RU2120179C1 - Генератор белого шума (варианты) - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области вычислительной техники и может быть использовано в качестве зашумляющих устройств в различных каналах связи. Достигаемым техническим результатом является разработка генератора белого шума (в трех вариантах), который позволяет управлять параметрами формируемого белого шума в широком частотно-динамическом диапазоне. Это достигается тем, что в устройстве используется m генераторов опорной последовательности, которые в совокупности с формирователем сетки частот формируют на выходах элементов И разряды m-значного, в первом и во втором вариантах - псевдослучайного числа (ПСЧ), а в третьем варианте - случайного числа (СЧ). Кроме того, с помощью блока управления, задавая требуемую значность ПСЧ и СЧ в формируемой последовательности, можно регулировать частотно-динамические параметры белого шума. Генератор белого шума содержит также постоянное запоминающее устройство, цифроаналоговый преобразователь и сглаживающий фильтр. 3 с. и 3 з.п. ф-лы, 10 ил.

Description

Изобретения объединены единым изобретательским замыслом, относятся к области вычислительной техники и могут быть использованы в качестве зашумляющихся устройств в различных каналах связи.

Известно устройство, генерирующее случайные импульсы типа белый шум [1, с.45, рис. 2.5]. Генератор случайных импульсов содержит каскадно соединенные генератор шума, усилитель шума, нелинейный элемент и квантователь, а также генератор периодических импульсов, выход которого подключен к второму входу квантователя. Выход квантователя является выходом генератора случайных импульсов. Однако данное устройство имеет невысокий динамический диапазон выходного белого шума, т.к. по своей технической сути представляет собой одноразрядный датчик двоичных чисел. Кроме того генератор - аналог не позволяет управлять параметрами выходного случайного процесса.

Наиболее близким к предлагаемым вариантам заявленных устройств по технической сущности является известный генератор белого шума [2, с.44, рис. 3.3] , содержащий регистр сдвига, в цепь обратной связи которого включена комбинаторная логическая схема, табличное постоянное запоминающее устройство, генератор шума, дискриминатор и цифроаналоговый преобразователь. Цифроаналоговый преобразователь представляет собой собственно цифроаналоговый преобразователь и сглаживающий фильтр, выход которого является выходом этого блока, а его входом - вход цифроаналогового преобразователя, выход которого подключен к входу сглаживающего фильтра. Выход генератора шума подключен к входу дискриминатора. Выход дискриминатора подключен к тактовому входу комбинаторной логической схемы. Выходы регистра сдвига одновременно подключены к одноименным входам комбинаторной логической схемы и табличному постоянному запоминающему устройству, выходы которого подключены к соответствующим входам цифро-аналогового преобразователя. Выход последнего является выходом генератора белого шума.

Однако данный генератор имеет ряд недостатков.

Во-первых, в известном устройстве невозможно осуществить регулировку параметров генерируемого случайного процесса - белый шум.

Это объясняется тем, что для получения шума используется опорная m-значная последовательность псевдослучайных чисел (ПСЧ), которая формируется методом параллельного съема ПСЧ с n-ячеек регистра сдвига (где n - длина регистра сдвига). Однако известно [3, с.259], что максимальная разрядность m-разрядных ПСЧ, генерируемых параллельным способом, не может превышать регистра сдвига, т. е. m ≤ n. Следовательно при фиксированной длине регистра сдвига можно сформировать m-значную последовательность ПСЧ разрядности не больше n. В противном случае, при m > n, символы в разрядах m-значной последовательности ПСЧ окажутся линейно зависимыми и поэтому не будут удовлетворять статическим свойствам m-значных ПСЧ - равновероятность и случайность.

Во-вторых, известный генератор имеет низкую устойчивость работы при высокой тактовой частоте генерирования белого шума.

При таком методе построения m-значной опорной последовательности ПСЧ возрастает число входов сумматоров по модулю два и их количество [3, с.256]. Так, при n = 20 можно получить m-значную последовательность ПСЧ разрядности не более 20. При этом среднее количество 20-ти входовых сумматоров по модулю два достигнет 10, а общее число входов 200. Такое количество обратных связей и входов сумматоров по модулю два в условиях высокой тактовой частоты формирования белого шума неизбежно приведет к сбоям работы генератора и общей неустойчивости функционирования устройства в целом. Это вызвано проблемой "гонок", включающих в логических элементах в таких случаях [4, с.149-164].

В-третьих, сложность проектирования таких генераторов.

При реализации генератора белого шума возникают большие проблемы его проектирования или синтеза, когда число ячеек регистра сдвига достигает 20 и больше. В этом случае нахождение наилучших обратных связей, которые нужно соединить с входами сумматора по модулю два (или оптимальной структуры) с целью получения требуемой m-значной последовательности ПСЧ, вообще не имеет аналитического решения [3, с.257].

Целью заявляемых объектов изобретений является разработка генератора белого шума (в трех вариантах), который позволяет управлять параметрами формируемого белого шума в широком частотно-динамическом диапазоне, при одновременном повышении устойчивости их функционирования.

Поставленная цель в первом варианте достигается тем, что в известный генератор белого шума, содержащий генератор опорной последовательности, постоянное запоминающее устройство, выходы которого подключены к соответствующим выходам цифроаналогового преобразователя, выход которого подключен к входу сглаживающего фильтра, выход которого является выходом генератора белого шума, дополнительно введены генератор импульсов, формирователь сетки частот, m элементов И, где m - 2,3,.. и m - 1 генераторов опорной последовательности и блок управления. Выход генератора импульсов подключен к входу формирователя сетки частот, i-й выход формирователя сетки частот, где i = 1,2..., m, подключен к входу i-го генератора опорной последовательности и к второму входу i-го элемента И. Выходы m элементов И подключены к соответствующим m входам постоянного запоминающего устройства. I-й выход блока управления подключен к третьему входу i-го элемента И, а выход i-го генератора опорной последовательности подключен к первому входу i-го элемента И.

I-й генератор опорной последовательности содержит регистр сдвига и сумматор по модулю два. Выходы k-го и (n+1)-го, где

n=2,3,..., а l= 2(i-1), разрядов регистра сдвига подключены соответственно к первому и второму входам сумматоров по модулю два. Выход сумматора по модулю два соединен с информационным входом регистра сдвига, выход которого и его тактовый вход являются соответственно выходом и входом генератора опорной последовательности.

Благодаря перечисленной совокупности существенных признаков предлагаемое устройство обеспечивает генерацию случайного процесса - белый шум с требуемыми параметрами, за счет получения m линейно-независимых опорных последовательностей псевдослучайных двоичных чисел и возможностью регулирования разрядностью формируемых m-значных псевдослучайных чисел. Кроме того, генератор, за счет упрощения аппаратурной реализации, обладает более высокой устойчивостью функционирования при повышенной частоте формирования белого шума.

Поставленная цель во втором варианте достигается тем, что в известный генератор белого шума, содержащий генератор опорной последовательности, постоянное запоминающее устройство, выходы которого подключены к соответствующим входам цифроаналогового преобразователя, выход которого подключен к входу сглаживающего фильтра, выход которого является выходом генератора белого шума, дополнительно введены генератор импульсов, формирователь сетки частот, элемент ИЛИ, m элементов И, где m=2,3,.. и блок управления. Выход генератора импульсов подключен к входу формирователя сетки частот. I-й выход формирователя сетки частот, где i=1,2,..., m подключен к второму входу i-го элемента И и к i-му входу элемента ИЛИ. Выход элемента ИЛИ подключен к входу генератора опорной последовательности. Выход генератора опорной последовательности подключен к первым входам m элементов И. I-й выход блока управления подключен к третьему входу i-го элемента И, выходы которых подключены к m входам постоянного запоминающего устройства.

Генератор опорной последовательности содержит регистр сдвига и сумматор по модулю два. Выходы j-го, где

а l=2,4,..., и l-го разрядов регистра сдвига в генераторе опорной последовательности подключены соответственно к первому и второму входам сумматора по модулю два. Выход сумматора по модулю два соединен с информационным входом регистра сдвига, выход которого и его тактовый вход являются соответственно выходом и входом генератора опорной последовательности.

Благодаря перечисленной совокупности существенных признаков предлагаемое устройство обеспечивает генерацию случайного процесса - белый шум с требуемыми параметрами, за счет формирования линейно-независимых опорных последовательностей псевдослучайных двоичных чисел и возможностью регулирования разрядностью m-значных псевдослучайных чисел. Кроме того, генератор, за счет упрощения аппаратурной реализации, обладает более высокой устойчивостью функционирования при повышенной частоте работы при формировании белого шума.

Поставленная цель в третьем варианте достигается тем, что в известный генератор белого шума, содержащий генератор опорной последовательности, постоянное запоминающее устройство, выходы которого подключены к соответствующим входам цифроаналогового преобразователя, выход которого подключен к входу сглаживающего фильтра, выход которого является выходом генератора белого шума, дополнительно введены генератор импульсов, формирователь сетки частот, элемент ИЛИ, m элементов И, где m=2,3,... и блок управления. Выход генератора импульсов подключен к входу формирователя сетки частот. I-й выход формирователя сетки частот подключен к второму входу i-го элемента И, где i= 1,2, . . . , m, и к i-му входу элемента ИЛИ. Выход элемента ИЛИ подключен к входу генератора опорной последовательности. Выход генератора опорной последовательности подключен к первым входам m элементов И. I-й выход блока управления подключен к третьему входу i-го элемента И, выходы которых подключены к m входам постоянного запоминающего устройства. К управляющему входу генератора опорной последовательности подключен выход регулируемого источника опорного напряжения.

Генератор опорной последовательности содержит фиксатор мгновенных значений напряжения, информационный вход которого подключен к выходу источника шума, а выход к первому входу первого компаратора. Генератор линейно-изменяющегося напряжения, выход которого подключен к вторым входам первого и второго компараторов. Первый вход второго компаратора является управляющим входом генератора опорной последовательности. Выход D-триггера является выходом генератора опорной последовательности, на D-вход и C-выход которого подключены соответственно выходы элементов И и НЕ. На тактовый вход фиксатора мгновенных значений напряжения, вход генератора линейно-изменяющегося напряжения и вход элемента НЕ подключен вход генератора опорной последовательности. Выходы первого и второго компараторов подключены к входам элемента И.

Благодаря перечисленной совокупности существенных признаков предлагаемое устройство обеспечивает генерацию случайного процесса - белый шум с требуемыми параметрами, за счет формирования линейно-независимых опорных последовательностей случайных двоичных чисел и возможностью регулирования разрядностью m-значных случайных чисел. Кроме того, генератор, за счет упрощения аппаратурной реализации, обладает более высокой устойчивостью функционирования при повышенной частоте работы при формировании белого шума.

Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявляемого генератора белого шума, отсутствуют. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию патентоспособности - "новизна".

Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявляемого изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками каждого из заявляемых изобретений преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию патентоспособности - "изобретательский уровень".

Заявляемый генератор белого шума поясняется чертежами, на которых: на фиг. 1 представлена схема заявляемого генератора по первому варианту; на фиг. 2 - схема опорного генератора по первому варианту; на фиг. 3 - схема формирователя сетки частот; на фиг. 4 - временные диаграммы, поясняющие принцип ФСЧ; на фиг. 5 - схема блока управления; на фиг. 6 представлена схема заявляемого генератора по второму варианту; на фиг. 7 - схема опорного генератора по второму варианту; на фиг. 8 представлена схема заявляемого генератора по третьему варианту; на фиг. 9 - схема опорного генератора по третьему варианту; на фиг. 10 - временные диаграммы поясняющие принцип работы генератора опорной последовательности по третьему варианту.

Заявляемое устройство по первому варианту содержит (фиг. 1) генератор импульсов (ГИ) 1, формирователь сетки частот (ФСЧ) 2, m генераторов опорной последовательности (ГОП) 3.1-3. m, m элементов И 4.1-4.m, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 5, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 6 и сглаживающий фильтр (СФ) 7, с выхода 8 которого снимается генерируемый белый шум, блок управления (БУ) 9. На вход СФ 7 подключен выход ЦАП 5. Выходы ПЗУ 6 подключены к одноименным входам ЦАП 5. На входы ПЗУ 5 подключены одноименные выходы m элементов И 4.1-4.m. Выход СФ 7 является выходом генератора белого шума. Выход ГИ 1 подключен к входу ФСЧ 2, i-й выход ФСЧ 2 подключен к второму входу i-го элемента И 4.1-4.m и входу i-го ГОП 3.1-3.m. Выходы i-го ГОП 3.1-3. m подключены к первому входу i-го элемента И 4.1-4.m. Выход БУ 9 подключен к третьему входу i-го элемента И 4.1-4.m. Выходы m элементов И подключены к m входам ПЗУ 5.

I-й ГОП 3.1-3. m по первому варианту содержит (фиг. 2) регистр сдвига (РС) 3.1-3. m. 2 и сумматор по модулю два (СМД) 3.1.1-3.m.1. Выходы k-го и (n+1)-го разрядов РС 3.2.1-3.m.1 подключены соответственно к первому и второму входам СМД 3.1.1. Выход СМД 3.1.1-3.m.1 соединен с информационным входом РС 3.1.2-3.m.2, выход которого и его тактовый вход являются соответственно выходом и входом генератора опорной последовательности.

ГИ 1 в первом варианте предназначен для формирования импульсов со скважностью T/t=2, где T - период следования импульсов, а t - длительность импульсов. Такие генераторы известны и описаны, например, в [3, с.240, рис. 7.9] .

ФСЧ 2 в первом варианте предназначен для формирования, в зависимости от входной частоты следования импульсов F=1/T скважности 2, на своих m выходах импульсов с частотами следования
F,F²,F⁴,...,F^2(m-1). (1)
Схема построения ФСЧ 2 в первом варианте, реализующая такие задачи в заявляемом устройстве, приведена на фиг. 3 и состоит из блоков удвоения (БлУ) 2.1-2. m. При этом каждый блок удвоения 2.1-2.m содержит: элементы задержки (ЭЗ) 2.12-2. m2, 2.18-2. m8, элементы НЕ 2.11-2.m1, 2.13-1.m3, 2.17-1.m7, элементы И 2.14-2.m4, 2.15-2.m5, 2.19-2.m9, элементы ИЛИ 2.16-2.m6.

ПЗУ 5 в первом варианте предназначено для преобразования входной опорной m-значной последовательности ПСЧ с равновероятным законом их распределения в m-значную последовательности ПСЧ с нормальным законом их распределения. Схема и принцип работы ПЗУ 5 известна и приведена, например, в [3, с.290, рис. 10.7].

ЦАП 6 в первом варианте предназначен для преобразования входного m-значного псевдослучайного числа с нормальным законом распределения в аналоговый случайный сигнал с тем же законом распределения - белый шум. Принцип работы и схема данного устройства известна и приведена в [4, с.185, рис. 6.5].

СФ 7 в первом варианте предназначен для подавления "выбросов" в выходном аналоговом сигнале белого шума, вызванных конечным временем тактовой частоты на выходе ЦАП 6. Схемы, принцип работы и расчет таких фильтров известны и приведены, например, в [1, с.66, рис. 4.11а].

БУ 9, в первом варианте, предназначен для управления параметрами случайного процесса: динамическим диапазоном и граничной частотой частотного спектра генерируемого белого шума. Схема БУ 9 с учетом решаемых задач может быть реализована в виде набора переключателей П 9.1-9.m, коммутирующих на третьи входы элементов И 3.1-3.m (4.1-3.m, 5.1-5.m) уровень напряжения логической единицы (U_лог"1") (Фиг. 5).

Заявляемое устройство, на примере первого варианта, работает следующим образом.

С выхода ГИ 1 последовательность импульсов скважности T/τ=2 поступает на вход ФСЧ 2 (фиг. 3). Каждый БлУ 2.1-2.m осуществляет удвоение частоты следования импульсов с сохранением скважности - 2 (фиг. 4 b). В БлУ 2.1 удвоение частоты следования входной последовательности импульсов осуществляется следующим образом. Последовательность импульсов (фиг. 4 a) поступает на ЭЗ 2.12, время задержки которой t_лз1 = τ/2 (фиг. 4 z). И элемент НЕ 2.11 (фиг. 4 v), где они соответственно задерживаются и инвертируются. В момент одновременного присутствия на обоих входах элемента И 2.14 на его выходе будет сформирован импульс (фиг. 4 g). Аналогичный импульс будет сформирован и на выходе элемента И 2.15 в момент присутствия на первом входе последовательности инвертированных и задержанных импульсов, поступающих с входа БлУ 2.1 и входной последовательности импульсов (фиг. 4 a). На выходе элемента ИЛИ 2.16 будет сформирована удвоенная частота следования импульсов из последовательностей импульсов, поступающих на его вход с выходов элементов И 2.14 и 2.15 (фиг. 4 b). Если частота следования входной последовательности импульсов равна F=1/T при скважности, равной 2, то выходная удвоенная частота следования импульсов, будет суммой последовательностей удвоенной скважности с той же частотой следования импульсов,
T/(0,5t)+T/(0,5t)=2(T/0,5t),
где
F=1/2T, 2F=1/T.

Сформированная последовательность импульсов удвоенной частоты следования скважности 2 одновременно поступает на очередной вход БлУ 2.2 и на входы элементов НЕ 2.17 и ЭЗ 2.18, которая в двух последних элементах, соответственно, инвертируется (фиг. 4 x) и задерживается (фиг. 4 y). В момент одновременного присутствия на входах элемента И 2.19 данных импульсов будут сформированы короткие импульсы (фиг. 4 d) с частотой следования 2F и длительностью, равной 50..100 нс. Длительность будет определяться временем задержки в ЭЗ 2.19 t_лз2, которая достаточна для формирования импульсов на выходе элемента И 2.19 и их использования в качестве импульсов тактовой частоты при функционировании генераторов опорных последовательностей ПСЧ 3.1-3.m.

Принцип работы следующих блоков удвоения 2.2-2.m аналогичен изложенному выше. Таким образом, входная последовательность импульсов, поступающая на вход ФСЧ 2, будет преобразована в сетку частот (1).

Известно [4, с.191], что если из последовательности случайных двоичных чисел g(t), генерируемой с частотой F, формировать m-опорных последовательностей случайных двоичных чисел со следующими частотами следования
g₁(t) 2⁰F, g₃(t) 2¹F, g₃(t) 2²F, ... , g_n(t) 2^n-1F, (4)
в которой
m-й разряд (самый старший) формируется с частотой 2^n-1F, (m-1)-й разряд с частотой 2^n-2F и т.д., а 1-й разряд (самый младший) с частотой 2⁰F, то в результате получается m-значная последовательность случайных двоичных чисел

с равновероятным законом распределения.

Автокорреляционная функция R_σ(τ) m-значной последовательности случайных двоичных чисел будет удовлетворять требованию равновероятности и равняется взвешенной сумме автокорреляционных функций m-опорных последовательностей случайных двоичных чисел g₁(t)2^i-1 с коэффициентами, равными квадрату веса, соответствующему разряду числа

(6)
где
i - номер опорной последовательности, формирующей соответствующий i-y разряду m-значную последовательность случайных чисел.

Из (3) - (6) следует, что к самым старшим разрядам необходимо предъявлять самые высокие требования "случайности", а к самым младшим - заниженные без ущерба качества m-значного случайного числа с равномерным законом распределения.

Поэтому m-значная последовательность ПСЧ формируется из m опорных последовательностей ПСЧ следующим образом.

Последовательности тактовых импульсов с частотами (1) с соответствующих выходов ФСЧ 2 поступают на тактовые входы ГОП 3.1-3.m и на вторые входы элементов И 4.1-4. m. Учитывая, что первый ГОП 3.1 содержит i-ячеек, а каждый последующий ГОП 3.2-3. m на 2 ячейки больше предыдущего генератора опорной последовательности, на их выходах будут формироваться опорные последовательности ПСЧ со следующими периодами
iT,(i+2)T,..,(i+l)T. (7)
Время генерации последовательностей псевдослучайных чисел каждым ГОП 3.1-3. m будет одинаковым, т.к. частота следования тактовых импульсов относительно входной удваиваются от первого ГОП 3.1 к последующему, согласно (1). Таким образом, частота формирования одного m-значного псевдослучайного чиста от младшего разряда к старшему будет определяться (1) и подчиняться зависимости (6). Далее каждый разряд с выходов ГОП 3.1-3.m переносится в ПЗУ 5 через элементы И 4.1-4.n по разрешающему сигналу, поступающему на их второй вход с соответствующих выходов ФСЧ 2. Таким образом, на входе ПЗУ 5 будут формироваться, с частотой F^2(m-1), m-значная последовательность ПСЧ с равновероятным законом распределения.

Далее m-значная последовательность ПСЧ поступает на входы ПЗУ 5, где происходит преобразование статистических свойств - равномерного закона распределения m-значных ПСЧ в нормальный закон. Алгоритм такого преобразования известен и подробно описан в [2, с.178-179]. Полученная m-значная последовательность ПСЧ с нормальным законом распределения поступает на входы ЦАП 7, с выхода которого снимается аналоговый случайный сигнал - белый шум. Для сглаживания "выбросов" в белом шуме на выходе ЦАП 5 включен СФ 7.

Для управления выходными параметрами белого шума в заявляемом генераторе предусмотрен блок управления 9. При включении переключателей П 9.1-9.m в положение "1" на третьи входы m элементов И 4.1-4.m подается уровень напряжения логической единицы (U_лог."1". В этом случае будет сформирована m-значная последовательность ПСЧ. После последовательных преобразований в ПЗУ 5 и ЦАП 6, на выходе 8 СФ 7 получится случайный процесс - белый шум, обладающий максимальными значениями границ частотного спектра и динамического диапазона.

Если, например, включить переключатели П 9.1-9.(m-j) в положение "1", то уровень напряжения логической единицы (U_лог."1") будет подан только на третьи входы (m-j) элементов И 4.1-4.(m-j). В этом случае будет сформирована (m-j)-значная последовательность ПСЧ и после аналогичных преобразований на выходе СФ 7 получится белый шум с другими параметрами. Границы частотного спектра и динамического диапазона белого шума будут меньше. Это объясняется тем, что (m-j)-значная последовательность ПСЧ формируется уже с тактовой частотой 2^(m-j)F и периодом (m-j)T.

По сравнению с прототипом заявляемый генератор в первом варианте может формировать на своем выходе белый шум с заданными параметрами граничной частоты частотного спектра случайного процесса и его динамического диапазона. Использование более простого способа формирования опорной m-значной последовательности ПСЧ позволяет генератору функционировать при высоких тактовых частотах более устойчиво, что позволяет использовать такие генераторы в качестве зашумляющих устройств каналов связи. Кроме того, проектирование и реализация таких генераторов с более широкими выходными возможностями значительно проще, так как это не вызывает трудностей при синтезе m-значных опорных генераторов ПСЧ и получения строгих аналитических решений при определении оптимальной структуры генераторов [4].

Заявляемое устройство по второму варианту содержит (фиг. 6) генератор импульсов (ГИ) 1, элемент ИЛИ 2, генератор опорной последовательности (ГОП) 3, формирователь сетки частот (ФСЧ) 4, m элементов И 5.1-5.m, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 6, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 7, сглаживающий фильтр (СФ) 8, с выхода 9 которого снимается сформированный белый шум, блок управления (БУ) 10. Вход СФ 8 подключен к выходу ЦАП 7. Выходы ПЗУ 6 подключены к одноименным входам ЦАП 7. Выход СФ 8 является выходом генератора белого шума. Выходы ПЗУ 6 подключены к соответствующим входам ЦАП 7, выход которого подключен к входу СФ 8. Выход СФ 8 является выходом генератора белого шума. Выход ГИ 1 подключен к входу ФСЧ 4, i-й выход которого подключен к второму входу i-го элемента И 5.1-5.m и к i-му входу элемента ИЛИ 2, а выход элемента ИЛИ 2 к входу ГОП 3. Выход ГОП 3 подключен к первым входам m элементов И. I-й выход БУ 10 подключен к третьему входу i-го элемента И 5.1-5.m, выходы которых подключены к m выходам ПЗУ 6.

ГОП 3 по второму варианту содержит (фиг. 7) регистр сдвига (РС) 3.2 и сумматор по модулю два (СМД) 3.1. Выходы j-го l-го разрядов РС 3.2 подключены соответственно к первому и второму входам СМД 3.1. Выход СМД 3.1 соединен с информационным входом РС 3.2, выход которого и его тактовый вход являются соответственно выходом и входом ГОП 3.

Схемы, назначение ГИ 1, ФСЧ 4, ПЗУ 6, ЦАП 7, СФ 8 и БУ 10 во втором варианте аналогичен схемам и назначениям ГИ 1, ФСЧ 2, ПЗУ 5, ЦАП 6, СФ 7 и БУ 9 в первом варианте.

Заявляемое устройство во втором варианте работает аналогично устройству в первом варианте, за исключением того, что во втором варианте ГОП 3 формирует только одну опорную последовательность псевдослучайных двоичных чисел, а m-значная последовательность ПСЧ формируется следующим образом.

Последовательности тактовых импульсов с частотами (1) с соответствующих выходов ФСЧ 4 поступают на соответствующие входы элемента ИЛИ 2. С выхода последнего суммарная последовательность тактовых импульсов с частотой F^2(m-1) поступает на тактовый вход ГОП 3 на выходе которого формируется последовательность псевдослучайных двоичных чисел. Одновременно последовательности тактовых импульсов с частотами (1) с соответствующих выходов ФСЧ 4 поступают на вторые входы элементов И 5.1-5.m. Поочередно переключая выход ГОП 3 к соответствующим входам ПЗУ 6 по закону (1). С частотой F^2(m-1) на входе ПЗУ 6 будет сформирована m-значная последовательность ПСЧ с равновероятным законом распределения.

По сравнению с прототипом заявляемый генератор во втором варианте, так же как и устройство в первом варианте, может формировать на своем выходе белый шум с заданными параметрами граничной частоты частотного спектра белого шума и его динамического диапазона. Позволяет формировать опорную последовательность ПСЧ любой значности, генератор не сложен и работает более устойчиво в условиях высокой тактовой частоты. Кроме того, проектирование и практическая реализация таких генераторов с более широкими выходными возможностями не вызывает трудностей, так как в отличие от прототипа существуют значительные трудности синтеза m-значных опорных генераторов ПСЧ, а отсутствие строгих аналитических решений при нахождении оптимальной структуры [4] выгодно отличает от прототипа.

Заявляемое устройство по третьему варианту содержит (фиг. 8) генератор импульсов (ГИ) 1, элемент ИЛИ 2, генератор опорной последовательности (ГОП) 3, формирователь сетки частот (ФСЧ) 4, регулируемый источник опорного напряжения (ИОН) 5, m элементов И 6.1-6.m, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 7, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 8, сглаживающий фильтр (СФ) 9, с выхода 10 которого снимается сформированный белый шум, блок управления (БУ) 11. Выход ГИ 1 подключен к входу ФСЧ 2, i-й выход которого подключен к второму входу i-го элемента И 6.1-6.m и к i-му входу элемента ИЛИ 2, а выход элемента ИЛИ 2 к входу ГОП 3, выход которого подключен к первым входам m элементов И 6.1-6. m. I-й выход БУ 11 подключен к третьему входу i-го элемента И 6.1-6.m, выходы которых подключены к m входам ПЗУ 7. К управляющему входу ГОП 3 подключен выход ИОН 5.

ГОП 3 по третьему варианту содержит (фиг. 9) источник шума (ИШ) 3.1, фиксатор мгновенных значений напряжения (ФМН) 3.2, генератор линейно-изменяющегося напряжения (ГЛИН) 3.3, первый 3.4 и второй 3.5 компараторы, элемент И 3.6, D-триггер 3.7 и элемент НЕ 3.8. ГОП 3 содержит ФМЗН 3.2, информационный вход которого подключен к выходу ИШ 3.1, а выход к первому входу первого 3.4 компаратора. Выход ГЛИН 3.3 подключен к вторым входам первого 3.4 и второго 3.5 компараторов. Первый вход второго 3.5 компаратора является управляющим входом ГОП 3. Выход D-триггера 3.7 является выходом ГОП 3. На D-вход и C-вход D-триггера 3.7 подключены соответственно выходы элементов И 3.6 и НЕ 3.8. На тактовый вход ФМЗН 3.2, вход ГЛИН 3.3 и вход элемента НЕ 3.8 подключен вход ГОП 3, выходы первого 3.4 и второго 3.5 компараторов подключены к входам элемента И 3.6.

Схемы и назначение ГИ 1, ФСЧ 4, ПЗУ 7, ЦАП 8, СФ 9 и БУ 11 в третьем варианте аналогичен схемам и назначениям ГИ 1, ФСЧ 2, ПЗУ 5, ЦАП 6, СФ 7 и БУ 9 в первом варианте.

ИОН 5 предназначен для выдачи на своем выходе управляемой величины опорного напряжения. Схемы таких управляемых источников опорного напряжения известны и приведены, например, в [6, стр. 78, рис. 2.31a].

Заявляемое устройство в третьем варианте работает аналогично устройству в первом и во втором вариантах, за исключением того, что в третьем варианте ГОП 3 формирует только одну опорную последовательность случайных двоичных чисел (ПСДЧ), а m-значная последовательность ПСДЧ формируется следующим образом.

В третьем варианте ГОП 3 формирует опорную m-значную последовательность ПСДЧ следующим образом (фиг. 9).

Сформированные последовательности тактовых импульсов с частотами (1) с соответствующих выходов ФСЧ 4 поступают на соответствующие входы элемента ИЛИ 2. С выхода последнего суммарная последовательность тактовых импульсов с частотой F^2(m-1) поступает на тактовый вход ГОП 3. С тактового входа ГОП 3 последовательность тактовых импульсов поступает на управляющий вход ФМЗ 3.2 (фиг. 10 d). В ФМЗ 3.2 запоминается напряжение (фиг. 10 b), соответствующее в этот момент времени мгновенному значению напряжения шума на выходе ИШ 3.1 (фиг. 10 a). Одновременно запускается ГЛИН 3.3. В момент равенства напряжений на выходах ГЛИН 3.3 и ФМЗ 3.2 (фиг. 10 c,b) срабатывает первый компаратор 3.4. В результате на выходе первого компаратора 3.4 формируется импульс (фиг. 10 e) с уровнем напряжения, равным логической единице. Длительность сформированного таким образом импульса равномерно распределена на временном интервале ]0,T[. Это объясняется тем, что выборка мгновенных значений напряжений из реализации случайного процесса ИШ 3.1 равномерно распределена в некотором интервале напряжений шума. В зависимости от величины уровня опорного напряжения на втором входе второго компаратора 3.5 (фиг. 10 f) в момент его равенства с уровнем линейно-изменяющегося напряжения на первом входе, на выходе будет сформирован импульс. Длительность этого импульса пропорциональна уровню опорного напряжения и лежит на интервале ]0,T[.

Пусть уровень опорного напряжения выбран так, что длительность импульсов формируемого на выходе второго компаратора 3.5 равняется T/2. Тогда вероятность совпадения во времени импульсов с выхода первого компаратора 3.4 с импульсами поступающих с второго компаратора 3.5 будет равна 0.5. В данном случае вероятность можно интерпретировать как отношение мер - длительности сформированного импульса T/2 к длительности T, на которой формируется длительность импульса с равновероятным законом распределения Δt [5, с.17-18]
P = (T/2) / T = 0,5.

Если уменьшить длительность импульса на выходе второго компаратора 3.4, то и уменьшится вероятность формируемой случайной последовательности на выходе ГОП 3.

Для получения бинарной (двоичной) случайной последовательности сигналов предназначен D-триггер. Последовательность случайных сигналов с выхода элемента И 3.6 поступает на D-вход D-триггера, который переключается по инвертируемым тактовым сигналам на своем C-входе в состояние, предписываемое сигналом на D-входе. Таким образом, на выходе ГОП будет получена бинарная последовательность случайных сигналов вероятность появления которых можно регулировать путем изменения уровня напряжения на выходе ИОН 5 (фиг. 10 u).

По сравнению с прототипом заявляемый генератор в третьем варианте так же, как устройство в первых двух вариантах, может формировать на своем выходе белый шум с заданными параметрами граничной частоты частотного спектра белого шума и его динамического диапазона. Позволяет формировать опорную последовательность ПСДЧ любой значности, значительно упрощает и позволяет работать генератору более устойчиво при высоких тактовых частотах. Кроме того, проектирование и реализация таких генераторов с более широкими выходными возможностями значительно проще, так как это не связано с трудностями синтеза m-значных опорных генераторов ПСДЧ и нахождения строгих аналитических решений при определении их обратных связей [4].

Источники информации
1. Бобнев М.П. Генерирование случайных сигналов. М.: Энергия, 1971, 240 с.

2. Денда В. Шум как источник информации: Пер. с нем. -М.: МИР, 1993. -192 с., ил.

3. Потемкин И.С. Функциональные узлы цифровой автоматики. -М.: Энергоатомиздат, 1988. -300 с., ил.

4. Яковлев В.В. Стохастические вычислительные машины. -Л.: Машиностроение, 1974, с.191.

5. Каневский З.М. Вероятностные задачи в радиотехнике (Б-ка по радиоэлектронике, вып.3). - М. -Л., Энергия, 176 с., ил.

6. Микросхемы и их применение: Справочное пособие/ В.А.Батушев и др. -М. : Радио и связь, 1983 - 272 с., ил. - (Массовая радиобиблиотека; вып.1070).

Claims (6)

1. Генератор белого шума, содержащий генератор опорной последовательности, постоянное запоминающее устройство, выводы которого подключены к соответствующим входам цифроаналогового преобразователя, выход которого подключен к выходу сглаживающего фильтра, выход которого является выходом генератора белого шума, отличающийся тем, что в него дополнительно введены генератор импульсов, формирователь сетки частот, m элементов И, где m = 2, 3,... и m-1 генераторов опорной последовательности, блок управления, выход генератора импульсов подключен к входу формирователя сетки частот, i-й выход формирователя сетки частот, где i = 1, 2,...,m, подключен к входу i-го генератора опорной последовательности и к второму входу i-го элемента И, выходы m элементов И подключены к соответствующим m входам постоянного запоминающего устройства, i-й выход блока управления подключен к третьему входу i-го элемента И, а выход i-го генератора опорной последовательности подключен к первому входу i-го элемента И.

2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что i-й генератор опорной последовательности содержит регистр сдвига и сумматор по модулю два, причем выходы k-го и (n + 1)-го, где k = 1,

n = 2, 3,..., а l = 2(i-1), разрядов регистра сдвига подключены соответственно к первому и второму входам сумматора по модулю два, выход сумматора по модулю два соединен с информационным входом регистра сдвига, выход которого и его тактовый вход является соответственно выходом и входом генератора опорной последовательности.

3. Генератор белого шума, содержащий генератор опорной последовательности, постоянное запоминающее устройство, выходы которого подключены к соответствующим входам цифроаналогового преобразователя, выход которого подключен к входу сглаживающего фильтра, выход которого является выходом генератора белого шума, отличающийся тем, что в него дополнительного введены генератор импульсов, формирователь сетки частот, элемент ИЛИ, m элементов И, где m = 2, 3..., блок управления, выход генератора импульсов подключен к входу формирователя сетки частот, i-й выход формирователя сетки частот, где i = 1, 2,..., m, подключен к второму входу i-го элемента И и к i-му входу элемента ИЛИ, а выход элемента ИЛИ - к входу генератора опорной последовательности, выход генератора опорной последовательности подключен к первым входам m элементов И, i-й выход блока управления подключен к третьему входу i-го элемента И, выходы которых подключены к m входам постоянного запоминающего устройства.

4. Генератор по п. 3, отличающийся тем, что генератор опорной последовательности содержит регистр сдвига и сумматор по модулю два, причем выходы j-го, где j =

а l = 2, 4,..., и l-го разрядов регистра сдвига в генераторе опорной последовательности подключены соответственно к первому и второму входам сумматора по модулю два, выход сумматора по модулю два соединен с информационным входом регистра сдвига, выход которого и его тактовый вход являются соответственно выходом и входом генератора опорной последовательности.

5. Генератор белого шума, содержащий генератор опорной последовательности, постоянное запоминающее устройство, выходы которого подключены к соответствующим входам цифроаналогового преобразователя, выход которого подключен к входу сглаживающего фильтра, выход которого является выходом генератора белого шума, отличающийся тем, что в него дополнительно введены генератор импульсов, формирователь сетки частот, элемент ИЛИ, m элементов И, где m = 2, 3,..., блок управления, выход генератора импульсов подключен к входу формирователя сетки частот, i-й выход формирователя сетки частот подключен к второму входу i-го элемента И, где i = 1, 2,..., m, и к i-му входу элемента ИЛИ, а выход элемента ИЛИ - к входу генератора опорной последовательности, выход генератора опорной последовательности подключен к первым входам m элементов И, i-й выход блока управления подключен к третьему входу i-го элемента И, выходы которых подключены к m входам постоянного запоминающего устройства, к управляющему входу генератора опорной последовательности подключен выход регулируемого источника опорного напряжения.

6. Генератор по п.5, отличающийся тем, что генератор опорной последовательности содержит фиксатор мгновенных значений напряжений, информационный вход которого подключен к выходу источника шума, а выход - к первому входу первого компаратора, генератор линейно-изменяющегося напряжения, выход которого подключен к вторым входам первого и второго компараторов, первый вход второго компаратора является управляющим входом генератора опорной последовательности, выход D-триггера является выходом генератора опорной последовательности, на D-вход и C-вход D-триггера подключены соответственно выходы элементов И и НЕ, на тактовый вход фиксатора мгновенных значений напряжения, вход генератора линейно-изменяющегося напряжения и вход элемента НЕ подключен вход генератора опорной последовательности, выходы первого и второго компараторов подключены к входам элемента И.

Images