Генератор случайных процессов

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советскик

Сощиалистическик

Республик 752309 (61) Дополнительное к авт. свил-ву

7 (51)М. Кл.

G 06 F 1/02

G 07 С 15/00 (22) За я влено 12.07.78 (21) 2658787/18- 24 с присоединением заявки,%

Государственный комитет (28) Приори гет по делам изобретений и открытий

Опубликовано 30.07.80. Бюллетень .% 28

Дата опубликования описания 30.07.80 (53) УД Ê681.325 (088.8) (72) Авторы изобретения

10. М. Смирнов, Г. Н. Воробьев, Е. С. Потапов и В. В. Сюзев (7!) Заявитель

Московское ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени

Высшее техническое училише им. Н. 3. Баумана (54) ГЕНЕРАТОР СЛУЧАЙНЫХ ПРОЦЕССОВ

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано как при моделировании случайных процессов с заданными статистическими характеристиками, так и для спектрального анализа непрерывно из5 меняющихся во времени сигналов.

Известен генератор случайных процессов, содержащий генератор импульсов, датчик случайных импульсов, элементы И, блок управления, счетчик. Для упрощения настройки

1О требуемого закона генератор содержит шифратор и регистр, но функциональные возможности его ограничены jl).

Другой известный генератор случайных процессов содержит блок элементов И, выходы которых соединены с входами блока памяти, первые входы — с выходами датчика случайных чисел, а вторые входы — с первыми выходами блока управления, второй выход блока управления соединен с первым входом блока считывания, второй вход которого соединен с выходом блока суммирования, а выход— с выходом генератора (2).

Однако этот генератор не позволяет формировать случайные процессы с заданными спектральными характеристиками и не может быть использован для спектрального анализа сигналов.

Известно также устройство для вычисления коэффициентов разложения функции в ряд, содержащее накопительный блок, генератор импульсов ключ й, и блоков делителей напряжения (на П выходов каждый) и И каналов из последовательно соединенных сумматоров, аналого-цифрового преобразователя и блок регистрации с соответствующими связями между блоками и узлами (3).

К недостаткам известного устройства следует отнести большую конструктивную .сложность, обусловленную наличием ключей и т1 блоков делителей напряжения на т1 выходов каждый, а также наличием накопительного блока, содержащего большое количество интеграторов, низкое быстродействие, обусловленное тем, что действительные значения спектральных коэффициентов могут быть получены только по окончании времени интегрирования (т.е. после окончания интервала времени на котором про752309

3 изводится анализ сигнала) и ограниченные функциональные возможности.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является генератор случайных процессов, содержащий после. довательно соединенные датчик случайных чисел, блок элементов И, блок памяти, коммутатор, блоки присвоения знака, блок суммирования и блок считывания, Кроме того он содержит генератор функций Уолша, выходы 10 которого подсоединены к другим входам коммутатора, и блок управления (4).

Однако этот генератор не может быть использован для формирования спектральных коэф,фициентов по анализируемому сигналу.

Целью предлагаемого изобретения является дополнительное расширение функциональных .возможностей за счет формирования спектральных коэффициентов по анализируемому сигналу и последующего автоматического формирования случайного процесса с теми же спектральными характеристиками, что и анализируемый сигнал, а также за счет появляющеися возможности одновременного проведения спектрального анализа сигнала и генерации случаиного процесса с заданными статистическими характеристиками.

Для достижения поставленной цели в генератор случайных процессов, содержащий последовательно соединенные датчик случайных зо чисел, первый буферный блок памяти, регистр и коммутатор, к другим входам которого подсоединены входы генератора дискретных ортогональных функций, а также последовательно соединенные сумматор и второй блок буферной памяти, введены сдвиговый кольцевой регистр и последовательно соединенные блок интегрирования, блок осреднения выборки и блок формирования спектральных коэффициентов, другие и входов которого объединены с г1 входами коммутатора, выход которого подсоединен к входу сдвигового кольцевого регистра, выход которого подсоединен к первому входу сумматора, второй вход которого подсоединен к выходу блока формиро- 45 вания спектральных коэффициентов, причем входы интегрального преобразователя подсоединены соответственно к входу генератора и к выходу датчика случайных чисел.

Кроме того блок формирования спектральных коэффициентов содержит и. +1 последовательно соединенных сумматоров, выход последнего из которых подсоединен к входу первого из них, и д последовательно соединенных элементов задержки, вход первого из которых подсоединен к управляющему входу блока формирования спектральных коэффициентов и к входу первого сумматора, а входы друтих

4 сумматоров подсоединены к соответствуюшим отводам цепочки элементов задержки, причем другие информационные входы первых т1 сумматоров объединены и подсоединены к выходу элемента считывания, управляющий и информационный входы которого подсоединены соответственно к другому управляющему и первому информационному входу блока формирования спектр льных коэффициентов, другие и информационных входов которого подсоединены к входам управления суммированием-вычитанием и первых сумматоров.

Кроме того, блок осреднения выборки содержит последовательно соединенные и элементов задержки и последовательно соединенные сумматор, блок переключения масштаба и гт регистров, выход последнего из которых подсоединены к информационному входу сумматора, друтой информационный вход которого подсоединен к входу блока осреднения выбор ки, 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 элемента задержки подсоединен к входу считывания сумматора, На фиг. 1 приведена блок-схема универсального генератора случайных процессов; на фиг. 2 и 3 — блок-схемы соответственно блока формирования спектральных коэффициентов и блока хранения и осреднсния выборки.

Универсальный генератор содержит датчик 1 случайных чисел, блок 2 буферной памяти, регистр 3, коммутатор 4, генератор 5 дискрет. ных оротогональных функций, сдвиговый кольцевой регистр 6, сумматор 7, блок 8 буферной памяти. Блок 9 интегрирования, блок 1О хранения и осредиения выборки, блок 11 формирования спектральных коэффициентов.

Блок управления на чертеже не показан.

Универсальный генератор предназначен в основном для генерации случайных процессов, по спектральным характеристикам (функция спектральной плотности) совпадаюших с анализируемым случайным процессом (но сами реализации генерируемых случайных процессов в обшем случае не совпадают с анализируемым случайным процессом). В частных случаях 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 реализуются алгоритмы расчета спектральных коэффициен752309 и являются детерминированными величинами.

Для дискретного варианта правило объединения спектральных коэффициентов Уолша в группы имеет вид о 1 элемент

2 элемента

2Е " злемв, р,(,.Д вЂ” )

2 элементов j- 0 Л,",") 1 элемент тов при разложении исследуемого сигнала по дискретным ортогональным кусочно-постоянным функциям (Родемахера, Уолша, Хааре и т.п.). Любой спектральный коэффициент, например в базисе Уолша, может бьиь рассчи- 5 тан по формуле т с =5v 1фю(— ",)с), ва(а,п1, (>) о где С вЂ” спектр Уолша от исследуемого сигнала X (t, =1, W — система ортогональных функций

Уолша; — текущее время;

С вЂ” переменная интегрирования на интервале орюгональности 0, Tj; (т= = — — число участков постоянства функций

Уолша максимальной частоты (w=1, 2, ...);

pt — интервал дискретизации по времени.

Так как W + 1 для функций Роде Махера и Уолша, то (1) можно представить в виде

)т-л . (+л )

<ф=>(w,(1) 1 а(1р)с)ф* (w з.„) (г)

Элементарные интегралы,3,,),..., и в выражении (2) вычисляются с йомощью ин-. тегрального преобразователя 9 и хранятся в блоке 10 хранения и осреднения выборки.

Блок 10 хранения и осреднения выборки содержит сумматор 16, блок 17 переключения масштаба, регистры 18л — 18, и элементы задержки 19 — 19„. Блок 10 предназначен для приема из интегрального преобразователя 9 кода очередного значения элементарного ин35. теграла, для хранения значений элементарных интегралов .), .1,..., J, в регистрах 18л—

18, . При необходймости осреднения двух (или нескольких выборок) очередное значение из интегрального преобразователя суммируется в сумматоре 16 с содержимым регистра 18л и передается в соответствующем масштабе (например со сдвигом на 1,2 и тд. разрядов вправо) в регистр 18п. При расчете же спектральных коэффициентов (либо в про45 .межутке между поступлением .1; и Л;+л либо после расчета и осреднения выборок) содержимое регистра 18л через сумматор 16 и блок 17 передается в регистр 18г, без изменения. При этом на вход элемента 19 задержки поступают импульсы сдвига максимальной частоты, в связи с чем спектральные ко1 группа включает С

2 группа Сп/,1 ) n/4 группа С,, (i+23) I (л (m 1) группа Ь, /„ ь зффициенты могут бьгь рассчитаны без остановки процесса формирования очередного значения выборки .), и с минимальными затратами времени (ограничиваемыми элементной базой) .

Функции ))ч, в выражении (2) формируются генератором 5 дискретных ортогональных функций и поступают в блок 11 формирования спектральных коэффициентов.

Блок 11 содержит элемент 12 буферной памяти, сумматор 13 (буферный), сумматоры

14„— 14, элементы 15, — 15, и предназначен для формирования спектральных коэффициентов С< путем суммирования — вычитания кодов Эл,Э,,...,:) „на сумматорах 14„—

14, в соответствии со значениями функции

W, управляющих суммированием-вычитанием в сумматорах 14„— 14,. При генерации случайных процессов блок 11 предназначен для хранения значений спектральных коэффициентов на сумматорах 14„— 14 (рассчитанных ранее или записанных извне) и для последовательной выдачи их в сумматор 7 (с максимальной возможной частотой) с целью формирования очередного значения случайного процесса.

При этом в основу работы генератора поло. жена реализация алгоритма

Е-2„ Я:Р +Й (AeT tL„Ctlt Ое ч е.)=о "(4+2>) n(<+ >) (3)

ll (м+ )) о й(,)(>)) gm <ьg ваа ())

2 где С„, И р, — спектр Уолша, принадч7 " )1 " 1З лежащий В -ой группе, Коэффициенты СА ) е и,у, )Е в этом случае могут быть найдены уже по следующим формулам тт/Х n/ã-л

„Ф„„(М„Е,К) Ь„л1i„„(.< g) n/ß-1 n/2-л А е=" (з(к(в (е "1+,Рн„(" е " к л

После этого содержимое коммутатора 4 заносится в сдвиговый кольцевой регистр 5, на вход интегрального преобразователя поступает исследуемый аналоговый сигнал (для преобразования с одновременной низкочастотной фильтрацией), на управляющие входы блока 11 формирования спектральных коэффициентов (вход элемента 15 задержки), датчика случайных чисел, регистра 6 и один из управляющих входов интегрального преобразователя с соответствующими задержками относительно друг друта (с учетом переходных процессов в различных узлах и блоках) поступают импуль-. сы максимальной частоты. Прн этом в сумматоре 7 формируется одно значение случайного процесса, а в интегральном преобразователе идет процесс формирования элементарного интеграла 3< формирование и выдача на выход значения случайного процесса заканчивается значительно быстрее, чем формирование величины,) „так как число и практически невелико (десятки, сотни), в то время как от числа испьпаний в интегральном преобразователе зависит точность преобразования и это число должно быть как можно большс (миллионы).

7 752309

Например, для и =Я случайный ряд Уолша представляется в виде

Ц;(-(,Р, р, с,ше,(>+в; е(ф(io,.oe,8«

+C со ()i Ю «)К Я+5 ъос (ф «Ъ 0 (()

Аналогичный ряд Уолша может быть построен и для непрерывного сигнала, при этом расчет спектров Уолша должен быть проведен, по формулам

С„,=» о ф Ь К 1e.=» бк "зС 1 )

Максимальное число возможных реализаций случайного процесса в базисе Уолша составит

М+ 1 и, 15

Набор случайных величин «.«е = +1 вырабатывается датчиком 1 случаиных чисел (ДСЧ).

При этом величине р =1 соответствует двоичный код "1" Е -ого разряда случайного числа а величине р е +1 — нулевое состоя-.

Ф

20 ние Р -ого разряда. Выработанное m — разрядное случайное число с помошью блока 2 считывания передается на блок 3 и запоминается на нем.

Значения и функций формируются с помощью генератора 5 функций Уолша, а изменение значений функций Уолта в соответствии со знаками случайных еднниц — íà (n + г )— входовом коммутаторе 4. В устройстве принято следуюшее правило соответствия между значениями функций Уолша и их двоичным эквивалентом: значению Vl (t) = +1 соответствует "0" состояние oh -го выхода ГДОФ, а значению A «(г) = — 1 — его единичное .состояние, (n+ rn) — входовой коммутатор 4

35 включает в себя п групп блоков суммирования по модулю два, причем каждая К-ая групК-1 па содержит 2 блоков суммирования по модулю два. К первым входам блоков суммирования по модулю два К-ой группы подключаются выходы только тех функций Уолша, которые соответствуют спектральным коэффициентам, объединенных в К-ую группу в соответствии с правилом объединения коэффициентов в однотипные группы. Поскольку изме45 нение знака случайным образом должно производиться одновременно у всех функций Уолша, объединенных в группу, то вторые выходы блоков суммирования по модулю два каждой

К-ой группы объединены и подсоединены к выходу соответствующего разряда регистра 3.

Таким образом каждый выход (каждый разряд) коммутатора 4 представляет собой произведение ре на значение соответствующей функции Са< или айаг в текущий момент вре5S мени (см. выражение (3). Из этого выражения видно, что для получения значения случайного процесса g () в данный текущий момент времени i необходимо в соответствии со значением этого произведсния соответствующего разряда выхода коммутатора 4 прибавить или вычесть значение соответствуюшсго спектрального коэффициента. Для реализации этого алгоритма содержимое коммутатора в каждый текущий дискретный момент времени (переписывается в регистре 6 и затем, продвигая содержимое сдвигового кольцевого регистра 6 и сумматоров 14 — 14, с помощью сумматора 7 осуществляется суммирование — вычитание спектральных коэффициентов (в соответствии с означением очередного разряда регистра 6). После суммирования-вычитания всех спектральиых коэффициентов на выход генератора через блок 8 выдается значение случайного процесса в момент времени (. При переходе к следующему шагу — моменту дискретного времени ((+1) через время а1 изменяется состояние генератора, изменяется содержимое регистра 6 и процесс формирования очередного значения -, (i +1) случайного процесса повторяется.

Работа предлагаемого устройства происходит. следующим образом.

Перед началом работы в сумматоры 14„— 14, блока 11 формирования спектральных коэффициентов помещаются значения спектральных коэффициентов Сс«, обеспечивающие заданные спектральные характеристики генерируемого случайного процесса. Все остальные узлы и блоки предлагаемого устройства находятся в исходном состоянии, а в регистре 2 произвольное случайное число.

752309

Через время, 1 элементарнь и интеграл .3А передается в блок 10 хранения и осреднения выборки, изменяются значения функций с выхода генератора 5 и соответственно изменяется содержимое регистра б. После этого вновь формируется очередное значение случайного процесса в сумматоре 7 и идет процесс формирования очередного элементарного интеграла 1

По прошествии времени Т в блоке 10 оказывается полная выборка исследуемого сигна- >0 ла (5, 1,..., 5г ), а на выход устройства л оказывается выданной одна реализация случайного процесса (из з отсчетов) .

Дальнейшая работа устройства зависит от выбранного (с помощью блока управления) 15 режима работы — либо осуществляется генерация случайного процесса с теми же спектральными характеристиками (но в регистр 3 при этом записывают другое случайное число), а. выборка сигнала заменяется или осредняется 20 с новыми значениями исследуемого сигнала, либо по полученной выборке быстро вычисляются спектральные коэффициенты (за то же время, что одно значение случайного процесса) и процесс работы продолжается так же как 25 описано выше, но с новыми спектральными коэффициентами. При этом генерируемый случайный процесс по спектральным характеристикам совпадает с исследуемым случайным сигналом. 30

Кроме того, если исследуемый сигнал представляет собой смесь детерминированного сигнала со случайной помехой и если на регистре 3 сохраняется нулевое состояние, то на выходе предлагаемого устройства будет формироваться З5 отфильтрованный от высокочастотных помех входной сигнал, т.е. предлагаемое устройство может быть использовано в качестве фильтра.

Таким образом, предложенный универсаль40 ныи генератор позволяет выполнять все функции устройства, и, кроме того, дает возможность осуществить воспроизвсдение реализаций случайного процесса, подобных исследуемому сигналу, без предварительного определения 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 может быть осуществлено на блоке 10 хранения и осреднения выборки) .

Формула изобретения

1. Генератор случайных йроцессов, содержа55 щий последовательно соединенные датчик случайных чисел, первый блок памяти, регистр и коммутатор, к другим входам которого подсоединены выходы генератора дискретных ортогональных функций, а также последовательно соединенные сумматор и второй блок буфернойпамяти. отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей генератора за счет формирования спектральных коэффициента по анализируемому сигналу, он содержит сдвиговый кольцевой регистр и последовательно соединенные блок интегрирования, блок осреднения выборки и блок формирования спектральных коэффициентов, другие гз входов которого объединены с и входами коммутатора, выход которого подсоединен к входу сдвигового кольцевого регистра, выход которого подсоединен 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 выходу датчика случайных чисел.

2: Генератор по и. 1, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что блок формирования спектральных коэффициентов содержит элемент буферной памяти, (n +1) последовательно соединенных сумматоров, выход последнего иэ которых подсоединен к входу первого из них, и гз 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 и сумматоров объединены и подсоединены к выходу элемента буферной памяти, управляющий и информационный входы которого подсоединены соответственно к друтому управляющему и первому информационному входу блока формирования спектральных коэффициентов, другие и информационных входов которого подсоединены к входам управления П первых сумматоров.

3. Генератор по п. 1, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что блок осреднения выборки содержит последовательно соединенные A элементов задержки и последовательно соединенные сумматор, блок переключения масштаба и и регистров, выход последнего из которых подсоединен к информационному входу сумматора, другой информационный вход которого подсоединен к входу блока осреднения выборки, lisa управляющих входа которого подсоединены соответственно к управляющему входу блока переключения масштаба и к входу считывания последнего регистра, объециненного с входом цепочки элементов задержки, отводы которых подсоединены к входам считывания соответствующих регистров, а выход последнего эле-

752309 мента задержки подсоединен к входу считывания сумматора.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское овнцетельство СССР N 344431, кл. G 06 F 1/02, 1970.

1з

2. Авторское свидетельство СССР N 370717,, кл. Н 03 К 13/02, 1970.

3., Авторское свидетельство СССР У 470812, кл. G 06 F 15/34, 1975.

4. Авторское свидетельство СССР N 532873, кл.G.07 С 15/ОО,G 06 F 1/02,1977 (прототип) .

75 $3gg

glue. в

Фиад

Редактор И. Ковальчук

Заказ 4743/6

Составитель А. Карасов

Техред Ж. Кастелевич Корректор В. Синицкая

Тираж 751 Подписное

11НИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4