Генератор случайного импульсного процесса Советский патент 1982 года по МПК G06F7/58 

1

Изобретение относится к вычиспитепы ной технике, предназначено для воспроизведения потока случайных импульсов и может быть использовано при построении имитационно-моделирующей аппаратуры и оптимизации структурно-сложных систем.

Известно устройство для формирования потоков случайных импульсов, содержащее генератор случайных импульсов, ,д циклический регистр сдвига, группу генераторов периодических импульсов, элементы И, ИЛИ 1.

Недостатком этого устройства является сложность его технической реализации, 15 так как в нем содержится много управляемых генераторов импульсов, сложность настройки на требуемый закон распреде- .лешя интервалов содержания импульсов, требующей решеккя системы уравнений, 20 а также сложность регулировки интенсивности формир емого потока импульсов.

Известно устройство для формирования потока случайных импульсов, два (1,

h )-полюсника, два счетчика, вероятностный элемент, элементы И, ИЛИ 2.

Недостатками данного устройства являются также сложность технической реализации, настройки и управления интенсивностью формируемого потока.

Наиболее близким к предлагаемому является генератор случайных временных интервалов, содержащий датчик (генератор) равномерно распределенных случайных чисел, функциональный (вероятностный) преобразователь, первый формирователь импульса, триггер,выходной формирователь импульса, счетчик, первый и второй блоки элементов (первый и второй коммутатор), блок задания шчагьных усповий (первый регистр), второй формирователь импульса, генератор (тактовых) импульсов, дешифратор, наборное поле (блок па мяти) и информатор Сз1.

Устройство работает по принципу пере пета импульсов тактового генератора с соэффициентов А+ И где А - код постоянной составляющей, х - текущее случайное число. Однако в известном генераторе, в функции блока задания начапаьнь1Х усповий входит хранение кода, задающего минимальную длительность формируемых случайных временных интервалов - постоянную составляющую интервалов, т.е. по существу, пользуясь общепринятой терминологией, это регистр (триггерный, интегральный, тумблерный, клавишный и т. д.); запись в счетчик из блока задания начальных условий и функционального преобразователя осуществляется по сигналам, вырабатываемым формирователями импульсов при изменении состояния триггеров. Наличие формирователей отнести к существенным признакам нельзя, так как запись в счетчик может осуществлять ся по сигналам его переполнения, по кото рым переключается триггер: первая и вто рая группа элементов И представляет собой коммутатор (мультиплексор), осуществляющий в нужные моменты времени соединение выходов функционального преобразователя или блока задания начальных условий со входами установки началь ного состояния счетчика; функциональный преобразователь осуществляет преобразование последовательности равномерно расположенных случайных чисел в последовательность случайных чисел с требуемым законом распределения, задающих длитель ность случайных составляющие, формируeMijix устройством интервалов, Пользуясь более конкретной терминологией, это любой из множества управляемых преобразователей. Выбор конкретного типа веро- ятностного преобразователя определяет-; ся требованиями к качеству получаемых случайных чисел, к быстродействию и аппаратурным затратам. Любой управляемый вероятностный преобразователь содержит блок памяти, в котором хранится програм ма преобразователя. В преобразователе, предложенном в прототипе, памятью является наброс (коммутационное) поле. Устройство формирует поток импульсов, интервал следовайия которых включает постоянную составляющую и случайщгю составляющую. Устройство допуска,ет простую регулировку интенсивности формируемого потока без изменения за- кона распределения интервалов из следования путем изменения значения постоянной составляющей и частоты преобразования (развертки) кодов в интервале (частоты генератора импульсов). Однако при решении задач имитационного моделирования структурно-сложных систем, например, в рамках теории массового обслуживания, возникает необходимость распределения случайных временных интервалов таким образом, что нормируется область существования случайной величины по максимальному значению. Область существования случайного временного интервала Т, формируемого на выходе устройства при нулевой постоянной составляющей, лежит в предела tm,+ 2)T,,g, . где Т - период следования импупьсов на выходе генератора импульсов; - минимальное и максимальное зна чение кодов на вь1ходе управляемого вероятностного преобразователя, и ,-0.m, m МУ Положим, что необходимо выполнять масштабирование случайной величины таким образом чтобы верхняя граница заданной, а нижняя не изменялась, Очевидно, что изменение временного масШтаба вариацией величины Т приводит к изменению как верхней, так и нижней границы. Поэтому пря сформированных изменениевременного масштаба ® известном устройстве может выполняться только изменением верхнэй границы т области существования случайных чисел, так как требует для каждого масштабирования выполнять перерасчет настроечных характеристик управляемого -вероятностного преобразователя. Действительно, так как представляет собой число интервалов квантования исходного закона распределения при расчете настроечных характеристик управляемого верюятностного преобразователя, то изменение ni . приводит к изменению числа интервалов квантования и требует проведения повторных- расчетов. Это характерно для любых типов управляемых вероятностных преобразователей. Перерасчет настроечных характеристик предполагает выполнение инте ральных преобразований, а после вьшолнения. расчетов-загрузки новых управляющих массивов в память управляемого вероятностного преобразователя, что требует дополнительных временных затрат и ограничнвает функциональные возможности устройства при работе в комплексе с другими устройствами, например, в системах испытания радиотехнических средств, Кроме трго, недостатком известного устройства является то, что минимапьная дпитепьн(х:1ъ пкриода спедования равна 2Тр5ц т.е. даже если задан код минимальной постоянной составляющей (нулевой), производится в начале цикла формирования интервала его прием в счетчик, затем по первому импупьсу генератора импульсов вырабатывается сигнал переполнения на выходе счетчика, по которому принимается в счетчик случайный код, и, если он равен нулю, по вто рому импульсу генератора импульсов заканчивается формирование интервала. Цепь изобретения - повьпиение быстродействия и расширение функциональных возможностей генератора за счет уменьшения трудоемкости его настройки на заданные характеристики в процессе работы. Поставленная цель достигается тем, что в генератор случайного импульсного пр цесса, содержащий генератор тактовых им пульсов, х енератор равномерно распределенных случайных чисел, управляемый вероятностный преобразователь, первый вход которого соединен с выходом генератора равномерно распределенных случайных чисел, первый регистр памяти, первый коммутатор, первый вход которого соединен с выходом первого регистра памяти, второй вход первого коммутатора соединен с выходом управляемого вероятностного преобразователя, первый счетчик, установочный вход которого соединен с выходом первого коммутатора, первый триггер, единичнь1й вход которого соединен с выходом первого счетчика, а выход первого триггера соединен с третьим входом пер вого коммутатора, первый элемент И, первый вход которого соединен с выходом триггера, второй вход первого элемента И соединен с выходом первого счетчика, а выход первого элемента И является выходом генератора, введены второй регистр памяти, блок буферной памяти, второй коммутатор, бпок сравнения, шифратор, блок элементов И, второй счетчик, второй элемент И и блок управления, состоящий из третьего элемента И, третьего счетчика и второго триггера, выход которого соединен с входом Сброс третьего счет чика, счетный вход которого соединен с выходом третьего элемента И, установочный вход третьего счетчика объединен с нулевым входом второго триггера, вход второго элемента И соединен с выходом первого регистра памяти, а выход второго элемента И соединен с нулевым входом первого триггера и третьим входом перво го коммутатора, первый вход второго коммутатора соединен с выходс д блока буферной памяти, вход шифратора соединен с выходом второго регистра памяти, с вторым входом второго коммутатора и с первым входом блока сравнения, первый вход блока элементов И соединен с выходом шифратора, второй вход блока элементов И соединен с выходом генератора равномерно распределенных случайных чисел, а выход блока элементов И соединен с первым входом блока буферной памяти и вторым входом блока сравнения, установочный вход второго счетчика соединен с выxoдtяv второго коммутатора, выход блока сравнения соединен с первым входом третьего элемента И, второй вход которого соединен с выходом генератора тгжтовых импульсов, счетным входом второго счетчика и входом генератора равномерно распределенных случайных чисел, нулевой вход второго триггера соединен с выходом второго счетчика и счетным входом первого счетчика, единичный вход второго триггера соединен с выходом первого элемента И и вторым входом управляемого вероятностного преобразователя, выход второго триггера соединен с третьим входом второго коммутатора, выходы третьего элемента И и тре-г тьего счетчика соединены соответственно с вторым и третьим; входами блока буферной памяти. На чертеже представлена структурная схема предлагаемого генератора. Устройство содержит генератор 1 рав номерно-распределенных случайных чисеи. управляемый вероятностный преобразователь 2, первый регистр 3 памяти, первый коммутатор 4, первый счетчик 5, второй элемент И 6, триггер 7, элемент И 8, блок 9 буферной памяти, второй регистр 10 памяти, второй коммутатор 11, шифратор 12, блок 13 элемента И, бпок 14 сравнения, второй счетчик 15, генератор 16 тактовых импульсов, блок 17 управления, состоящий из третьего элемента И 18, третьего счетчика 19, тригу гера 2О. Выход генератора равномерно-распределенных чисел 1 соединен с вторым входом блок 13 элементов И и первым входом управляемого вероятностного преобразователя 2, выход которого соединен с четвертым входом первого коммутатора 4. Выход первого регистра 3 соединен с третьим входом первого коммутатора 4 и входом элемента И 6, выход которого соединен с первым входом триггера 7 и вторым входом первого коммутатора 4. Выход первого коммутатора 4 соединен с первым входом первого счетчика 5. выход которого соединен с вторь1ми входами триггера 7 и элемента И 8. Выход триггера 7 соединен с первым входом первого коммутатора 4 и первым входом элемента И 8, выход которого соединен с вторым входом управляемого вероятнос ного преобразователя 2, с четвертым входом блока 17 управления н является выходом устройства. Выход второго ре- гистра 10 соединен с вторым входом второго коммутатора 11, первым входом пока 14 сравнения и входом шифратора 12, выход которого соединен с первым входом блока 13 элементов И. Выход блока 13 элементов И соединен с вторым входом блока 14 сравнения и первым вхо дом блока 9 буферной памяти, второй вход которого соединен с третьим вйходом блока 17 управления, третгай выход с вторым выходом блока 17 управления, а выход - с первым входом второго коммутаторе 11. Выход генератора 16 соеди нен с входом генератора равномерно распределенных С11учайных чисел 1 и вторым ВХОДОМ блока 17 управления и второго счетчика 15, первый выход которого сое(щнен с выходом второго коммутатора 11, а выход - с вторым входом первого рчетчика 5 и третьим входом блока 17 управления. Первый вход блока 17 управления соединен с выходом блока 14 срав нения. Первый вход блока 17 управления соединен с выходом блока 14 сравнения, а первый выход - с третьим входом вто рого коммутатора 11. Причек в блоке управления 17 третьего элемента И 18 первый вход является первым входом блока 17 управления, второй вход является вторым входом блока 17 управления, вы.ход соединен с первым входом третьего счетчика 19 и является третьим выходом блока 17 управления, выход третьего счетчика 19 является вторым выходом блока 17 управления, первый вход триггера является четвертым входом блока, а выход соединен с третьим входом счетчика 19 и яв ляется первым выходом блока 17 управления. Второй вход третьего (счетчика 19 соединен с вторым .входом триггера 2О и является третьим входом блока 17 упргивления. Устройство работает по принципу пересчета регулярной последовательности импульсов со случайным коэффициентом пересчета. Коэффициент пересчета равен (X + Ai+OW- a - . (X.-Ml+Kj- - , для ..,/2, где М - масштабный коэффициент; А - коэффициент аппроксимации; Х - случайные числа с управляемым заданным законом распределения; аппроксимирующие равномернораспределенные случайные числа в интервале 0; М. Генератор равномерно распределенных случайных чисел 1 служит для формирования потока первичных случайных чисел. Управляемый вероятностный преобразователь 2 осуществляет преобразования потока первичных чисел в поток случайных чисел с требуемым законом распределения. Преобразователь 2 может быть любым известным решением, обеспечивающим нужное быстродействие и заданную точность, имеет вход равномерно распределенных чисел и вход запускаемого импульса. В регистре 3 хранится код коэффициента постоянной составляющей А, а в регистре 10 - код масштабного коэффициента М, Первый коммутатор 4 по сигналу на управляющем входе 1 подключает выход блока к входу. 3 или входу 4, Вход 1 , и вход 2 объединены по функциям ИЛИ. Первый счетчик 5 имеет вход 1 кода начального состояния, вход синхронизации счета 2 и выход переполнения. Аналогично построен второй счетчик. Запись начального состояния в обоих счетчиках производится сигналом их переполнения. Блок 9 буферной памяти имеет вход . данных 1: вход 3 адреса, вход 2 синхронизации и выход данных. Шифратор 12 формирует код, состоящий из нулевой в старшей часта и единиц, в младшей части, начиная со старшего значащего не равного разряда. Это может быть набор двухкодовых элементов ИЛИ, выходы которых являются выходами шифратора, первые входы соединены с выходами предыдущих разрядов шифратора, а вторые входы являются разрядными входами шифратора. Счетчик 19 - реверсивнь1й. Вход 1 вход суммирования, вход 2 - вход вычитания.. Вход 2 и вход 3 объединены по схеме И. Функционирует устройство следующим образом. В исходный момент (в начале формирования очередного случайного интервала) триггер 7 и триггер 20 блока 17 управления находится в нулевом состоянии, что разрешает постуттление через коммутатор 4 на вход управления пересчетом 1 счетчика 5 кода случайного числа с выхода управляемого вероятностного пре995обрааователя 2 и поступление через коммутатор 11 на вход управления пересче-: том счетчика 15 кода случайного чисхш с выхода блока 9. На вход 2 счетчика 15 поступают импульсы с выхода генератора 16с периодом следования Т. По поступлении с начала формирования интервала. Х +1 импульсов на выходе счетчика 15 вьфабаты вается импульс, .поступающий на вход 2 счетчика 5 и устанавливающий триггер 20 блока 17 управления в единичное состояние, разрещающее прохождение через коммутатор 11 на вход управпе ия пересчетом счетчика 15 кода числа М с выхода регистра 10. При этом счетчик 15 до конца формирования работает как делитель частоты с. коэффициентом пересчета М, на его выходе вырабатываются импульсы с периодом следования М Т. По поступлении после этого на вход .2 счетчика 5 Х импульсов с выхода счетчика 15 на его выходе вырабатывается импульс, устанавливающий триггер 7 в противоположное (единичное) состояние, запрещающее прохождение через коммутатор 4 кода с выхода управляемого вероятностного преобразователя, а разрещающее прохождение на вход 1 счетчика 5 кода коэффициента постоянной составляющей А с выхода регистра 3. После чего по поступлении на вход счетчика 5 А+1 импупьсов, на выходе счетчика 5 вырабатывается второй импульс, который проходит через элемент И 8 на .выходе устройства. Формирование очередного случайного временного интервала закончено. По второму импульсу с выхода счетчика 5 триггер 7 устанавливается в исходное нулевое состояние, по выходному импульсу в блоке 17 управления триггер 20 устанавливается в исходное нулевое состояние, на выход управляемого вероятностного преобразователя поступает новое случайное число X2.После этого описанный процесс повторяется. Если во всех разрядах регистра 3 еди ницы, с выхода элемента И 6 поступает сигнал, который постоянно удерживает триггер 7 в единичном состоянии и разрешает прохождение через коммутатор 4 только кодов с выхода управляемого вероятностного преобразователя. При этом процесс формирования сигналов зака1гчп1ва ется по первому импупьсу с Ешхода счетчика 5. Таким образом, период спедования импульсов формируемого устройства потока 1ри А 11 ... Ill состоит из трех понентов: ( Xj +1 )Т +1)М.Т,енСу мма двух первых компонентов дает случайную составляющую периода следования. Причем X 4 MTfgj определяет значение опорных интервалов длительностью M. области существования периода следова,ния выходных импульсов, а распределе;Ние опорных случайных чисел Х задают : вероятности попадания значений периода следования в данные опорные интервалы. Компонент-(Xj+1) Tpg является аппрок:симирующим, равномерно распределенные .в интервале fO, Ml случайные числа Х,. задают на опорных интервалах М кратных Т равновероятных дискретных значений периода следований выходных импульсов. Компонент (А-И) дает значение постоянной составляющей периода следо- вания выходных импульсов. При А 11 112 Данный компонент устройством не формируется. Формирование р)авномерно распределенных в интервале О, М чисел осуществляется путем отбора из потока первичных равномерно распределенных случайных чисел, формируемых генератором. 1 чисел, попадающих в диапазон 0, М Причем с целью пох ышения средней скорости отбора посредством щифратора 12 и блока 13, производится автоматическое приведение разрядности отбираемых случайных чисел до разрядности значащей цифры числа М, потребление случайных чисел X2 осуществляется через блок 9 буферной памяти, что необходимо для согласования С1 чайности моментов их формирования и потребления. Шифратор 12 формирует код маски, представляющий собой набор нулей в старщей части и единиц в младшей части, начиная со старшего значащего разряда (первого разряда со С1Х) старшего, равного единице) в коде числа М, хранимого в регистре 10. Простейший шифратор такого типа представляет собой набор двухкодовых элементов ИЛИ, выходы которых явпяотся разрядными выходами шифратора, первые входы соединены с выходами предыдущих разрядов щифратора а вторые входы явпяк тся разрядными входами шифратора. Блок 13 элементов И осуществляет поразрядное логическое уыяожеияе кодов первичных случайных Hifcen с кодом маски, на. выходе блока получаются равномерно распределенные случайные числа, разрядность значаюшей части которых не превышает значащей части кода М. При этом область уществования случайных чисел на выходе блока 13 эпементов не превышает значение М более чем в два раза, вероятность того, что очередное число не попадает в диапазон О,М меньше 0,5 для всего диапазона изменения М. Случайные числа с выхода блока 13 элемента И поступают на вход блока 14 сравнения, которая сравни вает их со значением кода М из регистра 10. Если очередное число меньше либо равно М, сигнал логической единицы с выхода схемы сравнения разрешает про хождение на вход 2 блока 9 через элемент 18 блока 17 управления импульсов генератора 16, по которому число с выхода блока 13 элементов И записывается в 9. Если очередное число больше М, pgo пропускается, анализируется следующее. Адреса записи и считывания чисел Х из 9 формируются реверсивным счетчиком 19 блока 17 управления. После записи каждого нового числа в счетчик 19 увеличивается на единицу импульсом записи, поступаюлщм с входа элемента 18 на первый вход счетчика. После каждого счи тывания числа из блока памяти, состояние счетчика 19 уменьшается на единицу по импульсу, поступающему на вход 2 и наличии присутствующего во время считывания уровня логической единицы на входе 3, поступающего с выхода триггера 20. При высокой интенсивности формируемого устройством пот-ока импульсов могут возникать ситуации повторного счи тывания чисел из блока 9. Однако, если интенсивность выходного потока меньше интенсивности формирования чисел, можно .Ёсегда выбрать такой объем памяти, что вероятность повторных считываний будет ничтожно мала. В устройстве можно применять и другие варианты блока управления, реализующие, например, другую дисциплину обмена с буферной памятью, или другую очередность формирования компонентов периода следования выходных импульсов. Введение новых блоков и связей обуславливает упрощение настройки генератора. Длительность формируемых интервалов определяется соотношениями: Т (Х, + . Т ( + Х24-|) Тген приАИ.-. где А и М - значения кодов, хранимых в первом и втором регистрах, соответственно:Т ген период следования импульсов генератора тактовых импульсе , коды случайных чисел, формируемых управляемым вероятностным преобразователем;Xj-O, М - случайные числа, распределенные на интервале fp,Mj. Изменение масштаба закона распределения осуществляется вариацией значения М, так как при его изменении происхо дит пропорциональное изменение состав- ляющей AMTpg длительности опорных ин. тервалов Х MTpg (из формулы (1) и автоматически - количества равновероятных дискретных значений аппроксимирующего интервала, период дискретизации которого остается постоянно равным Tpg, Если необходима регулировка верхне- го предела области существования периода следования импульсов выходного потока без изменения нижнего предела и формы закона распределения, она осуществляется при А tli .., ilg изменением кода М и обратно пропорциональным изменением кода А (чтобы вепичина осталась без изменения), при А 11 ... llij только изменением кода числа М. Положительный эффект получается за счет введения блока буферной памяти,второго регистра, шифратора, второго коммутатора, блока схем И, схемы сравнения, второго счетчика блока управления и связи между ними. Уменьшение минимальной длительности интервалов. Из соотношения (2) следует, что при А -- 11 ... 112 ° всех разрядах первого регистра находятся единицы) область существования периода Т следования импульсов, формируемого предлагаемым устройством, потока импупьсов, лежит в пределах ген- - 1 то,хИ) т.е. минимальная длительность между импульсами равна Tf.g Этот эффект получен от введения второго элемента И. Предлагаемое устройство обладает простотой настройки и регулировки интенсивности выходного потока или верхней границы области существования периода их следования при нормированной минимальной длительности периода следования; уменьшением минимальной длительности периода следования импупьсов, .которая независимо от интенсивности выходного потока может иметь минимально возможную для элементной базы устройства величину Независимостью от области существования случайной составляющей периода спедовения выходных импупьсоЬ (от интенсивности выходного потока) интервапа его дискретиаацйи, который может иметь минимальную, определенную предельными скоростями характеристиками элементной базы устройства постоянную величину Tj-en так как изменение области существования случайно составляющей осуществляется при изменении соэффихшента М за счет изменения колиаества аппроксимирующих состояний на опорных интервалах при неизменной величине ° обуславливает высокую адекватность дискретного распределения непрерывному, что имеет немаловажное значение при использовании устройства для исследования структурно-сложных схем, при построении аппаратурных мо делей массового обслуживания. Предлагаемое устройство позволяет применять его взамен ycтpoйcтвJ формирующих потоки импульсов с непрерывным распределе1 гаем, отличающихся по сравнению с предлагаемой сложностью техничес кой реализации, настройки и управления интенсивностью. Формула изобретения Генератор случайного импульсного про цесса, содержащий генератор тактовых им пульсов, генератор равномерно распределенных случайных чисел, управляемый ве роятностный преобразователь, первый вход которого соединен с выходом генератора равномерно распределенных случай ных чисел, первый регистр памяти, первый коммутатор, первый вход которого . соединен с выходом первого регистра памяти, второй вход первого коммутатора соединен с выходом управляемого вероят ностного преобразователя , первый счетчи установочный вход которого соединен с выходом первого коммутатора, первый триггер, единичный вход которого соединен с выходом первого счетчика, а выход первого триггера соединен с третьим вхо дом первого коммутатора, первый элемен И, первый вход которого соединен с выхо дом триггера, второй вход первого элемента И соединен с выходом первого сче чика, а выход первого элемента И является выходом генератора, ОТЛИЧАЮЩИЙСЯ тем, что, с целью повышения быстродействия генератор содержит второй регистр памяти, блок буферной па мяти, второй коммутатор, блок сравнения, щифратор, блок элементов И, второй счетчик, второй элемент И, третий элемент И, третий счетчик и второй триггер, выход которого соединен с входом Сброс третьего счетчика, счетный вход которого соединен с выходом третьего элемента И, установочный вход третьего счетчика объединен с нулевым входом второго триггера, вход второго элемента И соединен с выходом первого регистра памяти, а выход второго элемента И соединен с нулевым входом первого триггера и третьим входом первого коммутатора, первый вход второго коммутатора соединен с выходом блока буферной памяти, вход шифратора соединен с выходом второго регистра памяти, с вторым входом второго коммутатора и с первым входом блока сравнения, первый вход блока элемента И соединен с выходом шифратора, второй вход блока элементов И соединен с выходом генератора равномерно распределенных случайных чисел, а выход блока элементов И соединен с первым входом блока буферной памяти и вторым входом блока сравнения, установочный вход второго счетчика соединен с выходом второго коммутатора, ВЬ1ХОД блока сравнения соединен с первым входом третьего элемента И, второй вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов, счетным входом второго счетчика и входом генератора равномерно-распределенных случайных чисел, нулевой вход второго триггера соединен с выходом второго счетчика и счетным входом первого счетчика, единичный вход второго триггера соединен с выходом первого элемента И и вторым -входом управляемого вероятностного преобразователя, выход :. второго триггера соединен с третьим входом второго коммутатора, выходы третьего элемента И и третьего счетчика соединены соответственно с вторым и третьим входами блока буферной памяти. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидете1льство СССР № 312253, кл. q 06 F 1/О2, 1969. 2.Авторское свидетельство СССР № 528574, кл. Q 06 F 1/02, 1974. 3.Авторское свидетельство СССР № 440662, кл. q 06 F 1/02, 1973 (прототип).