SU752309A1 - Генератор случайных процессов - Google Patents

Description

Изобретение относитс  к вычислительной технике и может быть использовано как пр моделировании случайных процессов с заданными статистическими характеристиками, так и дл  спектрального анализа непрерывно измен ющихс  во времени сигналов. Известен генератор случайных процессов, содержащий генератор импульсов, датчик случайных импульсов, элементы И, блок управлени , счетчик. Дл  упрощени  настройки требуемого закона генератор содержит шифра тор и регистр, по функциональные возможности его ограничены 1. Другой Известный генератор случайных про цессов содержит блок злементов И, выходы которых соединены с входами блока пам ти, первые входы - с вь1ходами датчика случайных чисел, а вторые входы - с первыми выходами блока управлени ,второй выход блок управлени  соединен с первым входом блока считывани , второй вход которого соединен с выходом блока суммировани , а выход -т с выходом генератора 2. Однако зтот генератор не позвол ет формировать случайные процессы с заданными спектральными характеристиками и не может быть использован дл  спектрального анализа сигналов. Известно также устройство дл  вычислени  коэффициентов разложени  функции в р д, содержащее накопительный блок, генератор импульсов ключей, п блоков делителей напр жени  (на п выходов каждый) и п каналов из последовательно соединенных сумматоров , аналого-цифрового преобразовател  и блок регистрации с соответствующими св з ми между блоками и узлами 3. К недостаткам известного устройства следует отнести большую конструктивную .сложностъ, обусловленную наличием ключей и П блоков делителей напр жени  на п выходов каждый, а также наличием накопительного блока, содержащего большое количество интеграторов, низкое быстродействие, обусловленное тем, что действительные значени  спектральных коэффициентов могут быть получены только по окончании времени интегрировани  (т.е. после окончани  интервала времени на котором производитс  анализ сигнала) и ограниченные функциональные возможности. Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению  вл етс  генератор случайных процессов, содержащий последовательно соединенные датчик случайных чисел, блок элементов И, блок пам ти, комму татор, блоки присвоени  знака, блок суммировани  и блок считывани . Кроме того он содержит генератор функций Уолша, выходы которого подсоединены к другим входам коммутатора , и блок управлени  4. Однако этот генератор не может быть испол зован дл  формировани  спектральных коэф .фициентов по анализируемому сигналу. Целью предлагаемого изобретени   вл етс  дополнительное расширение функциональных возможностей за счет формировани  спектраль ных коэффициентов по анализируемому сигналу и последующего автоматического формировани  случайного процесса с теми же спектральными характеристиками, что и анализируемый сигнал, а также за счет по вл ющейс  возможности одновременного проведени  спект рального анализа сигнала и генерации случайного процесса с заданными статистическими характеристиками. Дл  достижени  поставленной цели в генератор случайных прюцессов, содержащий последовательно соединенные датчик случайных чисел, первый буферный блок пам ти, регистр и коммутатор, к другим входам которого подсоединены входы генератора дискретных ортогональных функций, а также последовательно соединенные сумматор и второй блок буферной пам ти, введены сдвиговый кольцевой регистр и последовательно соединенные блок интегрировани , блок осреднени  выборки и блок формировани  спектральных коэффициентов , другие п входов которого объединены с п входами коммутатора, выход которого подсоединен к входу сдвигового кол цевого регистра, выход оторого подсоединен к первому входу сумматора, второй вход которого подсоединен к выходу блока формировани  спектральных коэффициентов, причем входы интегрального преобразовател  подсоединены соответственно к входу генератора и к выходу датчика случайных чисел. Кроме того блок формировани  спектральных коэффициентов содержит п +1 последова тельно соединенных сумматоров, выход послед него из которых подсоединен к входу первого из них, и г последовательно соединенных элементов задержки, вход первого из которых подсоединен к управл ющему входу блока формировани  спектральных коэффициентов и к входу первого сумматора, а входы других сумматоров подсоединены к соответствующим отводам цепочки элементов задержки, причем другие информационные входы первых Т сумматоров объединены и подсоединены к выходу элемента считывани , управл ющий и информационный входы которого подсоединены соответственно к другому управл ющему и первому информационному входу блока формировани  спектршьных коэффициентов, другие п информационных входов которого подсоединены к входам управлени  суммированием-вычитанием п первых сумматоров. Кроме того, блок осреднени  выборки содержит последовательно соединенные п элементов задержки и последовательно соединенные сумматор, блок переключени  масштаба и п регистров, выход последнего из которых подсоединены к информационному входу сумматора , другой информационный вход которого подсоединен к входу блока осреднени  выборки , два управл ющих входа которого подсоединень соответственно к управл ющему входу блока переключени  масштаба и к входу считывани  последнего регистра, объединенного с входом цепочки элементов задержки, отводы которых подсоединены к входам считывани  соответствующих регистров, а выход последнего элемента задержки подсоединен к входу считывани  сумматора. На фиг. 1 приведена блок-схема универсального генератора случайных процессов; на фиг. 2 и 3 - блок-схемы соответственно блока формировани  спектральных коэффициентов и блока хранени  и осреднени  выборки. Универсальный генератор содержит датчик 1 случайных чисел, блок 2 буферной пам ти, регистр 3, коммутатор 4, генератор 5 дискретных оротогональйых функций, сдвиговый кольцевой регистр 6, сумматор 7, блок 8 буферной пам ти. Блок 9 интегрировани , блок 10 хранени  и осреднени  выборки, блок 11 формировани  спектральных коэффициентов. Блок управлени  на чертеже не показан. Универсальный генератор предназначен в основном дл  генерации случайных процессов, по спектральным характеристикам (функци  спектральной плотности) совпадающих с анализируемым случайным процессом (но сами реализации генерируемых случайных процессов в общем случае не совпадают с анализируемым случайным процессом). В частных случа х универсальный генератор может быть использован в качестве только спектрального анализатора или в качестве только генератора случайных процессов на основании заранее рассчитанных спектральных коэффициентов. В предлагаемом устройстве реализуютс  алгоритмы расчета спектральных коэффициентов при разложении исследуемого сигнала по дискретным ортогональным кусочно-посто нным функци м (Родемахера, Уолша, Хааре и т.п.)- Любой спектральный коэффициент, например в базисе Уолша, может быть рассчитан по формуле C«,(2)dt;, ,(1) спектр Уолша от исследуемого сигнала X (t ItV/ система ортогональных функций Уолша; текущее врем ; переменна  интегрировани  на интер вале ор/ргональности 0, jj J n,.n.lчисло участков посто нства функций Уолша максимальной частоты (т-1, 2, ...); I At- интервал дискретизации по времени. Так как ± 1 Дл  функций Роде Мах и Уолша, то (1) можно представить в виде С МгУ«ДН4М 1: Д« ; Элементарные интегралы 0 3 I - п В выражении (2) вычисл ютс  с помощью интегрального преобразовател  9 и хран тс  в блоке 10 хранени  и осреднени  выборки. Блок .10 хранени  и осреднени  выборки содержит сумматор 16, блок 17 переключени  масштаба, регистры и элементы задержки 19,-19f. Блок 10 предназначен дл  приема из интегрального преобразовател  9 кода очередного значени  элементарного интеграла , дл  хранени  значений элементарных интегралов D , 3,..., 3, в регистрах .. При необходимости осреднени  двух 18„ ( или нескольких выборок) очередное значение D, из интегрального преобразовател  суммируетс  в сумматоре 16 с содержимым регистра 18 и передаетс  в соответствующем масштабе (например со сдвигом на 1,2 и т д. разр дов вправо) в регистр 18. При расчете же спектральных коэффициентов (либо в про . межутке между поступлением Д-, и 0, либо после расчета и осреднени  выборок) содержимое регистра 18 через сумматор 16 и блок 17 передаетс  в регистр 18 г, без изме нени . При этом на вход элемента 19 задержки поступают имггульсы сдвига максимал ной частоты, в св зи с чем спектральные ко1группа включ 2группа I . .( V2 ( ШИ) группа Sn/2 эффициенты могут быть рассчитаны без остановки процесса формировани  очередного значени  выборки 3 J н с минимальными затратами времени (ограничиваемыми элементной базой). Функции W в выражении (2) формируютс  генератором 5 дискретных ортогональных функций и поступают в блок 11 формировани  спектральных коэффициентов. Блок 11 содержит элемент 12 буферной пам ти, сумматор 13 (буферный), сумматоры 14.-14„, элементы и предназначен м (Л дл  формировани  спектральных коэффициентов С путем суммировани  - вычитани  кодов Зд ,П,..., Э п на сумматорах 14.14р (В соответствии со значени ми функции Wj управл ющих суммированием-вычитанием в сумматорах 14-14,. При генерации случайных процессов блок 11 предназначен дл  хранени  значений спектральных коэффициентов на сумматорах 14р (рассчитанных ранее или записанных извне) и дл  последовательной выдачи их в сумматор 7 (с максимальной возможной частотой) с целью формировани  очередного значени  случайного процесса. При этом в основу работы генератора положена реализаци  алгоритма m 0.-1, , из: Гс l- jHifjC..,/ i и л и fe(ii)°§(2}) f, г- спектр Уолша, принад Ай )Г.И) ) лежащий i -ой группе. Коэффициенты и j в этом случае могут быть найдены уже по следующим формулам /1,. п/ач а.Ф„„(.е,к).,(с..,ч), , п/ач c.-je Jo KVKe- fA.Ke) и  вл ютс  детерминированными величинами. Дл  дискретного варианта правило объединени  спектральных коэффициентов Уолша в rpynin i имеет вид 1элемент 2элемента . элементов, гОД г : . 2 элементов. J 1 элемент Например, дл  п 3 случайный р д Уолша представл етс  в виде OVhVH2lCaCO((.,C,-oMV - -Cjcoijii) боед-, W° 30 V4 4boe(,) Аналогичный р д Уолша может быть построен и дл  непрерывного сигнала, прн этом расчет спектров -Уолша должен быть проведен. по формулам )Cc,,). V-r .) Максимальное число возможных реализации случайного процесса в базисе Уолша составит 9-2 а Набор случайных велнчин Ue - tl вырабатываетс  датчиком 1 случайных чисел (ДСЧ) При этом величине е - соответствует двоичный код 1 К -ого разр да случайного числа, а величине е нулевое состо ние & -ого разр да. Выработанное m - разр  ное случайное число с помощью блока 2 счнтывани  передаетс  на блок 3 и запоминаетс  на нем. Значени  п функций формируютс  с помощью генератора 5 функций Уолща, а изменение значений функций УолШа в соответствии со знаками случайных единиц - на (п + то) - входовом коммутаторе 4. В устройстве прин то следующее правило соответстви  между значени ми функций Уолша и их двоичным эквивалентом; значению W(j(l-) +1 соответствует О состо ние -го выхода ГДОФ, а значению W(i) -1 - его единичное состо  ние, (п + гп) - входовой коммутатор 4 включает в себ  гг групп блоков суммировани  по модулю два, причем кажда  К-а  группа содержит 2 блоков суммировани  по модулю два. К первым входам блоков суммировани  по модулю два К-ой группы подключаютс  выходы только тех функций Уолша, которые соответствуют спектральным коэффициентам , объединенных в К-ую группу в соответствии с правилом объединени  коэффициентов в однотипные группы. Поскольку изменение знака случайным образом должно щюиэводитьс  одновременно у всех функций Уолша объединенных в группу, то вторые выходы блоков суммировани  по модулю два каждой К-ой группы объединены и подсоединены к выходу соответствующего разр да регистра 3. Таким образом каждый выход (каждый разр д) коммутатора 4 представл ет собой произведение Це на значение соответствующей функции Са С текущий момент времени (см. выражение (3). Из этого выражени  видно, что дл  получени  значени  случайного процесса ( ) в данный текущий момент времени i необходимо в соответствии СО значением этого произведени  соотвегствующего разр да выхода коммутатора 4 прибавить или вычесть значение соответствующего спектрального коэффициента. Дл  реализации этого алгоритма содержимое коммутатора в каждый текущий дискретный момент времени i переписываетс  в регистре 6 и затем, продвига  содержимое сдвигового кольцевого регистра 6 и сумматоров 14.-14 с помощью сумматора 7 осуществл етс  суммирование - вычитание спектральных коэффициентов (в соответствии с означением очередного разр да регистра 6). После суммировани -вычитани  всех спектральных коэффициентов на выход генератора через блок 8 выдаетс  значение случайного процесса в момент времени i . При переходе к следующему шагу - .моменту дискретного времени (i +1) через врем  д1 измен етс  состо ние генератора, измен етс  содержимое регистра 6 и процесс формировани  очередного значени  Cl +0 случайного процесса повтор етс . Работа предлагаемого устройства происходит, следующим образом. Перед началом работы в сумматоры , , блока 11 формировани  спектральных коэффициентов помещаютс  значени  спектральных коэффициентов Сс( обеспечивающие заданные спектральные характеристики генерируемого случайного процесса. Все остальные узлы и блоки предлагаемого устройства наход тс  в исходном состо нии, а в регистре 2 произвольное случайное число. После этого содержимое коммутатора 4 заноситс  в сдвиговый кольцевой регистр 5, на вход интегрального преобразовател  поступает исследуемый аналоговый сигнал (дл  преобразовани  с одновременной низкочастотной фильтрацией), на управл ющие входы блока- 11 формировани  спектральных коэффициентов (вход элемента 15 задержки), датчика случайных чисел, регистра 6 и один из управл ющих входов интегрального преобразовател  с соответствующими задержками относительно друг друга (с учетом переходных процессов в различных узлах и блоках) поступают импульсы максимальной частоты. При этом в сумматоре 7 формируетс  одно значение случайного процесса, а в интегральном преобразователе вдет процесс формировани  элементарного интеграла 3 формирование и выдача на выход значени  случайного процесса заканчиваетс  значительно быстрее, чем формирование величины О так как число п практически невелико (дес тки, сотни), в то врем  как от чис- f ла испытаний в интегральном преобразователе зависит точность преобразовани  и это число должно быть как можно больше (миллионы). Через врем  At элементарный интеграл передаетс  в блок 10 хранени  и обеднени  выборки, измен ютс  значени  функций с выхода теиератора 5 и соответственно измен етс  содержимое регистра 6. После этого вновь фор мируетс  очередное значение случайного процес са в сумматоре 7 и идет процесс формировани  очередного элементарного интеграла СЗ . По прошествии времени Т в блоке 10 оказываетс  полна  выборка исследуемого сигнала (CJ.., п ), а на выход устройств1а оказываетс  выданной одна реализаци  случайного процесса (из i отсчетов). Дальне1пца  работа устройства зависит от выбранного (с помощью блока управлени ) режима работы - бо осуществл етс  генераци  случайного процесса с теми же спектральными характеристиками (но в регистр 3 при этом записывают другое случайное число), а, выборка сигнала замен етс  или осредн етс  с новыми значени ми исследуемого сигнала, либо по полученной выборке быстро вычисл ютс  спектральные коэффициенты (за то же врем , что одно значение случайного процесса) и процесс работы продолжаетс  так же как описано выше, но с новыми спектральными коэффициентами. При этом генерируемый случайный процесс по спектральным характеристи кам совпадает с исследуемым случайным сигналом . Кроме того, если исследуемый сигнал представл ет собой смесь детерминированного сигна ла со случайной помехой и если на регистре 3 сохран етс  нулевое состо ние, то на выходе предлагаемого устройства будет формироватьс  отфильтрованный от высокочастотных помех входной сигнал, т.е. предлагаемое устройство может быть использовано в качестве фильтра. Таким образом, предложенный универсальный генератор позвол ет выполн ть все функции устройства, и , кроме того, дает возможность осуществить воспроизведение реализаций случайного процесса, подобных исследуемому сигналу, без предварительного определени  и аппроксимации статистических характеристик исследуемого сигнала. Кроме того, предложенный универсальный генератор может быть использован в качестве анализатора спектра (особенно радиолокационных сигналов, причем позиционное накопление в этом случае може быть осуществлено на блоке 10 хранени  и осреднени  выборки). ФормулаИзобретени  1. Генератор случайных процессов, содержащий последовательно соединенные датчик случайных чисел, первый блок пам ти, регистр и коммутатор, к другим входам которого под соединены выходы генератора дискретнь:х ортогональных функций, а также последовательно соединенные сумматор и второй блок буферной пам ти отличающийс  тем, что, с целью расширени  функциональных возможностей генератора за счет формировани  спектральных коэффициента по анализируемому сигналу, он содержит сдвиговый кольцевой регистр и последовательно соединенные блок интегрировани , блок осреднени  выборки и блок формировани  спектральных коэффициентов, другие п входов которого объединены с п входами коммутатора, выход которого подсоединен к входу сдвигового кольцевого регистра, выход которого подсоединен к первому входу сумматора, второй вход которого подсоединен к выходу блока формировани  спектральных коэффициентов, причем входы блока интегрировани  подсоединень соответственно к входу генератора и к выходу датчика случайных чисел. 2.Генератор по п. 1, отличающийс   тем, что блок формировани  спектральных коэффициентов содержит элемент буферной пам ти, (п +1) последовательно соединенных сумматоров, выход последнего из которых подсоединен к входу первого из них, и п последовательно соединенных элементов задержки, вход первого из которых подсоединен к управл ющему входу блока формировани  спектральных коэффициентов и к входу первого сумматора , а входы других сумматоров подсоединены к соответствующим отводам цепочки элементов задержки, причем информационные входы первых п сумматоров объединены и подсоединены к выходу элемента буферной пам ти, управл ющий и информационный входы которого подсоединены соответственно к другому управл ющему и первому информационному входу блока формировани  спектральных коэффициентов, другие п информационных входов которого подсоединены к входам управлени  п первых сумматоров. 3.Генератор по ц. 1, отличающийс   тем, что блок осреднени  выборки содержит последовательно соединенные П элементов задержки и последовательно соединенные сумматор, блок переключени  масштаба и П регистров, выход последнего из которых подсоединен к информационному входу сумматора, другой информационный вход которого подсоединен к входу блока осреднени  выборки, два управл ющих входа которого подсоединены соответственно к управл ющему входу блока переключени  масштаба и к входу считывани  последнего регистра, объединенного с входом цепочки элементов задержки, отводы которых подсоединены к входам считывани  соответствующих регистров, а выход последнего элемента задержки подсоединен к входу считывани  сумматора.

Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР № 344431, j кл. G 06 F 1/02, 1970.

75230912

2. Авторское свидетельство СССР № 370717,, кл. Н 03 К 13/02, 1970.

3., Авторское свидетельство СССР № 470812, кл. G 06 F 15/34, 1975. 4. Авторское свидетельство СССР № 532873, кл.С 07 С 15/00,006 F 1/02,1977 (прототип).

1

Т t

w,

Claims (3)

1. Формула из обретения

   I. Генератор случайных процессов, содержа- ₅₅ щий последовательно соединенные датчик случайных чисел, первый блок памяти, регистр и коммутатор, К другим входам которого подсоединены выходы генератора дискретных

   752309 10 ортогональных функций, а также последовательно соединенные ‘сумматор и второй блок буферной памяти,, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных 5 возможностей генератора за счет формирования спектральных коэффициента по анализируемому сигналу, он содержит сдвиговый кольцевой регистр и последовательно соединенные блок интегрирования, блок осреднения

   10 выборки и блок формирования спектральных коэффициентов, другие η входов которого объединены с п входами коммутатора, выход которого подсоединен к входу сдвигового кольцевого регистра, выход которого подсое15 динен к первому входу сумматора, второй вход которого подсоединен к выходу блока формирования спектральных коэффициентов, причем входы блока интегрирования подсоединены соответственно к входу генератора и к

   20 выходу датчика случайных чисел.
2. 2. Генератор поп. 1, отличаюшийс я тем, что блок формирования спектральных коэффициентов содержит элемент буферной памяти, (п +1) последовательно соединенных сумматоров, выход последнего из которых подсоединен к входу первого из них, и п последовательно соединенных элементов задержки, вход первого из которых подсоединен к управляющему входу блока формирования спектральных коэффициентов и к входу первого сумматора, а входы других сумматоров подсоединены к соответствующим отводам цепочки элементов задержки, причем информационные входы первых η сумматоров объединены и подсоединены к выходу элемента буферной памяти, управляющий и информационный входы которого подсоединены соответственно к другому управляющему и первому информационному входу блока формирования спектральных коэффициентов, другие η информационных входов которого подсоединены к входам управления η первых сумматоров.
3. 3. Генератор поп. 1, отличаютцийс я тем, что блок осреднения выборки содержит последовательно соединенные П элементов задержки и последовательно соединенные сумматор, блок переключения масштаба и η регистров, выход последнего из которых подсоединен к информационному входу сумматора, другой информационный вход которого подсоединен к входу блока осреднения выборки, два управляющих входа которого подсоединены соответственно к управляющему входу блока переключения масштаба и к входу считывания последнего регистра, объединенного с входом цепочки элементов задержки, отводы которых подсоединены к входам считывания соответствующих регистров, а выход последнего эле- мента задержки подсоединен к входу считывания сумматора.