SU767745A1 - Генератор случайного процесса - Google Patents

Description

(54) ГЕНЕРАТОР СЛУЧАЙНОГО ПРОЦЕССА

1

Изобретение относитс  к области вычислительной техники и может быть использовано при построении имитационно-моделирующей аппаратуры дл  решени  задач исследовани  и оптимизации структурносложных систем.

Известные генераторы случайных процессов по техничёской сущности могут быть сгруппированы в три класса.

К первому классу относ тс  генераторы, содержащие в своей структуре дл  придани  случайному процессу требуемых спектральных свойств один или несколько формирующих фильтров.

Генераторы, использующие один формирующий фильтр, кроме того, содержат генератор исходного случайного процесса, спектральные свойства которого известны и нормированы 1. Управление спектральной плотностью мощности случайного процесса на выходе таких генераторов выполн етс  изменением частотной характеристики формирующих фильтров. Этот принцип управлени  с математической точки зрени   вл етс  достаточно простым, так как спектральна  плотность мощности случайного процесса на выходе таких генераторов определ етс  произведением спектральной плотности мощности исходного случайного процесса на квадрат модул  частотной характеристики формирующего фильтра.

5 Однако с практической точки зрени  проектирование и изготовление формирующих фильтров и перестраиваемой в широких пределах частотной характеристикой представл ет собой достаточно трудную техническую задачу. Формирующие фильтры,

10 проектированные на основе аналоговых средств (емкостей и индуктивностей) достаточно просты и стабильны, однако нетехнологичны и их простые конфигурации допускают перестройку частотных свойств в широких пределах только механическим путем. Реализаци  формирующих цепей цифровыми средствами частично лишена этих недостатков, однако цифровой фильтр требует выполнени  операций умножени  и суммировани  и ,представл ет собой вычислительное устройство, высока  точность и быстродействие которого требует существенных аппаратурных затрат. Кроме того, расчет параметров формирующего фильтра по известной частотной характеристике достаточно с 1ожен, так как требует выполнени  интегральных преобразований. Генераторы случайных процессов, использующие несколько формирующих фильтров 2, содержат дополнительно в своей структуре несколько генераторов исходных процессов и блок суммировани . Управление спектральной 1лотностью мощности случайного процесса на выходе таких генераторов основано на том, что спектральные плотности мощности суммируютс  при суммировании независимых случайных процессов. Если при этом спектральные плотности мощности случайных процессов отличны друг от други (например, сдвигом по оси частот), а суммирование выполн етс  с определенными (детерминированными или веро тностными) весами, то их изменение приводит к изменению спектральной плотности мощности выходного случайного процесса. Методика расчета параметров настройки указанных генераторов оказываетс  проще, чем дл  генераторов , содержащих один формирующий фильтр, однако с точки зрени  аппаратурных затрат рассматриваемый вариант оказываетс  более емким. К другому классу можно отнести генераторы , использующие дл  формировани  выходного случайного процесса множество импульсных потоков 3. Такие устройства содержат в своей структуре множество генераторов импульсов, конъюнкторы, дизъюнктор и некоторые другие вспомогательные элементы, причем общим дл  их структур  вл етс  то, что выходы генераторов подключены к входам конъюнкторов, выходы которых подключены (непосредственно или через другие логические элементы) к схеме дизъюнкции. Процесс на выходе таких генераторов представл ет собой последовательность импульсных сигналов определенной формы, следующих через случайные интервалы времени, причем регулируемой статистической характеристикой выходного случайного процесса  вл етс  закон распредёлени  случайных временных интервалов . Известно, что вариаци  закона распределени  случайных временных интервалов между импульсами приводитк изменению спектральных свойств процесса на выходе генератора. Такой класс генераторов случайных процессов отличает простота технической реализации, так как в своей структуре они содержат достаточно простые и в небольщом количестве логические элементы, а также, простота расчета параметров настройки дл  формировани  процесса с заданной функцией распределени  случайных временных интервалов, форма которой не имеет принципиальных ограничений. Однако, если при использовании этого класса генераторов представл ет интерес спектральна  плотность мощности случайного процесса, то несмотр  на однозначную св зь спектральных свойств процесса и функции распределени  случайных временных интервалов выполнить обратный расчет, т. е. вычислить требуемую функцию случайных временных интервалов по заданной спектральной плотности мощности оказываетс  затруднительно как из-за сложности математических преобразований, так и из-за ограниченного класса воспроизводимых спектральных плотностей мощности. К третьему классу могут быть отнесены генераторы 4, формирующие отрезки реализаций случайных или детерминированных . процессов с известными статистическими свойствами. Генератор формирует на своем выходе отрезки случайных сигналов треугольной формы и содержит в своей структуре раскрытие в виде отдельных блоков сумматор (его роль выполн ет реверсивный счетчик) и устройство умножени  (одна операци  умножени  выполн етс  при помощи источника эталонного напр жени , регистра и первого преобразовател  код- напр жение, а втора  - при помощи модул тора пол рности). В структуре рассматриваемого генератора таже можно выделить формирователь исходной (треугольной) функции , реализованной при помощи реверсивного счетчика и второго преобразовател  код-напр жение. Общим недостатком рассматриваемого класса генераторов  вл етс  их низкое быстродействие ввиду наличи  в их структуре устройств умножени ,, выполнение которого требует существенных временных затрат при использовании средств цифровой вычислительной техники или низка  точность при использовании средств аналоговой вычислительной техники. Кроме того, генераторы обладают ограниченными возможност ми по воспроизведению произвольных спектральных плотностей мощности процессов на их выходах и формирует только отрезки реализаций ограниченной длительности . По технической сущности наиболее близким к за вл емому  вл етс  генератор 5, содержащий генератор импульсов, счетчик, сумматор, устройство умножени , причем названные блоки соединены последовательно и выход устройства умножени   вл етс  выходом генератора случайного процесса. Наличие в структуре устройства отдельного триггера знака процесса отнести к существенным признакам нельз , так как в общем случае устройство умножени  может выполн ть операцию с учетом знаков операндов. Процесс на выходе рассматриваемого генератора представл ет собой отрезок реализации ограниченной длительности такой формы, что его спектральна  плотность мощности известна (близка к равномерной). Недостатками этого генератора  вл етс : ограниченные функциональные возможности

по воспроизведению произвольных спектральных плотностей мощности; формирование отрезков реализаций случайных процессов ограниченной длительности; низкое быстродействие генератора ввиду наличи  в его структуре устройства умножени .

Целью предлагаемого изобретени   вл етс  устранение этих недостатков, а именно расширение функциональных возможностей генератора за счет формировани  случайных процессов неограниченной длительности с произвольной спектральной плотностью мощности и повышение его быстродействи .

Эта цель достигаетс  тем, что помимо генератора импульсов и. счетчика, первый вход которого соединен с выходом генератора импульсов, вход щих в прототип, предлагаемый генератор дополнительно содержит делитель частоты, датчик случайных чисел и блок пам ти, причем вход делител  частоты подключен к выходу генератора импульсов, выход делител  частоты через датчик случайных чисел соединен с вторым входом счетчика, выход которого подключен ко входу блока пам ти, выход блока пам ти  вл етс  выходом генератора случайного процесса.

На чертеже представлена структурна  схема генератора случайного процесса.

Устройство содержит генератор импульсов 1, делитель частоты 2, датчик случайных чисел 3, счетчик 4, блок пам ти 5.

Выход генератора импульсов 1 соединен с первым входом счетчика 4 и входом делител  частоты 2, выход которого соединен со входом датчика случайных чисел 3, второй вход счетчика 4 соединен с выходом датчика случайных чисел 3, а выход - со входом блока пам ти 5, выход которого  вл етс  выходом генератора случайного процесса.

Названные блоки выполн ют следующие функции. Генератор импульсов 1 формирует последовательность импульсных сигналов с заданным (регул рным) периодом следовани . Делитель частоты 2 выполн ет пересчет импульсных сигналов, поступающих на вход.

Датчик случайных чисел 3 по сигналу, поступающему на его вход, формирует равномерно-распределенное двоичное число.

Счетчик 4 выполн ет суммирование поступающих на его первый вход импульсных сигналов. Второй вход счетчика предназначен дл  его установки в исходное состо ние в соответствии с поступающим на него двоичным кодом. На выходе счетчика формируетс  двоичный код его состо ни .

Блок пам ти 5 предназначен дл  хранени  предварительно записанной в него кодовой последовательности, причем на выход запоминающего устройства поступает кодова  комбинаци , адрес которой задаетс  кодом на входе запоминающего устройства.

Функционирование генератора происходит следующим образом.

При по влении сигнала на выходе генератора импульсов 1 происходит увеличение содержимого счетчика 4 на единицу и в соответствии с новой кодовой комбинацией, поступающей на вход блока пам ти 5, читаетс  содержимое запоминающего устройства по соответствующему адресу. Описанна  процедура повтор етс  до тех пор, пока на выходе делител  частоты 2 не по витс  сигнал (через каждые М сигналов генератора импульсов 1). При по влении этого сигнала датчик случайньТх чисел 3 формирует случайный код, поступающий на второй вход счетчика 4 и устанавливающий его в соответствующее случайное состо ние.

Называ  отрезок времени между моментами по влени  импульсов на выходе делител  частоты 2 циклом работы генератора случайного процесса, можно указать, что процедура формировани  случайного процесса представл ет собой последовательность циклов, в каждом из Kdfopbix происходит последовательное чтение содержимого блока пам ти 5, начина  со случайного адреса. При этом,число кодовых комбинаций, читаемых из блока пам ти 5 в течение одного цикла, определ етс  коэффициентом пересчета М делител  частоты 2.

Описанна  процедура генерировани  случайного процесса доказывает, что предлагаема  структура генератора не налагает никаких дополнительных ограничений на длительность формируемых реализаций и спектральную плотность их мощности. Кроме того, в отличие от прототипа, где дл  формировани  очередного отсчета выходного процесса требуетс  операци  умножени , в предлагаемом устройстве присутствует лишь операци  чтени  содержимого запоминающего устройства, что не требует существенных временных затрат.

Перечисленные отличительные свойства предлагаемого генератора по сравнению с прототипом определ ют технико-экономическую эффективность его использовани , котора  слагаетс  из следующих элементов.

Формирование отрезков реализаций случайных процессов неограниченной длительности позвол ет использовать генератор не только д   проверки анализируемой аппаратуры (целевое назначение прототипа), но и дл  имитации реальных случайных процессов при решении задач исследовани .. и моделировани  объектов, информационные процессы в которых имеют стохастическую природу.

Исследование таких объектов .или их моделей основано на получении статистических характеристик случа йных процессов. в определенных точках их структуры. В св зи с тем, что дисперси  статистических оценок уменьшаетс  с ростом времени моделировани , то использование предлагаемого

H.. ., , ; VI -iv-f-4,;.-(

J-V J. .-i 1|

генератора при решении указанных задач позвол ет получать неограниченную точность определени  статистических оценок характеристик случайных процессов, так как длительность имитируемых реализаций случайных процессов не имеет принципиальных ограничений и может быть произвольной. Формирование случайньГх процессов с произвольной (заданной) спектральной плотностью мощности с помощью предлагаемого генератора позвол ет использовать его как в качестве эталонного генератора дл  проверки анализирующей аппаратуры, так и в качестве имитатора реальных случайных процессов. Применительно к рассмотренной выще задаче исследовани  и моделировани  реальных объектов указанное свойство генератора определ ет высокую адекватность имитируемых случайных процессов реальным , что также, способствует повышению точности получаемых решений.

Повышенное быстродействие предлагаемого генератора позвол ет расширить класс моделируемых с его помощью случайных процессов и реща:емых задач, а также проводить моделирование в реальном масштабе времени. В св зи с тем, что современные запоминающие устройства имеют цикл считывани  информации 10-100 не, то частотный диапазон формируемых с помощью предлагаемого генератора случайных процессов достигает 5 - 50 мГц. Это позвол ет использовать его при имитации ударных .и вибрационных процессов, акустических шумов, ультразвуковых колебаний, видеои радиоимпульсных воздействий.

Таким образом, предлагаема  структура генератора  вл етс  достаточно универсаль767745

ной и может использоватьс  при решении широкого класса задач.

Claims (5)

1.Бобнев М. П. Генерирование случайных сигналов и измерение их параметров. М., «Энерги , 1966.

2.Авторское свидетельство СССР № 391577, кл. G06 F 1/02, 1971.

3.Авторское свидетельство СССР № 370717, кл. G 06 F 1/02, 1971.

4.Авторское свидетельство СССР № 517018, кл. G 06 F 1/02, 1974.

5.Морозов Н. Ф., Переверткин С. М., 0 Свалов Ю. Л. Дискретный генератор дл 

проверки коррелометров-спектроанализаторов . Тезисы докладов VIII Всесоюзного симпозиума «Методы представлени  и аппаратурный анализ случайных процессов и полей Секци  1, Каунас, 1975, с. 141 (прототип).