Генератор случайного процесса Советский патент 1981 года по МПК G06F7/58 G07C15/00 

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в качестве блока специализированной электронной вычислительной машины для получения случайных процессов, в качестве задающей аппаратуры для воспроизведения случайных вибраций при исследовании надежности и правильности функционирования изделий различного назначения с помощью вибростендов. Известны генераторы случайного процесса, содержащие полосовые фильт ры, в которых преду смотре и а рушая регулировкауровня выходного сигнала Генераторы содержат устройства для генерирования случайных процессов, содержащие контур обратной связи. В этих устройствах случайный процесс с тем или иным видом спектра получается путем згщания определяемого уровня выходного сигнала на выходе каждого фильтра с последующим суммированием их на сумгА1рующем устройстве ri Однако нестабильность элементов (L,С-элементы) сказывается на стабил ности основных характеристик генератора случайных процессов, а прИ; форг мирования инфранизкочастотных случайных процессов возникают затруднения. Кроме, того, процесс задания требуемого вида спектра трудоемкий и длительный. . Наиболее близким по технической сущности к изобретению является генератор случайного процесса, содержащий блок тактовых частот, выходы которого соединены с входами ni мультиплексоров , выходы которых соединены с входами m источников шума, и m цифровых фильтров, вторые входы цифровых фильтров соединены с выходами источников шума, а выходы через m источников опорного сигнала соединены с входами коммутаторов, другие входы которых объединены с входами мультиплексоров и через m дешифраторов соединены с выходс1ми m регистров кода, а выходы коммутатора соединены с входами п фильтров низких частот, выходы которых подключены к входам сумматора 2. Недостаток известного генератора состоит в методической погрешности задания требуемого спектра, что объясйяется кусочно-постояннойаппроксимацией спектральной плотности мощности. Наиболее существенным оказывается влияние кусочно-постоянной.

.аппроксимации на точность задания спектров при имитации широкополосных случайных вибропроцессов, для которых характерно наличие в спектральной характеристике резонансных всплесков 1 провалов.

Цель изобретения - повышение точности генератора.

Поставленная цель достигается-тем J4TO в генератор, содержащий блок генераторов тактовых частот, выходы которого соединены с входами группы мультиплексоров соответственно, входы которых объединены с первыми входами соответствующих коммутаторов и подключены к выходам соответствующих дешифраторов, входы которых подЛлючены к выходам соответствующих регистров кода, выходы мультиплексоров соединены с входами соответствующих источников шума и первыми входами соответствующих цифровых фильтров, выходы которых соед1инены с первыми входами соответствующих источников опорного сигнала, выходы которых соединены с вторыми входами соответствующих- коммутаторов, выходы которых соединены с соответствующими входами фильтров низких Чс1стот, выходы которых соединены с входами сумматора соответственно, введены первая и вторая группы элементов И, группа элементов ИЛИ-НЕ, группа сумматоров по модулю два, группа элементов задержки, группа вероятностных двоичных элементов и группа триггеров управления, единичные и нулевые выходы которых соединены соответственно с первыми входами элементов И-НЕ группы и,элементов И второй группы, выходы которых соединены с первыми входами соответствующих сумматоров по модулю два группы, выходы которых соединены с входами соответствующих цифровых фильтров группы и элементов задержки группы соответственно, выходы которых соединены с вторыми входами соответствующих элементов И второй группы и элементов И-НН группы, выходы которых соединены с первыми входами элементов И первой группы, соответствиннб, выходы которых соединены с вторыми входами соответствующих сумматоров по модулю два группы, выходы источников шума группы соединены с входами вероятностнь1Х двоичных элементов группы, соответственно, первые и вторые выходы которых соединены с вторамк входами элементов И первой группы и источников опорного сигнала, соответственно.

На фиг. 1 приведена структурная схема генератора случайного процесса на фиг. 2, За и 5а - функциональные схемы блоков генератора; на фиг. 36, Зв,56 и 5а - временные диаграммы на фиг, 4, 6 и 7 - зависимости.частотных характеристик.

Генератор содержит блок 1 генераторов тактовых частот, m мультиплексоров 2, m источников 3 шума, m цифpOBfcJx фильтров 4, m источников 5 опоного сигнала m коммутаторов б, т. дешифраторов 7, m регистров 8 кода п фильтров 9 низких частот, сумматор

10,Л1 вероятностных двоичных элементов 11 группы, m элементов 12 И первой группы, m сумматоров 13 по модулю два, m элементов 14 И второй группы, m элементов 15 И-НЕ группы

т элементов 16 задержки группы и m триггеров 17 управления труппы.

В блоке 1 тактовых частот генерируется сетка центральных частот, обеспечивакндая перекрытие заданного частотного диапазона, и подается на входы мультиплексоров 2, которые в соответствии с сигналами, поступающими ia его вход с дешифраторов коммутирует на входы источников 3 шума и цифровых фильтров 4 требуемые частоты, которые определяются кодами занесенными на регистры 8 кодов, выходы которых подключены к входам дешифраторов, с выходов которых разрешаю1дий сигнал поступает на первые входы m коммутаторов б. Сигналы с равномерным спектром с выходов m источников 3 шума поступают на входы т вероятностных двоичных элементов

11,где осуществляется изменение вероятности появления единицы на выход в каждом канале. Выходные сигналы с элементов 11, проходя через элементы 12 И первой и сумматоры 13

по модулю два, поступает на входы цифровых фильтров 4. Кроме того, управляющие сигналы с m вероятностных двоичных элементов 11 поступают на входы m источников 5 опорного сигна,ла, на вторые входы которых подключены выходы m цифровых фильтров 4, а выходы источников 5 подключены к вторым входам m коммутаторов б.

Выходы m сумматоров 13 подключены к входам m элементов 16 задержки, выходы которых подключены к вторым входам элементов 15 И-НЕ и элементов 14 И второй группы, а на первые входы m элементов 15 И-НЕ и элементов 14 И подключены нулевые и единичные входы m триггеров 17 управления, соответственно. Выходы m эле,ментов 15 И-НЕ подключены к вторыл входам m элементов 12 И первой группы, а выходы элементов 14 И подключены к вторым входс1М гп сумматоров 13, п выходов m коммутаторов б соединены i-ми входами п фильтров 9 низких частот, выходы которых подключены к входам сумматора 10.

Блоки 1-10 выполняют аналогичные функции, как и подобные блоки в иэвестном генераторе. Вероятностный двоичный элемент 11 представляет собой устройство, позволяющее генерировать бинарные последовательности

с изменяемыми вероятностями появления 1. Причем, в данном случае элемент 11 позволяет регулировать вероятность появления

в широких

пределах от О до 1. Структурно подобное устройство реализуется по известным типовым схемам. Элементы 12-15 выполняют функции двухвходовы схем И, сумматора по модулю два, Ии И-НЕ, соответственно, а элемент 16 задержки выполняет функцию задержки информации на один такт (фиг.2).

Устройство работает следующим образом.

Для получения заданной спектральной плотности мощности на регистры 8 кодов заносятся коды Частот таким образом, что более широкополосные фильтры находятся на участках с малым изменением спектральной плотности, а более узкополосные - на резонансных всплесках и провалах. Код тактовой частоты определяет центральную частоту фильтра. Блок генераторов тактовых частот 1 генерирует полную сетку частот, предусматривающую любую перекомбинацию фильтров с различной полосой пропускания.

Все тактовые частоты с блока 1 пода1Ьтся на мультиплексоры 2. Дешифраторы 7 в соответствии с кодом, занесенным в регистр 8, дают разрешение на прохождение на входы источников 3 шума и фильтров 4 определенной тактовой частоты. Коды регистров 8 не повторяются. Всего тактовых частот п, а одновременно набранных кодов m п.

Далее белый шум с выходов источника 3 шума под действием синхронизирующих импульсов тактовой частоты поступает на вход вероятностных двоичных элементов 11, которые регулируют вероятность появления единицы на первых выходах элементов 12 И (фиг. 1 и 2).В зависимости от вида спектральной плотности мощности в каждой полосе, формируемой цифровым фильтром 4, триггеры 17 управления устанавливаются в единичное или нулевое состояние. В случае, если спектральная плотность мощности в даннойконкретной полосеимеет выпуклый вид, триггер управления устанавливается в нуле-: вое состояние. В этом случае функциональная схема (фиг.2) автоматически преобразуется в схему, изображенную на фиг. За. В случае, если спектральная плотность мощности имеет вогнутый вид, триггер управления устанавливается в единичное состояние. В этом случае схема,показанная на фиг.2, повторяе г работу схемы, приведенной на фиг.6. ,

Рассмотрим случай, когда необходимо воспроизвести выпуклый вид спектральной плотности мощности в данной

: частотной полосе. В этом случае совокупность элементов 12-17 (фиг.2) структурной схемы путем фиксирования на триггере 17 управления нулевого состояния преобразуется в схему, приведенную на фиг.За. На вход элемента И (фиг.За) с выхода вероятностного двоичного-элемента 11 поступает случайная последовательность независимых случайных двоичных цифр XK с вероятностью P()P, ;где 1, 2, 3...

Входная последовательность хц (фиг. 4б) преобразуется в последовательность z (фиг. Зв) таким образом, что в новой последовательности отсутствуют следующие друг за другом единицы. Энергия низкочастотных и высокочастотных составляющих уменьшается. При этом возрастает амплитуда

составляющих, имеющих частоту 1/2Т. Особенно сильно возрастает амплитуда составляющей с частотой 1/2Т и близких ей составляющих при Р(). Аналитически алгоритм преобразования последовательности независимых

случайных двоичных цифр х, в последовательность Z ц; (фиг. Зб, в) описывается выражением

, .

3&

Л -4-1-(1)

Корреляционная функция последовательности z; определяется выражением .

. R(ni)P(Zj, i,). (1) Учитывая, что Р(Х,1)Р и Р(2,1 P(.(z.,i,,),

и преобразуя выражение (2), получают .

fi(m)p-R()+p.p(). (з;

Значение P(z(; 1) получается по следукнцей зависимости:

р(2; -r)P-(f- р).(р +рЧар ар5- зр+зр 4...)

Р/(ИР).

Для нахождения корреляционной функции R(m) решают неоднородное разностное уравнение первого порадка с постоянными коэффициентами (5) при начальных условиях R(o)P/(l-f-P)

iR(m)+P-R(m-i):pV(i4p;. (5) ; .

Применяя преобразование Лорана к уравнению (5) и используя терреиу опережения, окончательно получают

:«).(-рг(-W Спектральная плотность мощности случайной последовательности г отличается от спектральной плотности мощности входной последовательности х на сомножитель w(f; , который определяется следующим образом: ,v(,b Р L ( -Gt-pf Ь( (-(-t-p)(i-vp)i-4.pcsin згт{ )а Выражение (7) показывает что ис пользуя на входе элементов 12 дел та-модулированную импульсную последовательность XK, имеющую равномер ный спектр на выходе преобразовател состоящего из элементов 12-17, при нулевом состоянии триггера 17 управ ления получается случайный процесс Z1, с изменяемой спектральной плотностью мощности, имеющей выпуклый вид. спектра (фиг.4). Используя последовательность Х| .поступающую с вероятностного двоичного элемента можно генерировать узкополосные слу чайные процессы с изменяемой формой спектральной плотности, при этом форма изменяется за счет изменения вероятности входной последовательности х. Рассмотрим второй случай, когда необходимо воспроизвести вогнутый вид спектральной плотности мощности в определенной частотно полосе. В этом случае совокупность элементов 12-17 (фиг. и 2) путем фиксирования на триг . гере 17 управления единицы пр образуется в схему, приведенную на фиг. 5а. На вход сумматора по модул два (фиг. 5а) с выхода вероятностно двоичного элемента 11 йоступает слу чайная последовательность независимых случайных двоичных цифр х,. Входная последовательность х (фиг.56) преобразуется в последовательность z,( (фиг.Бв). Аналитически алгоритм преобразования независимых случайных двоичных- цифр Хц В последовательность 1 (фиг.5) описывается выражением 2lc-.0. Корреляционная функция последо|вательности z, (8) определяется выражением (2) Учитывая, что Р(.)р(7.о,у,1)+Р(г.1,) C()-P + f(1-P) 45, . и преобразуя выражение (2) получают ЙСтН1-2р)Р()5Для нахождения корреляционной функции R(m), решают неоднородное разностное уравнение первого порядка с постоянными коэффициентами (9).В результате получают R(n)-(l-2p).Oo; Спектральная плoтнoctь мощности случайной последовательности z, отличается от спектральной плотности МОЩНОСТИ входной последовательности х, на сомножитель W(f}, который определяется следующим образом: P +H-lP sin lTf Выражение (11) показывает, что ; используя на входе элементов 12 дель{та-модулированную импульсную последовательность XK,имеющую равномерный спектр, при единичном состоянии триггера 17 получается случайный процесс- z с изменяемой спектральной плотностью мощности, имеющей вогнутый вид спектра (фиг.6). Таким образом, изменяя вероятность появления двоичных символов X ц на выходах гл двоичных вероятностных элементов 11 при соответствующих состояниях п триггеров 17 управления на выходах сумматоров 13 получаются случайные процессы с изменяемой формой, имеющей или выпуклый или вогнутый вид (фиг.4 и б). Далее выходные процессы с m сумматоров 13 поступают на входы m цифровых фильтров 4, где происходит полосовая фильтрация входных цифровых процессов. Цифровые фильтры 4 выделяют полосу частотных составляющих из исходного процесса с центральной частотой, равной 1/2Т, а так как для каждого фильтра тактовая частота отлична, в результате на выходе цифровых фильтров получаются случайные процессы, частотные составляющие которых лежат строго в определенных непересекающихся частотных диапазонах. В данном случае оказывается возможным аппроксимировать частотные составляющие в каждом диапазоне не только .кусочно-постоянные как в известном .генераторе, а и нелинейным образом |путем изменения вероятности Р (ху; 1 )Р в элементах 11. При измерении вероятности Р в m элементах 11 на выходах m цифровых фильтров 4 изменяется общий уровень сигнала. Сигнал управления, поступающий с выхода элементов 11 на второй вход источников 5 опорного сигнала, регулирует понижение или повышение уровня на выходах цифровых фильтров 4. В случае необходимости воспроизведения равномерных учлетков

спектральной характеристики с постоянным уровнем триггер 17 управления устанавливается в единичное значение и на выходе элемента 11 устанавливается Р (хц 1)0,5.

Источники 5 опорного сигнала изменяют уровни выходного сигнала в соответствии с видом спектра задаваемого случайного процесса. Выходной сигнал с выходов источников 5 поступает на вход того или иного фильтра низких частот. Функцию коммутации осуществляют коммутаторы ,6, которые в соответствии с кодами,, находящимися в регистрах 8, и соответственно сигналом на выходе дешифратора, подключают выход источников 5 к тому ил иному фильтру 9 низких частот. .На выходе .суммирующего устройства получается результирующий случайный процесс с заданным спектром. Пример йоспроизводимого-процесса с требуемым спектром показан на фиг. 7.

Набор кодов тактовых частот и ус,гановка триггеров 17 производится вручную, однако эту функцию можно возложить на управляющую программу ЭВМ. В этом случае программа распределения фильтров по частотному диапазону выполняется автоматически. Используя данный подход для реализации генератора случайного процесса, оказывается возможным в процессе его работы оперативно изменять вид спектральной плотности мощности.

Изобретение позволяет осуществлят более точное задание требуемого вида спектра, что достигается введением нелинейной аппроксимации. Это влечет за собой возможность более точной коррекции резонансных выбросов и провалов. С меньшим набором цифровых фильтров оказывается возможной аппроксимация более сложных спектральных характеристик,

Таким образом, расширение функциональных возможностей устройства осу ществляется за счет возможности воспроизведения процессов с более сложнЕзМ видом спектра.

Предлагаемое устройство отличается простотой технической реализации и сравнительно небольшими аппаратурными затратами. Всё блоки реализуются с использованием типовых элементов вычислительной техники,например, интегргшьных схем серии 155.

Экономический эффект от применения изобретения определяется более точным заданием необходимых условий виброиспытаний, что позволит получит более полную информацию о надежности отдельных узлов испытывае1у1ого изделия и предотвратить выпуск бракованных изделий.

Формула изобретения

Генератор случайного процесса, содержащий блок генераторов тактовых частот, выходы которого соединены с входами мультиплексоров соответственно, входы которых объединены с первыми входами соответствующих коммутаторов и подключены к выходам соответствующих дешифраторов, входы которых подключены к выходам соответствующих регистров кода, выходы мультиплексоров соединены с входами соответствующих источников шума и первым входами соответствующих цифровых фильтров, выходы которых соединены с первыми входами соответствующих источников опорного сигнала, выходы которых соединены с вторыми входами соответствующих коммутаторов, выходы которых соединены с соответствующими входами фильтров низких частот, выходы которых соединены с входами сумматора соответственно, о т. л и ч а ющ и и с я тем, что, с целью повышения точности, он содержит первую и вторую группы элементов И, группу Ьлементов И-НЕ, группу сумматоров по модулю два, группу элементов задержки, группу вероятностных двоичны элементов и группу триггеров управления, единичные и нулевые выходы которых соединены соответственно с первыми входами элементов И-НЕ группы и элементов И второй группы, выходы которых соединены с первыми входами соответствующих сумматоров по модулю два группы, выходы которых соединены с входами соответствующих цифровых фильтров группы и элементов задержки группы, выходы которых соединены с вторыми входами соответствующих элементов И второй группы и элементов И-НЕ группы, выходы которых соединены с .первыми входами элементов И первой группы, соответственно, выходы которых соединены с вторыми входами соответствующих сумматоров по модулю два группы, выходы источников шума группы соединены с входами вероятностных двоичных элементов группы, соответственно, первые и вторые выходы которых соединены с вторыми входами элементов И первой группы и источников опорного сигнала, соответственно.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Ковсшь В.Т. Задающая апцара- . тура для воспроизведения случайных вибраций при исследовании надежности. - Вестник машиностроения, 1970.

2.Авторское свидетельство СССР, 631961, кл. G ,р6 .F 1/02, 1977 (прототип)

Т 17

Id

Ю

Ч И . . 1 . I I . . I I I I I 11 t

I .. I . I.. . I . I. I . I . I t

ГШ

5 Jf I . I. I . . . I I I . I . r. . I I . I J

6M - I I I I I . J I II T

.5

Фиг.З

PC J/4

ШП

p- /г

/

% f

%

Фиг. 6