JPS6159009B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、アナログもしくはデジタル情報を
統計推理的な態様においてコード化するのに適す
る、可変かつランダムな２進信号を発生する装置
にかんする。

アナログもしくはデジタル情報ｘを統計学的に
コード化するに当り、統計学的な平均値ＰがＸに
等しいような、ランダムな、しかも相互に確然と
引き離された可変の変数Ｘを創出せしめて上記の
情報に対応させる技術は、すでに知られて公知で
ある。このような原理の格別な応用例は、Ｘが、
「０」の状態と「１」の状態よりなる２進信号の
場合である。この場合において、Ｐは、プロバビ
リテイすなわち確率が１であるものを表わす。

さて、それに加えて、上記のような統計学的な
コード化方法は、ある種の計算用ならびにデータ
変換装置ならびに、情報の伝送に用いられてもい
る。

アナログ情報の統計学的なコード化のための装
置として、２つの入力部を有する比較器すなわち
コンパレータで、一方の入力部はアナログ情報を
受領し、他方の入力部は、ノイズ発生器から来る
ランダムなアナログ・ノイズを受領するようにし
たものは、すでに公知である。このようなノイズ
発生器は、抵抗器、ノイズ・ダイオード、ゼナー
ダイオードその他の如きノイズ源によつて、いつ
ぱんに構成されている。

本発明者の研究によれば、上記のように定義さ
れたプロバビリテイＰが0.5に等しく、その精度
は10^-4ないし10^-5であるようなものが必要であつ
た。現在においては、従来公知の装置をもつてし
ては、上記のような精度を達成することは不可能
であつた。

したがつて、本発明の目的とするところは、た
とえば航空機に塔載して使用せられるようにする
ために、上記の如き条件を満足するプロバビリテ
イをもつた２進式の変数を発生させるのに、とく
に好適なものとしての、統計学的なコード化装置
を創造しようとするにある。

上記のような目的をを達成するものとしての本
発明の装置は、２つの入力部を有する比較器をそ
なえ、そのうちの一方の入力部は基準ないしは参
照電圧を受けとり、他方の入力部はノイズ源より
来るところのランダムなアナログ・ノイズを受け
とる如くなされ、しかも上記の比較器はその出力
部のところにおいて、ランダムな転換推移を有す
る２進信号を発出することができるようにしたも
のにおいて、該装置が１つのクロツクと１つのロ
ジツク系とを備え、該ロジツク系は、上記のクロ
ツクから出されるクロツクパルスの周波数と同期
したランダムな諸転換を有する２進信号のサンプ
リングを行う如く配装されるとともに、他方にお
いては、ランダムな転換推移を有する上記の２進
信号の、２つのロジツク状態の等確率性すなわち
等確率を保証するようにした装置は格別に有用な
ものであることを認識して本発明を完成するに至
つた。

クロツクから出るクロツク信号の周波数は、な
るべくは、ノイズ源からのノイズのそれよりも低
からしめるのが得策である。たとえばクロツク信
号の周波数は、たとえば500KHzと25MHzとの間
において、適宜に調節できるようにする。他方に
おいては、ノイズ源の平均周波数は30MHz近辺
のものとする。

本発明の好適なひとつの実施例においては、ラ
ンダム・ノイズ信号発生装置は次のようにする。
すなわち、ランダムな２進的転換態様を有する２
進信号をサンプリングするために、上記のロジツ
ク系がそのような信号と、上記のクロツクからの
クロツク信号とを受けとるフリツプフロツプを有
し、その際、上記のエキプロバビリテイを確保さ
せるために、当該ロジツク系は、クロツク信号を
２で割る分割器と、２つの入力部を有するエクス
クルーシブなオア・ゲートをそなえたロジツク・
ゲートとを有し、それら２つの入力部のうちの一
方のものは、上記２分割式分割器よりの信号を受
けとるも、他方の入力部は上記のサンプリング後
におけるランダムな２進的推移を有する２進信号
を受けとるように構成する。上記のクロツクと、
上記の同期回路もしくは２分割型分割器との間に
は信号の極性を逆変させるリバーサを設けるのが
よい。

ノイズ源は、抵抗器もしくはジヤンクシヨン・
ダイオードあるいは、任意公知のノイズ供給源と
なしうる。しかしながら、該ノイズ源は、可変電
圧供給手段によつて可変電圧が供給されるゼナー
ダイオードをなるべくは具備するのがよく、ま
た、上記の可変電圧供給手段はそれを調整するこ
とにより上記ダイオードの動作点が、その特性曲
線のわん曲点の付近に位置せしめられるようにす
るとよい。

上記の比較器とロジツク系との間には、ランダ
ムな２進転換推移を有する２進信号を成形する成
形装置を設けるのがよい。

本発明によるノイズ信号発生装置によれば、ア
ナログあるいはデジタル情報の統計学的なコード
化を行なうのに好適な装置が得られる。このよう
な装置は、一方においては上記のようなノイズ信
号発生装置を有するとともに、他方においては、
少くとも１個のシフトレジスターを有する。この
シフトレジスターは入力が直列、出力が並列型の
もので、その入力部は上記のロジツク・ゲートの
出力部に接続される。また上記のシフトレジスタ
ーは上記のクロツクによつて同期化される。

本発明の好適な、ひとつの変形実施例装置とし
て、アナログ情報の統計学的なコード化を行う装
置においては、前述したようなランダム・ノイズ
発生装置を複数個設け、クロツクと、２分割式分
割器と、信号の極性を逆変させるリバーサとは、
すべてのランダム・ノイズ発生装置に対して、共
通とするのである。

さて、図面を参照して、本発明の実施例につい
て詳細に説明する。

第１図中の符号１は、本発明による推計的なコ
ード化装置の基本回路をあらわしており、これに
は、ランドム・ノイズ源２を含んでいる。このラ
ンドム・ノイズ源２は、たとえば抵抗器か、ある
いはジヤンクシヨン・ダイオードの如きものより
なる。上記の基本回路１には、さらに、上記のラ
ンドム・ノイズ源２のノイズＢを増幅するための
増幅器３と、２つの入力部５と６とを有するコン
パレータ４とを備えており、第１の入力部５は上
記のノイズＢを受領するように配設され、第２の
入力部６は補償用の、すなわち基準用の電圧ｙを
受け入れるようになつている。７はコンパレータ
４の出力部に配装された可能な成形装置であり、
８は同期装置であつて、その２つの入力部は、装
置７から来る信号と、クロツク１０の出力部から
くる信号とを、それぞれ受けとる。１１は「２」
で分割を行なう分割器であつて、リバーサ１２と
ロジツクゲート１３を介してクロツク１０からく
る信号を受け入れる。ロジツク・ゲート１３は、
エキスクルーシブなOR型のものであつて、２つ
の入力部１４と１５とを有し、それらの入力部は
同期装置８と分割器１１との、それぞれの出力を
受けとる。ロジツクゲート１３の出力部１６は、
基本回路１の出力部を構成している。

第２図に示してあるように、ノイズ源２は、な
るべくゼナーダイオード１７を有し、これは、結
合コンデンサ２０を介して増幅器３に接続されて
おり、ポテンシヨメータ１８および、なるべくπ
フイルタ１９を介して電圧が供給される。

上記のゼナーダイオード１７は、たとえば、平
均周波数が30MHzのオーダ、かつピークよりピ
ークに至る電圧値が30ないし40mVのものである
ノイズＢを発生しうるように選定されている。

なお、ポテンシヨメータ１８は、企図する用途
に対して必要な特性をノイズがもちうるような区
帯に、ゼナーダイオード１７の作用点が存在する
ように、所要の調整が行なわれる。これにより、 (イ) マイクロ・プラズマ動作において、いつそう
高い平均周波数が得られるようになる。

(ロ) 均一な、なだれ動作（avalanche working）
において、いつそう長い期における安定性が得
られるようになる。

増幅器３は、インテグレーテツド・ビデオ周波
数をもつ型のものとすることができる。その利得
は、たとえば20ないし30のものとし、あるいは、
また、増幅器として設計かつ配装された単一のト
ランジスタとせることも出来る。その他の、種々
の型式の増幅器を使用することも差支えない。

コンパレータ、すなわち比較器４は、とくに、
ヒステレシスおよび渡りあるいは転推の持続時間
にかんして、発生器の予期せられる性能にマツチ
する特性を示すものでなければならない。なお、
この物は、いわゆるシヨツトキー技術によつて製
造すると有利である。

ポテンシヨメータ２１は、ゼロの微細調整を可
能ならしめるものとし、それによつてノイズＢを
連続的なゼロと比較しうるものとし、また、出力
信号の２進状態の等確率性の調節を可能ならしめ
るようにする。

可能な成形装置７は、アンド型もしくはナンド
型の簡単なロジツクゲートとすることができる。

同期装置８は、フリツプフロツプによつて構成
し、クロツク信号の立上り（もしくは立下り）部
と一致し、かつ成形装置７より来る信号が「１」
であるときには「１」を出し、クロツク信号の全
期間に対して「１」を保持しつづけるが、クロツ
ク信号の全期間の終端時点において、もしも、成
形装置７から来る信号が「０」である場合には
「０」になるが、後者の信号が「１」であるとき
には「１」を保持するようにするのがよい。

分割器１１も、フリツプフロツプとなしうる。

第１図に示した装置の作用については、時間ｔ
の関数として、すなわち横軸に時間ｔをとつて、
種々の信号を表わしている第３図の波形図ａない
しｇを参照して説明することにしたい。

第３図の最上段の波形ａは、ノイズ源２によつ
て発生し、増幅器３によつて増幅されるランダム
ノイズＢを表わしている。ｙは補償電圧である。
比較器４内において、信号Ｂとｙとが比較され、
この比較器４の出力部においてか、あるいは場合
により成形されたのちに、装置７の出力部におい
ては、たとえば波形ｂのようなランダムな推移を
もつた２進信号が得られる。

したがつて、もしＢ＜ｙであれば、ロジツク０
が得られるがＢ＞ｙであればロジツク１が得られ
る。したがつて、比較器４の存在によつて、第１
の２進ノイズＢが得られる。

しかしながら、信号Ｂとｙとを比較して波形ｂ
の信号を得るという原理を援用することにより、
パルスの幅が「０」または「１」のシーケンスで
あり、それが規則正しいものではなくて、一般的
に異つていてランダムであるように構成された２
進的な変化をもつた信号を形成させることができ
る。じつさいに、上記のような原理を援用した結
果として、「０」もしくは「１」の値およびその
位置がランダムであるばかりでなく、パルスの幅
もランダムであるような信号が得られるのであ
る。上記の波形ｂのような、ランダムな信号を引
き続いて、使用することができるようにするため
には、「０」から「１」へ、およびその逆の転換
がクロツクの計時の各瞬間にそれが現われるよう
にすることが望ましいのである。

このような作用を達成するために、たとえば、
1MHzに等しいようなクロツクパルスを出すクロ
ツク１０の周波数において、上記の波形ｂのよう
な２進的変化をもつた信号をサンプリングするの
である。第３図の波形ｃはクロツク１０から出る
クロツクパルスを表わしている。フリツプフロツ
プ８の出力部のところで現われる上記のサンプリ
ングの結果が波形ｄによつて示されている。この
ような、サンプリングされたシグナルを得るに
は、フリツプフロツプ８の出力信号は、クロツク
１０からの信号の立上り部が２進的変化を有する
信号の１つの「１」と一致したときには「１」と
なり、クロツクパルスの持続中は「１」の状態を
保持し、クロツクパルスの次の立上りが２進的変
化を有する信号の「０」と一致するときには
「０」に戻るか、あるいは次位の立上りが２進的
変化を有する信号の「１」と一致したときには
「１」の状態を保持するようなものであると仮定
した。

フリツプフロツプ８によつてサンプリングがな
されたのち、波形ｄの２進信号が得られる。この
場合に注意すべきことは、波形ｂとはちがつた２
進的変化をもつ信号であつても、波形ｄの２進信
号は依然としてランダムであることである。その
理由は、信号「０」および「１」は、２進的変化
をもつ上記の信号の変化によつて決定されるから
である。

このことは、クロツク１０の周波数がノイズＢ
の平均周波数よりも低いか、あるいは、それに等
しい場合には、ますます重要になつてくるのであ
る。したがつて、クロツク１０からのクロツクパ
ルスを選定することだけではなく、たとえば
30MHzの供給源２より、たとえば周波数500kHz
より25MHzに調節可能な２進信号を取得して、
所要の目的に適合させることができる。しかも、
その場合、「０」もしくは「１」をひとつ忘れた
ような結果になるとか、ある寄生信号が重畳した
とかにもとづく欠点を回避することができるもの
である。フリツプフロツプ８より発出される２進
式のノイズを実際においてランダムなものたらし
めるためには、クロツク１０からのクロツクパル
スの周波数がノイズ源２から発生するノイズＢの
平均周波数よりも低いことが必要である。したが
つて、クロツク１０からのクロツクパルスの周波
数は２進式のノイズのランダム性になんら悪影響
を与えることなく、その周波数を決定するもので
ある。

もちろん、クロツク１０からのクロツクパルス
の周波数は可調節型のものとなしうる。

クロツク１０から来る信号はリバーサ１２で極
性を反転される。このようにして得られた信号
は、第３図の波形ｅに示されている。

フリツプフロツプ１１はリバーサ１２の信号の
周波数を２分割する。第３図のｆは、ゲート１３
の一方の入力部１５に給与されるところの、その
ような処理をうけた信号の波形を表わしている。
さらに、上記のゲート１３は、その他方の入力部
１４のところにおいて、第３図に波形ｄで示され
た、フリツプフロツプ８によつてサンプリングさ
れた信号を給与される。エクスクルーシブ・オ
ア・ゲート１６の出力部に現われる２進式のラン
ダム信号は第３図に波形ｇで示した形のものであ
る。

第３図に波形ａおよびｇで示したものについ
て、上記に作用を説明した第１図の発生装置は、
２進式のランダムな数を供給することができ、し
かも、これらの数は、等分布され、互いに他に対
して統計的に独立しており、かつ、毎秒あたり25
メガビツトのオーダの最大流れ率をもつものであ
る。

第１図に示したノイズ発生装置の調節を行うこ
とができるようにするため、周波数計２４が用い
られ、比較器４の出力側に接続されている。この
周波数計２４は、比較器４から出る信号のランダ
ムな転換の平均周波数を示す。ポテンシヨメータ
１８（第２図参照）を調節することにより、最大
周波数に通じるダイオード１７の作動領域を求め
ることができる。このような作用効果はポテンシ
ヨメータ２１を調節することによつて、さらに改
善することができる。これにより、比較器４のヒ
ステレシスにかんして、ノイズのセンタリングを
確保することができる。

発生装置の出力部１６のところに現われる２進
式の信号の「０」と「１」との等分布を確証する
ために、平均化回路２６が上記の出力部１６のと
ころに設けてある。上記の等分布というのは、シ
ーケンスおよび、ある種の時間にかんしていうの
であるが、そのわけは、「０」の数と同じような
数の「１」の数が得られるようにするためであ
る。この平均化回路２６により、上記の出力部１
６のところに現われるＮ回のバイナリー・サンプ
ルXiの平均ｍを予測せしめることができる。ｍ
の値は次式によつて求める。

経験の示すところによると、サンプリング周波
数さらに具体的には、ひん度（クロツク周波数）
が25MHzよりも低いときには、ｍは2.10^-5の精度
をもつて0.5に等しかつた。バイナリー・サンプ
ルの数Ｎは数100万の値に等しい数に選定してＮ
の変動を避けるようにした。

第４図は、統計数値的なコード化装置の１例を
示すものであり、２進式のノイズ発生器１が本発
明の原理によつて含まれており、それにクロツク
１０が組み合わされている。第４図に示した装置
においては、発生器１の出力部１６はシフトレジ
スタの入力部に接続されている。このシフトレジ
スタは、たとえば２個のレジスタ２７と２８とに
よつて、構成されている。これらのレジスタは直
列に接続され、クロツク１０によつて同期化され
ている。レジスタ２７と２８の出力部のところに
は上記２個のレジスタ中に引続くｎ個のビツトが
蓄積することによつて、ｎ個の等分布ビツトより
なるワン・ワードが得られる。なお、上記の数ｎ
は、レジスタ２７と２８の出力の和にひとしい。

なお、注意すべきことは、第４図に示した装置
は、1MHzにおけるｎビツトのノイズ・ワード１
個を得るためには、ｎ・MHzに等しい周波数の
クロツクパルスが必要なことである。

第５図に示した変形実施例では、クロツクパル
スとして1MHzのものを使用して、1MHzにおけ
るｎ個のビツトからなるノイズ・ワードが得られ
るようにしたものである。

第５図に示した装置は、第１図にかんして符号
２，３，４，８，１２をそれぞれ付して示したエ
レメントによつて各個が構成されているＰ個のエ
レメントが並列に配装されたものからなる。この
場合において、すべてのフリツプフロツプ８およ
び、すべてのゲート１３は、共通配置のリバーサ
１２と、２分割用の分割器１１とを介して、共通
する１つのクロツク１０より、それぞれ制御され
るように配設されている。比較器４の各入力部
は、それぞれのブリツジ２１，２２，２３によ
り、前述の値ｙを受けとるようになつているもの
であり、すべて、それらのブリツジには同じ電圧
が供給される。

このようにして、並列にＰ個のビツトをもつて
するコード化装置が得られる。各ユニツトの作用
は第３図に示したものと同じである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による２進式ランダム・ノイズ
発生装置の第１実施例を示したブロツク線図、第
２図は第１図の装置に対するランダム・ノイズ源
を示した回路図、第３図は第１図の装置の各所に
現われる電気信号の波形を示した波形図、第４図
は第１図に示した装置を使用する統計数値的なコ
ード化装置の１例を示したブロツク線図、第５図
は第４図に示した装置の変形例を示したブロツク
線図である。 これらの図において、１…基本回路。２…ラン
ダム・ノイズ源。Ｂ…ノイズ。３…増幅器。５，
６…入力部。４…コンパレータ（比較器）。８…
同期装置。１０…クロツク。１１…分割器。１２
…分割器。１３…ロジツクゲート。１４，１５…
入力部。１８…ポテンシヨメータ。１９…πフイ
ルタ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ デジタルもしくはアナログ情報を統計学的に
   コード化するための２進式のランダム・ノイズ発
   生装置において、 ランダムな転換をもつ２進信号を発生する手段
   と、 この２進信号をサンプリングする手段と、 クロツク信号を発生するクロツクと、 このクロツク信号によつて上記のサンプリング
   手段を同期化する手段と、 上記のクロツク信号を２で割るデバイダと、 一方の入力部は上記の２で割るデバイダからの
   信号を受けとるようにされ他方の入力部は上記の
   サンプリング手段からの信号を受けとるようにし
   た合せて２つの入力部を有しそれにより当該排他
   的オアゲートの出力がその２つの論理状態の厳密
   な等確率性を持つようになされた排他的オアゲー
   ト とを有してなる２進式のランダム・ノイズ発生装
   置。 ２ 特許請求の範囲第１項に記載の装置におい
   て、ランダムな転換をもつ２進信号を発生する上
   記の手段がDC電圧源によつて給電されるゼナー
   ダイオードと、上記のDC電圧源を調整してゼナ
   ーダイオードの電圧・電流特性曲線上のわん曲部
   の付近にある地点においてゼナーダイオードが機
   能するようにした２進式のランダム・ノイズ発生
   装置。