SU962931A1 - Генератор псевдослучайных чисел - Google Patents

Description

Изобретение бтноситс  к вычисли тельной технике, в частности к устройствам дл генерации произвольных чисел, и может быть использовано в системах автоматики, например дл  управлени  сменой, фиксированного числа З1 ачений перестраиваемого параметра .

В аппаратуре дискретной автоматики и вычислительной технике широко используютс  генераторы псевдослучайных чисел, построенные на базе регистра сдвига, охваченного цепью Обратной св зи через сумматор по модулю два, в которых псевдослучайные числа образуютс  путем формировани  псевдослучайной (имеющей детерминированную структуру) последовательностью двоичных символов максимального периода (т-последозатйльности ) и использовании определенных символов этой последовательности в качестве значений разр дов псевдослучайного числа.

Известен генератор псевдослучайных чисел, содержащий регистр сдвига с сумматором по модулю два и в цепи обратной св зи, генератор тактовых импульсов, счетчик по модулю S и I выходных вентилей. В известном

генераторе очередное двоичное число образуетс  на выходах I разр дов регистра сдвига через каждые S I импульсов сдвига. Условие устран ет Коррел цию смежных чисел формируемой выборки f1 .

Недостатком известного генератора  вл етс  сокращение длины выборки в S раз по сравнению с периодом

10 т-последовательности, генерируемой регистром сдвига, а также отсутствие возможности ограничени  величины формируемых чисел на уровне, соответствующем фиксированному числу значений

15 перестраиваемого параметра системл автоматики, которое может бьцгь отличным от 2 -1.

Другой известный генератор 2 -. псевдослучайных чи сел со держащий два одновременно тактируемых регистра сдвига с сумматорами по модулю два в цеп х обратной св зи и группу су1/1маторов по модулю два на выходах сдвига с обратной св зью и группы

25 логических схем позвол ет увеличить период следовани  генерируемой последовательности п-разр дных чисел, который равен () () , где - разр дности используемых реги30 стров сдвига.

Однако этот генератор не обеспечивает вочможности ограничени  формируемых чисел на уровне, определ емом фиксированным числом значений перестраиваемого параметра системы автоматики, и имеет сложное схемное решение.

Наиболее близким к предлагаемому  вл етс  генератор псевдослучайных чисел, содержащий основной и дополнительный реглстры сдвига, счетчик, сумматор по модулю два, коммутатор, делитель и генератор импульсов. Выход с основного регистра через дополнительный регистр соединен с входом счетчика. Выходы разр дов основИого регистра в соответствии с коэффициентами генераторного полинома соединены с входами сумматора по модулю два, выход которого через коммутатор соединен с информа:ционнь1М входом основного регистра сдвига. Управ л ющий вход коммутатора через делитель с переменным коэффициентом делеНИН соединен с вторым выходом генератора импульсов и тактовыми входами регистров сдвига. Выходы разр дов до полнительного регистра соединены с , входами коммутатора.Первый выход генератора соединен с установочными входами делител  и счетчика.

На тактовый вход основного регистра сдвига поступает пачка из импульсов , где k - разр дность основног регистра сдвига. Первые т. (т in) тактов основной регистр с сумматором по модулю два работает как генератор бинарной псевдослучайной последовательности . Затем с выхода делител  шыдаетс  сигнал на коммутатор, который переключает выходы сумматора по модулю два и дополнительного регистра таким образом, что оба регистра сдвига оставшиес  (n-m) тактов работают в режиме кольцевого регистра сдвига.

В результате на вход счетчика поступает п символов и по окончании цикла работы генератора в счетчике формируетс  псевдорлучайное число, равное числу единиц среди символов прошедшего отрезка последовательноети .

Описанный цикл работы генератора повтор етс  дл  формировани  каждого новоге числа. Псевдослучайные числа формируютс  из пересекающихс  отрезков , чем достигаетс  возможность изменени  степени коррел ции.

В частном случае m п генерируютс  некоррелированные числа З.

Недостатком известного генератора  вл етс  сокращение емкости формируемого (за период) числового массива некоррелированных чисел в М раз по сравнению с периодом последовательности , генерируемой регистром сдви . га. С другой стороны, в устройстве

возможны ситуации формировани  подр д двух и более одинаковых- чисел, что нежелательно при использовании его дл  выработки перестраиваемого параметра систем автоматики, так как приводит к увеличению времени, в течение которого параметр не измен етс  и, следовательно, к увели-, чению среднего времени коррел ции параметра. Кроме того, известный ГПСЧ достаточно сложен.

Цель изобретени  - расширение объема формируемого числового массива и исключение повторени  смежных чисел при одновременном упрощении генератора.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в генератор псевдослучайных чисел, содержащий счетчик, коммутато сумматор по модулю два, первый и второй выходы которого соединены соответственно с выходами регистра сдвига , информационный вход которого соединен с выходом сумматора по модулю два, генератор тактовых импульсов, первый выход которого соединен с управл ющим входом регистра пам ти, выход которого  вл етс  выходом генератора , введены D-триггер, два элемента И, элемент задержки и блок сравнени , второй и третий выходы генератора тактовых импульсов соединены с первыми входами соответственно первого и второго элементов И, выходы которых соединены соответственно с тактовым входом регистра сдвига и счетным входом счетчика, выход которого соединен с первым входом коммутатора и первым входом блока сг авнени , второй вход которого соединен с выходом perijcTpa пам ти, а выход блока сравнени  соединен с вторым входом коммутатора, третий вход которого  вл етс  первым входом генератора , а выход коммутатора соединен с информационным входом регистра пат м ти, управл ющий вход которого объединен с установочным входом D-триггера и подключен к входу элемента задержки, выход которого соединен с входом Сброс счетчика, выход D-триггера соединен с вторыми входами первого и второго элементов И, выход сумматора по модулю два соединен с третьим входом второго элемента И и синхровходом D-триггера , D-вход которого  вл етс  вторым входом генератора.

Сущность изобретени  заключаетс  в формировании двоичного псевдослучайного числа подсчетом количества символов в единичной серии (р д следующих друг за другом единиц) т-последоватедьности, генерируемой п-раэр дным регистром сдвига с сумматором по модулю два,и цепи обратной св зи и зг1мене сформированного таким образом числа числом, равным n-1 в случае равенства его предыдущ му числу, что достигаетс  введением в устройство Dr-триггера, двух эле . ментов совпадени , элемента задержки , шины числа п-1 и блока сравнени  соединенных соответствующими св з ми . На фиг,1 дана структурна  схема генератора псевдослучайных чисел; на фиг.2 - временные диаграммы, иллюстрирующие частный случай работы устройства. Генератор содержит генератор 1 тактовых импульсов, регистр 2 сдвига , .сумматор 3 по модулю два, шину 4, питани , D-триггер 5, элементы И б и 7, счетчик,8, блок 9 сравнени  коммутатор 10, регистр 11 пам ти, элемент 12 задержки, шину 13 ввода числа п-1. Первый выход генератора 1 тактовы импульсов соединен с тактовым входом регистра 2 сдвига через элемент И. Выходы разр дов регистра 2 сдвига в соответствии с коэффициентами генератора полинома соединены с входами сумматора 3 по модулю два. Второй выход генератора 1 тактовых импульсов св зан со счетным входом счетчика 8 через элемент И 7. Выход счетчи ка. 8 объединен с первым входом блока 9 сравнени , выполненного в виде схемы сравнени  кодов, и подключен к первому входу коммутатора 10, выход которого под1 лючен к информационному входу реотистра 11 пам ти, выход которого ,  вл ющийс  выходом генератора , подключен к второму входу блока 9 сравнени , выход которого соединен с вторым входом коммутатора 10, третий вход которого подключен к шине 13 числа п-1. Выход сумматора 3 по модулю два объединен с информационным входом п-разр дного регистра 2 сдвига и подключен к третьему входу элемента 7 совпадени  и синхронному входу D-триггера 5, выход которого подключен к вторым входам элементов б и 7. Вход установки единицы D-триг гера 5 объединен с входом записи регистра 11 пам ти и подключен к третьему выходу генератора 1 тактовы импульсов, соединенному через 12 задержки с входом сброса счетчика 8. D-вход D-триггера 5 соединен с общей шиной 4 питани . На фиг.2 обозначены сигналы 14, 15,16 на втором, первом и третьем выходах генератора 1 соответственно сигнал 17 на выходе триггера 5, сиг нал 18 на выходе сумматора 3, сигнал 19 на тактовом входе регистра 2 сиЛёш 20 на счетном входе счетчика 8. Устройство работает следующим об разом. PaccMotpHM случай, когда регистр 2 сдвига содержит 4 разр да (п 4) Допустим, в исходном состо нии в регистре 2, счетчике 8 и регистре 11 записаны произвольные начальные услови , а триггер 5 выдает сигнал, запрещающий прохождение тактовых импульсов через элементы 6 и 7. Генератор 1 тактовых импульсов предназначен дл  форьлировани  цикловых импульсов, выдаваемых по.третьему выходу с периодом Тц(см.1б фиг.2) и двух сдвинутых по фазе импульсных последовательностей, выдаваемых по первому и второму выходам, причем импульсы,выдаваемые по второму выходу С см. 14 фиг. 2), опережсшзт по фазе импульсы, выдаваемые по-его первому выходу (см.15 фиг.2). В момент поступлени  циклового импульса с генератора 1 на вход записи регистра 11 в последний заноситс , код с выхода коммутатора 10, значение которого определ етс  выходным сигнсшом блока 9 сравнени , поступающим на управл ющий вход коммутатора 10, т.е. соотношением кодов, записанных в виде начальных условий в счетчике 8 и регистре 11. Одновременно производитс  установка триггера 5 в(единичное состо ние fcM. 17 фиг.2), при котором последний выйдет сигнал,разрешающий прохождение тактовых импульсов через элементы И 6 и 7 см. 19,20 фиг.2). Задержанным, цикловым импульсом (залермска необходима дл  содёрткимого в регистр 11), снимаемым с элемента 12 задержки, осуществл етс  сброс счетчика 8. С приходом тактового импульса содержимое регистра 2 сдвигаетс  на один разр д вправо, а в освободившуюс   чейкузаписываетс  сигнал с выхода сумматора 3. При этом На выходе сумматора 3 формируетс  псевдослучайна  последовательность двоичных символов. Дл  получени  в регистре 2 псевдослучайной последовательности, имеющей максимально возможный (дл  даннрго п) период L 1, необходимо , чтобы генераторный полином, определ ющий структуру св зей от выходов регистра 2 к входам сумматора 3, был примитивным. iB частности,при п 4 на cyjMMaтор , 3 подаютс  выходы первого и четвертого разр дов регистра 2. При этом каждаай из формируемых символов псевдослучайной последовательности удовлетвор ет линейному соотношению а , ® k - пор дковый номер символа, а знак (+)означает сложение по.МОДУЛЮ два сигналов с выходов первого и четвертого разр дов регистра 2. Если исходное состо ние регистра , 2(1,0,0,0), то на выходе сумматора 3 формируетс  последовательность с периодом L 15...,11101 110010001,... Дл  удобства счета можно пронумеровать каждый разр д двоичной последовательности соответствующим чи слом импульсов, поступающих на тактовый вход регистра 2 в каждом цикле работы генератора псевдослучайных чисел, соответствующем формированию одного числа , (см.19 фиг.2) 11101, 01, 10010001,... 12345, 12, 1234,.,. Когда в формируемом отрезке т-после дователькости проходит сери  единиц С на выходе сумматора 3 сохран етс  высокий потенциал, см. 18 фиг.2, сигнал с второго выхода генератора 1 поступает через элемент 7 совпаде ни  на счетный вход счетчика 8 (см.20 на фиг.2).. Из-за наличи  временной задержки импульсных последовательностей на. первом и втором выходах генератора (необходимой дл  исключени  работы счетчика 8 в момент прохождени  переходного процесса в сумматоре 3) первый импульс в каждом цикле работы устройства поступает на вход счетчика 8 до начала сдвига в регис тре 2 (т.е. раньше момента входа регистра 2 ), При этом в случае, есл при поступлении первого в данном ци ле работы устройства импульса на та товый вход регистра 2 на выходе сум матора 3 устанавливаетс  низкий пот циал, то в счетчике 8 оказываетс  сформированным число, равное единиц ( см.фиг.2 А 1 1) . Как только в составе т-последова тельности по вл ест  нуль, элемент7 совпадени  закрываетс  низким потенциалом с выхода сумматора 3, в результате чего прекращаетс  поступ ление импульсов на счетчик 8. В момент перехода в формируемой т-последовательности от нул  к един це положительным перепадом, поступа щим с выхода сумматора 3 на синхровход D-триггера 5, на выходе послед него устанавливаетс  низкий потенци ал (см.18 фиг.2), при этом прекращаетс  поступление имппульсов на тактовый вход регистра 2, который фиксируетс  в состо нии, соответств ющем высокому потенциалу на выходе сумматора 3, а также на вход счетчика 8. В счетчике 8 оказываетс  сформир ванным псевдослучайное число, соответствуклцее количеству единичных символов в генерируемом за цикл работы устройства отрезке т-последова тельности (см.фиг.2 А, 4, A«j 1 АЗ 2). Дл  исключени  повторени  смежных чисел в блоке 9 производитс  сравнение кода, записанного в счет1ике 8, с кодом в регистре 11. В случае их равенства коммутатор 10 переключаетс  выходным сигналом блока 9 таким образом, что на информационный вход регистра 11 поступает код с шины 13 числа п-1 (серии с числом единиц, равным п-1, в составе т-по следовательности отсутствуют). В противном случае на выход коммутатора 10 поступает код, зафиксированный в счетчике 8. В начале следующего цикла работы генератора в момент поступлени  циклового импульса с третьего выхода генератора 1 осуществл етс  запись числа, подготовленного в предыдущем цикле работы генератора, в регистр 11 и установка триггера 5 в единичное состо ние. Затем осуществл етс  сброс счетчика 8 и происходит формирование очередного псевдослучайного числа. Описанный цикл работы генератора повтор етс  при формировании каждого нового цикла. Так как общее число единичных серий в периоде т-последовательности, генерируемой п-разр дным регистром 2 сдвига , составл ет каждом цикле работы генератора производитс  подсчет числа символов одной единичной, серии, то предлагаемое устройство за период рмирует о п псевдослучайных чисел , ограниченных по величине на уровне п , так как максимальный размер единичной серии (число следующих друг за другом единиц) равен п . При ЭТОМ в формируемой последовательности исключаетс  повторение смежных чисел. Среднее количество тактов работы регистра сдвига, затрачиваемое на формирование одного числа, составл ет при достаточно большой разр дности регистра сдвига ( В то врем , как в известном устройстве дл  формировани  числа требуетс  п тактов работы регистра сдвига. Таким образом, предлагаемый генератор позвол ет получить последовательность ограниченных по величине , независимых псевдослучайных чисел с неповтор ющимис  смежными числами, в которой объем формируемого за период работы генератора числового массива в -т раз больше, чем у известного генератора псевдослучайных чисел . Кроме того, предлагаемое устройство по сравнению с известнь М  вл етс  более простым, так как отсутствует необходимость формировани  пачек импульсов, обладает существенно 1

лучигами массогабаритными характеристиками и  вл етс  более надежным.

Предлагаемое устройство также поэвсш ет сократить стоимость и трудоемкость изготовлени  и регулировки, так как содержит меньшее по сравнению с известным устройством количество электрорадиоэлементов илирокогоприменени ,

Эффективность использовани  предлагаемого устройства возрастает при увеличении разр дности регистра сдвига , соответствующей максимальному значению формируекых псевдослучайных чисел.

Claims (2)

1.Яковлев В.В., Федоров Р.Ф. Стохастические вычислительные машины . Л., Мсшшностроение, 1974,

0, с.247-253.

2.Там же, с.263-270.

3; Авторское свидетельство СССР 656086, кл.С 06 F 1/02, 1977 (прототип).