Датчик случайных чисел Советский патент 1981 года по МПК G06F1/02 G07C15/00 

(54) ДАТЧИК СЛУЧАЙНЫХ ЧИСЕЛ

1

Изобретение относится к области вычислительной техники и может быть использовано в качестве специализированной приставки к ЭВМ, а также для построения программно-управляемых генераторов случайных процессов

Известен датчик случайных чисел, содержащий блок памяти, схемы сравнения, генератор равномерно распределенных чисел, шифратор и логические схемы управления, при воспроизведении непрерывных законов распределения tlj.

Известен также датчик случайных чисел, использующий пересчет регулярных импульсов за случайный интервал времени, распределенный по известному закону. Недостатком этого датчика являются ограниченные функциональные возможности, так как ис.пользуемый источник случайных интервалов времени не позволяет получать произвольные законы распределения 2 .

Датчик случайных чисел, содержащий генератор случайных импульсов с управляемой интенсивностью, счетчик импульсов, вероятностный (1,т)-полюсник и блок памяти, является наиболее близким техническим решением к изобретению. Закон распределения формируемьгх случайных временных интервалов является вероятной смесью распределений Эрлинга, с помощью

0 которой может быть воспроизведено произвольное непрерывное распределение. Недостатком датчика случайньпс чисел является невысокое быстродействие так как при масштабировании

5 интенсивностей распределений Эрлинга различных порядков, входящих в смесь, всегда происходит значительное уменьшение интенсивности выходного потока по сравнению с интенсивностью первичного генератора случайных импульсов.Так как интенсивность ijBHXOAHoro потока случайных временных ин,тервалов с заданным распределением

;невысока,невысока, и средняя частота получения случайных чисел,что сужает область применения датчика случайных чисел рЗ.

Целью изобретения является новышение быстродействия .датчика.

Для достижения поставленной цели в известный датчик случайных чисел, содержащий генератор случайных импульсов, вероятностный (1,т)-полосник,вьпкод которого соединен со входом блока памяти,первый выход которого соединен с первым входом первого счетчика импульсов,введены второй и третий счетчики импульсов, генератор счетных им.пульсов,элемент И и группа элементов И, j выход которой является выходом датчика, первый вход группы элементов И соединен с выходом второго счетчика импуЛьсов, а второй вход группы элементов И является входом датчика и подклчен ко входу вероятностного (l,m)-noлюсника, к первым входам второго и третьего счетчиков импульсов и ко второму входу первого счетчика импульсов третий вход которого соединен с выходом генератора случайных импульсов, а выход первого счетчика импульсов соединен с первым входом элемента И, выход которого подключен ко второму входу второго счетчика импульсов, а второй вход элемента И подключен к выходу третьего счетчика импульсов, второй вход которого соединен со вторым выходом блока памяти, а третий вход третьего счетчика импульсов соединен с выходом генератора счетных импульсов.

На чертеже приведена структурная схема датчика случайных чисел.

Он содержит генератор 1 случайных чисел импульсов, первый 2 и второй 3 счетчики импульсов, генератор 4 счетчика 2 импульсов, третий счетчик 5 импульсов, блок 6 памяти, вероятностный (1,т)-полюсник 7, элемент И 8 и группу.9 элементов И.

Вход датчика случайных чисел подсоединен к первым входам второго 3 и третьего 5 счетчиков импульсов, ко вторым входам счетчика 2 импульсов группы 9 элементов И и к входу запуска вероятностного (1,т)-полюсника 7, выход которого соединен с адресным входом блока 6 памяти, первый выхрд которого подключен к первому входу счетчика 2 импульсов, а второй выходко второму входу счетчика 5 импульсов. Третий вход счетчика 2 импульсов соединен с выходом генераторл I случайных импульсов, третий вход счечика 5 импульсов подключен к выходу генератора 4 счетных импульсов. Выходы первого 2 и третьего 5 счетчико подключены соответственно к первому второму входам элемента И 8, выход которого соединен со вторым входом счетчика 3 импульсов, к выходу которого подключен через блок 9 выдачи случайных чисел выход датчика случайных чисел.

Рассмотрим основные функции, выполняемые каждым из структурных элементов датчика случайных чисел.

Генератор 1 случайных импульсов служит для формирования потока случаных импульсов ,с известным распределением временных интервалов между импульсами ,

Счетчик 2 импульсов, допускающий установку произвольного начального состояния, предназначен для суммирования заданного числа импульсов (а следовательно и временных интервалов между импульсами) с выхода генератора 1 импульсов, в результате чего сигнал на выходе счетчика 2 изменяет свое значение.

Счетчик 2 может быть выполнен поразному. Например он может постоянно работать только на вычитание, что обеспечивается введением в него по известным схемам соответствующих управляющих цепей (переноса, обратных .связей и т.п.). Поэтому, когда в него заносится код п, то с помощью логических схем на выходе этого счетчика может быть сформирован единичный сигнал (потенциал), а именно через п, случайные импульсов интервалов ) от генератора случайных импульсов в счетчике установится нуль и элемент И закроется запрещающим синалом с выхода счетчика. )

Счетчик 3 импульсов обеспечивает получение цифрового кода случайного временного интервала между моментами изменения вькодного сигнала счетчика 2 импульсов.

Генератор 4 счетных импульсов служит для формирования потока импульсов, заполняющих случайный временной интервал между моментами изменения выходного сигнала счетчика 2 импульсов.

Счетчик импульсов 5 выполняет функции делителя частоты. При использоваНИИ блока памяти 6 регистрового типа (когда при вопросе определенного адреса информация, хранящаяся по этому адресу, постоянно присутствует на выходе блока памяти 6 до смены адреса),этот счетчик может быть выполнен точно по схеме первого счетчика (т.е. работающим на вычитание) , но во-первых, на выходе этого счетчика 5 появляется импульсный сиг нал, а во-вторых, этим сигналом обес печивается восстановление кода г счетчике 5. Блок 6 памяти предназначен для хранения и вьвдачи по запросам кодиро ванной информации в виде управляющих сигналов, осуществляющим перестройку внутренних параметров датчика слу чайных чисел. При этом первый выход служит для задания начального соетояНИН счетчика 2 случайных импульсов, а вторая группа выходов управля ет коэффициентом пересчета счетчика 5 импульсов. Управляемый вероятностный (1,т)полюсник 7 обеспечивает случайный вы бор адреса и блока 6 памяти с требуе мой вероятностью выбора каждого адреса. Элемент И 8 служит для управления прохождением на счетчик 3 импульсов с выхода счетчика 5 импульсов, заполняющих случайный временной интервал между моментами изменения сигнала на выходе счетчика 2 импульсов. Группа 9 элементов И предназначена для выдачи на выход датчика случайных кодов с выхода счетчика 3 импульсов. Датчик случайных чисел работает следующим образом. При поступлении на вход устройства импульса опроса этот импульс обе спечивает передачу через группу 9 эле ментов И кода, хранящегося в счетчике 3, на выход датчика. Одновременно с этим импульс опроса поступает на второй вход счетчика 2 импульсов, на пер вые входы счетчиков 3 и 5 и переводит их в нулевое состояние, после чего 3a пускает управляемьш вероятностный (1,т)-полюсник 7, вырабатывающий сигнал опроса К-го адреса блока 6 памяти с заданной вероятностью Е. . С помощью сигналов первой группы разрядных выходов К-го адреса блока 6 памяти, поступающих на первый вход первого счетчика 2 импульсов, задается его начальное состояние - код параметра п. На третий вход этого же счетчика с выхода первого генератора I случайных импульсов подается поток случайных импульсов с известными интенсивностью Л. и распределением интервалов между импульсами. Вторая группа разрядных выходов К-го адреса блока 6 памяти задает код параметра f или (что то же самое) код коэффициента сб, пересчета счетчика 5 импульсов, работающего в делителя частоты. Этот код поступает на второй вход счетчика 5 импульсов, а на третий вход этого же счетчика с генератора 4 счетных импульсов подаются сигналы одинаковой частоты f. С началом счета счетчик 2 импульсов выдает на выход разрешающий сигнал, который открывает элементы 8 по его первому входу. На второй вход элемента И 8 поступает поток регулярных импульсов с частотой f, с выхода счетчика 5 импульсов. Этот поток проходит через открытый элемент И 8 на второй вход счетчика 3, в результате чего в счетчике 3 формируется код случайного временного интервала, в течение которого открыт по первому входу элемент 8. Предположим, что счетчик 2 работает в резервном режиме, т.е. на вычитание. В этом случае с поступлением на его третий вход Пц -го импульса счетчик 2 переходит в нулевое состояние, а значение сигнала на его выходе изменится на противоположное, В результате этого элемент И 8 закрывается, а вместе с этим прекращается формирование кода случайного временного интервала в счетчике 3. При использовании пуассоновского генератора 1 с аучайных импульсов распределение случайных временных интер функционирования счетчика 2 импульсов описывается выражением i.-SP(к-) Так как каждому К-му значению пааметра njj соответствует единственное заранее рассчитанное значение часоты fjj заполнения счетчика 3, то расределение выходного потока случайных исел описывается выражением -Vv .tt) SPx (n,-0l

При этом коэффициенты ot пересчета счетчика 5 находятся из соотношения

к

if

Ь

Повьппение быстродействия датчика случайных чисел обеспечивается за счет того,что формирование случайных . временных ийтервалов с распределением д, происходит с наибольшей интенсив ностью X генератора 1 случайных -импульсов, а измерение этих интервало и формирование требуемого распределения случайных чисел происходит с мощью пропорционального изменения (увеличения) частоты потока сигнало генератора 4 счетных импульсов. Коэффициент V выигрьша в быстро действии определяется следующим образом. Математическое ожидание длительности случайных временных интервало распределенных по закону д , равно .. 2 к г.Р.а математическое ожидание случайных величин, распределенных по закону 1ш п. V г а Рит- м rfpH ,..b.. ЭТОМ U М, Ч: Ql-K К1:Г X 14 Таким образом, технико-экономическая эффективность предлагаемого устройства определяется более высоким быстродействием по сравнению с известными устройствами аналогичного принципа действия, в то же вре мя по сравнению с известными датчиками случайных чисел параллельного принципа действия, реализующих, в частности, метод обратных функций, предлагаемое устройство значительно проще и имеет в 3-5 раз меньший объ памяти при воспроизведении с одинаковой точностью непрерывных законов распределения. Разрядность формируемых случайны чисел легко изменяется выбором емкости второго счетчика 3 импульсов, частоты f генератора 4 счетных импульсов и интенсивности . генератор I случайных импульсов, что позволяе

при необходимости дополнительно повысить быстродействие при меньшей точности измерения и меньшей разрядности выходных случайных кодов, либо повышать точность воспроизведения непрерывных распределений и разрядность выходных случайных кодов. Формула изобретения Датчик случайных чисел, содержащий генератор случайных импульсов, вероятностный (1 ,т)-полюсник, выход которого соединен со входом блока памяти, первый выход которого соединен с первым входом первого счетчика импульсов, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия датчика, он содержит второй и третий счетчики импульсов, генератор счетньпс импульсов, элемент И и группу элементов И, выход которой является выходом датчика, первый вход группы элементов И соединен с выходом второго счетчика импульсов, а второй вход группы элементов И является входом датчика и подключен ко входу вероятностного (1,т)-полюсника, к первым входам второго и третьего счетчиков импульсов и ко второму входу первого счетчика импульсов, третий . вход которого соединен с выходом генератора случайных импульсов, а выход первого счетчика импульсов соединен с первым входом элемента И, выход которого подключен ко второму входу второго счетчика импульсов, а второй вход элемента И подключен к выходу третьего счетчика импульсов, второй вход которого соединен со вторым выходом блока памяти, а третий вход третьего счетчика импульсов соединен с выходом генератора счетных импульсов. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР 213424, кл.б 06 F 1/02, 1966. 2.Бобнев М. П. Генерирование случайных сигналов. М. , Энергия, 1971, с. 82. 3.Авторское свидетельство СССР 543964, кл. G 06 F 1/02, 1976 (прототип) .

Ч,

N

ч

г