональных функций, а выход первого блока памяти является выходом генератора, содержит блок интегрировани блок элементов ИЛИ, блок сумматоров, два сдвиговых кольцевых регистра, третий блок памяти и четвертый блок памяти, вход которого подсоединен к выходу коммутатора, а выход к входу первого сдвигового кольцевого регистра, выход которого подсоединен к управляющему входу сумматора, информационный вход которого объединен с информационными входами блока сумматоров и подсоединен к выходу третьего блока памяти, информационный вход которого подсоединен к выходу второго сдвигового кольцевого регистра, все, кроме первого, входы которого подсоединены к соответствующим выходам блока сумматоров, а первый вход второго сдвигового кольцевого регистра подсоединен К выходу блока элементов ИЛИ, первый вход которого подсоединен к первом выходу блока сумматоров, управляющие входы которых подсоединены к соответствующим выходам генератора дискретных ортогональных функций, а второй вход блока элементов ИЛИ- соединен с выходом блока интегрирования, вход

которого соединен с выходом датчика случайных чисел.

Кроме того, блок интегрирования содержит элемент НЕ, два компаратора, цифроаналоговый преобразователь, элемент ИЛИ, элемент И, элемент задержки, реверсивный счетчик, регистр памяти и элемент выделения знака, вход которого объединен с первым входом первого компаратора и через элемент НЕ соединен с первым входом второго компаратора и является первым входом блока, второй вход которого подсоединен к входу цифроаналогового преобразователя, выход которого подсоединен к вторым входам компараторов, выходы которых подсоединены к входам элемента ИЛИ, которого соединен с первым входом элемента И, выход которого подсоединен к счетному входу реверсивного счетчика, вход установки в нуль которого через элемент задержки подсоединен к управляющему входу элемента памяти, информационный вход которого подсоединен к выходу реверсивного счетчика, управляющий вход которого подсоединен к выходу элемента выделения знака, прчем третий и четвертый входы блока подсоединены соответственно к второму входу элемента И и к управляющему входу элемента памяти, выход которого является выходам блока.

На фиг. 1 приведена блок-схема генератора случайных процессов; на фиг. 2 - блок-схема блока интегрирования .

Генератор содержит блок интегрирования 1, датчик 2 .случайных чисел блок 3 памяти, регистр 4, генератор 5 дискретных ортогональных функций (ГДОФ), коммутатор б, блок 7 памяти сдвиговый кольцевой регистр 8, блок 9 сумматоров, блок 10 элементов ИЛИ сдвиговый кольцевой регистр 11, бло 12 памяти, сумматоры 13 и блок 14 памяти. Блок управления на чертеже не показан, указаны только его выходы:а, b,c,d,e,r,ic ир , которые присоединены к управляющим входам соответствующих узлов и блоков,

Блок интегрирования 1 содержит элемент 15 выделения знака, элемент НЕ 16, компараторы 17 и 18, цифроаналоговый преобразователь 19, элемент 20 ИЛИ, элемент 21 И, реверсивный счетчик 22, элемент задержки 23, регистр 24 памяти.

Генератор предназначен в основном для генерации случайных процессов по спектральным характеристикам (функция спектральной плотности), совпадающих с анализируемым случайным процессом (но сами реализации генерируекых случайных процессов в общем случае не совпадают с анализируемым случайным процессом), В частных случаях универсальный генератор может быть использован в качестве только спектрального анализатора ил в качестве только генератора случайных процессов на основании заранее расчитанных спектральных коэффициентов (noMemaeNtJx в сдвиговый кольцев регистр 11), Поэтому в дальнейшем изложении оба режима работы (Анализ и Генерация) будут рассморены последовательно.

Работа предлагаемого устройства в режиме Анализ происходит следующим образом.

Исследуемый аналоговый сигнал поступает на вход блока интегрирования 1, с которого через время SA. снимается код, пропорциональный величине элe 1eнтapнoгo интеграла 3 , Значение этого кода через блок 10 элементов ИЛИ поступает в регистр 11 со .сдвигом, т,е, таким образом, что через п шагов преобразования после начала анализа (через время Т - п ji-i ) к информационным входам блока 12 памяти подключены выходы той ячейки памяти, в которой хранится код 3, . Начиная с этого мэмента включается генератор 5 дискретных ортогональных функций, работающих с максимальной частотой в течение врени, значительно меньшего осуществляется вычисление спектральных коэффициентов. Если предложенное устройство используется только в качестве анализатора с непрерывным обновлением спектральных коэффициентов, то одновременно с их вычислением в блоке интегрирования осу дествляется вычисление очередного элементарного интеграла ЗнаЧения спектральных коэффициентов формируются в соответствующих сумматорах блока 9 сумматоров. Для обеспечения заданного режима работы блоком управления генерируются следующие серии импульсов.

Серия а - опорная максимгшьная (с точки зрения работоспособности элементной базы) частота, подаваемая на датчик 2 случайных чисел, С этой частотой на выходе ДСЧ 2 появляются случайные числа.

Серия о - то же, что серия О , но задержанная на интервал времени (время переходных процессов в элементах 16, 17, 18, 19 и 20 интегрального преобразователя 1),

Серия с - импульсы с частотой I/At и задержанные по отношению соответствующих импульсов из серии Ь на cTfo (время переходных процессов в элементе 21 И и в реверсивном счетчике 22), С этой частотой осуществляется считываниеС интегрального преобразователя информации с записью ее в регистр 11 и обнуление cyMMaijopoa в блоке 9,

Серия 6- - то же, что серия а , но включаемая после очередного импульса серия С (через время At ) и включаемая после окончания вычисления спектральных коэффициентов (о чем сигнсшизирует импуль.с с выхода генератора 5 в блок управления, появляющейся при обнулении счетчиков генератора 5, т.е. после окончания генерирования всех ортогонаьпьных функций). Серия е управляет раoботой блоков 5 и 14. В связи с тем,

Анализ

что в режиме

выходами

устройства являются выходы сумматоров блока 9, то отключение серии от блока 14 не обязательно (что упрощает блок управления),-Серия d - импульсы передачи информации из.блока 9 в регистр 11 и

Анализ

перехода от режима

к

режиму Генерация (первый из им0пульсов поступает не ранее, чем через время Т-п. д1 после начала анализа),

Серия f - то же, что серия 6 , но с задержкой на (tj, (время переходных процессов в блоках 9 и 11),

5 Серия-vi - то же, что серия Ь , После поступления из блока управления импульса из серии d устройство переходит в режим работы Генерация . Работу устройства в этом ре0жиме поясним на примере использования в качестве базисных функций Уолша, Выработанное m -разрядное случайное число с помощью -блока 3 передается на блок 4 и запоминается

5 в нем.

Значения функций Уолша формиру- . ются с помощью генератора 5 функций Уолша, а изменение значений функций Уолша на (п +гг) в соответствии со

0 знаками случайных единиц - в коммутаторе 6, В устройстве принято следующее правило соответствия между значениями функций Уолша и их двоичным эквивалентом: значению VQ (t} +1 соответствует О состояния ci-го

5 выхода ГДОФ, а значению Vct ( ) ,-17 sro единичное состояние, |П +т) - входной коммутатор б включает в себя m групп блоков суммирования по модулю два, причем каждая

0 К-ая группа содержит блоков сумми-рования по модулю два. К первым входам блоков суммирования по модулю два it -ой группы подключаются выходы только тех функций Уолша|

5 которые соответствуют спектральным коэффициентам, объединенным в К-ую группу в соответствии с правилом объединения коэффициентов в однотипные группы. Поскольку изменение

0 знака случайным образом должно производится одновременно у всех функций Уолша, объединенных в группу, то вторые выходы блоков суьвли.рования по модулю два каждой К-ой группы объединены и подсоединены

к выходу соответствующего разряда блока 4.

Таким образом, каждый выход (каждый разряд) коммутатора 6 представляет собой произведение ) на значение соответствующей функции Саб или 5о в текущий момент времени I . Для получения значения случайного процесса , (1) в данный текущий момент времени г необходимо прибавить или вычесть значение соот ветствующего спектрального коэффиЦ11ента {которые импульсом серии d переписаны в регистр 11), Для реализации этого алгоритма содержимое коммутатора в каждый текущий дискретный момент времени г, переписывается в регистр 8 и затем, продвигая содержимое сдвиговых кольцевы регистров (в 8 - позарядное, в 11 по словам), с помощью сумматора 13 осуществляется суммирование - вычитание спектральных коэффициентов из регистра 11 (в соответствии со значением очередного разряда ре- гистра 8). После суммирования - вычитания всех спектральных коэффициентов на выход генератора через блок 14 выдается значение случайног процесса в момент времени .При переходе к следующему шагу - момент дискретного времени {v + 1)через время utизменяется состояние генератора 5, изменяется содержимое регистра В и процесс формирования: очередного значения (1 + 1) случайного процесса повторяется,

Для обеспечения режима работы Генерация блоком управления генерируются следующие серии импульсов: серия d - та же, что и в режиме Анализ , серии t) и С отсутствуют, серия d - импульсы передачи (без стирания) информации из блока 9 в регистр 11 и передачи случайного числа в регистр 4, Все остальные серии импульсов в Е ежиме Генерация включаются только после прохождения импульса серии d

Серии е - то же, что серия с при анализе, т.е. с частотой 1/дЪ , но с задержкой относительно импульсов серии а на время (т.е. без первого импульса, т.к. ГДОФ 5 уже находится в исходном состоянии), Серия р - то же/ что серия с. при анализе, но с задержкой cft относительно импульсов серии di (на время переходных процессов в регистре 4 и в коммутаторе 6),

Серии k и 6 - то же, что серия а , но включаемая очередног импульса серии р с пропуском перво импульса и выключаемая спустя п татов .

Серия f - то же, что серия k. , с первым импульсом и с задержкой (, (время переходных процессов в слвиговом кольцевом регистре 11),

Для воспроизведения каждой новой реализации случайного процесса на интервале Т с одинаковым- спектральными характеристиками импульсом серии d осуществляется передача вычисленных (или установленных) спектральных коэффициентов из блока 9 в регистр 11 и передача очередног случайного числа с датчике 2 случайных чисел в регистр 4, После этого работа универсального генератора случайных процессов происходит таким же образом, как описано выше.

В случае необходимости формирования случайного процесса с новыми характеристиками достаточно либо изТиенить содержимое блока 9 сумматоров, либо перевести устройство в режим работы. Анализ и на вход подать исследуемый сигнал.

Таким образом предложенный универсальный генератор позволяет выполнять все функции известного устройства и, кроме того, .дает возможность осуществить реализацию случайного процесса, подобного исследуемому сигнапу, без предварительного определения и апроксимации статистиче.ских характеристик исследуемого сигнала. Кроме того, предложенный универсальный генератор может быть использован в качестве анализатора спектра.

Формула изобретения

Генератор случайных процессов, содержащий последовательно соединенные сумматор и первый блок памяти и последовательно соединенные датчик случайных чисел, второй блок памяти, регистр и коммутатор, к другим входам которого подсоединен своими информационными выходами генератор дискретных ортогональных функций, выход первого блока памяти является выходом генератора, о т л и ч а ющ и и с я тем,.что, с целью расширения функциональных возможностей генератора за счет формирования спектральных коэффициентов по анализируекюму сигналу и последующего формирования случайного процесса с определенными спектральнылда характеристиками, он содержит блок интегрирования, блок элементов ИЛИ, блок сумматоров, два сдвиговых кольцевых регистра, третий блок памяти и четвертый блок памяти, вход которого подсоединен к выходу коммутатора, а выход - к входу первого сдвигового кольцевого регистра, выход которого подсоединен к управляющему входу сумматора, информационный вход которого объединен с информационными входами блока сумматоров и подсоединен к выходу 5 третьего блока памяти, информационный вход которого подсоединен к выходу второго сдвигового кольцевого регистра, все, кроме первого, входы которого подсоединены к соответствующим выходам блока сумматоров, а первый вход второго сдвигового копьцевого регистра подсоединен к выходу блока элементов ИЛИ, первый вход которого подсоединен к первому выходу блока сумматоров, управляюише входы которых подсоединены к соответствующим выходам генератора дискретных ортогональных функций, а второй вход блока элементов ИЛИ соедине с выходом блока интегрирования, вход которого соединен с выходом датчика случайных чисел,

1, Генератор случайных процессов по П.1, отли чающийся тем, что блок интегрирования содержит элемент НЕ, два компаратора, цифроаналоговый преобразователь, элемент ИЛИ, элемент И, элемент задержки, реверсивный счетчик, регист памяти и элемент выделения знака, вход которого объединен с первым входом первого компаратора и через элемент НЕ соединен с первым входом второго компаратора и является первым входом блока, второй вход которого подсоединен к входу цифроЬ С

аналогового преобразователя, выход которого подсоединен к вторым входам компараторов, выходы которых подсоединены к входам элемента ИЛИ, выход которого соединен с первым входом элемента И, выход которого подсоединен к счетному входу реверсивного счетчика, вход установки в нуль которого через элемент задержки подсоединен к управляющему входу элемента памяти, информационный вход которого подсоединен к выходу реверсивного счетчика, управляющий вход которого подсоединен к выходу элемента выделения знака, причем третий и четвертьШ входы блока подсоединены соответственно к второму входу элемента И и к упраляющему входу элемента памяти, выхо которого является выходом блока.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР № 344431, кл. G 06 F 1/02, 1970.

2.Авторское свидетельство СССР 370717, кл. И 03 К 13/02, 1970.

3.Авторское свидетельство СССР № 470812, кл. G 06 F 15/34, 1975.

4.Авторское свидетельство СССР ( 532873, кл. G 07 С 15/02,

G 06 F 1/02, 1977 (прототип).