Генератор случайного процесса

 

Г ЕНЕРАТОР СЛУЧАЙНОГО ПРОЦЕССА , содержащий датчик случайных чисел , генератор крсинусоидальных колебаний , три сумматора, два умножителя , группу формирователей интерполяционных ядер, каждый из которых содержит элемент задержки, два масштабирующих элемента, выходы первых масштабирующих элементов всех формирователей интерполяционных ядер группы соединены с соответствуюгдами входами первого сумматора, выход которого соединен с первым входом первого умножителя , второй вход которого является входом косинусоидальной составляющей спектра генератора, выходы вторых масштабирующих элементов всех формирователей интерполяционных ядер группы соединены с соответствующими входами . второго сумматора, выход которого соединен с первым входом второго умножителя, второй вход которого является входом синусоидальной составляющей спектра генератора, выходы первого и второго умножителей соединены соответственно с первым и вторым входами третьего сумматора, выход которого является выходом генератора, отличающийся тем, что, с целью повьппения точности, он содержит генератор синусоидальных колеб лний, а каждый формирователь интерполяционных ядер содержит два элемента НЕ и двухканалЬ ный мультиплексор, выходы первого и второго каналов которого соединены соответственно с входами первого и второго масштабирующих элементов, i-й (,N; 2N - число интерполяционных ядер генератора) выход датчика случайных чисел соединен с первым управлякяцим входом двухканального мультиплексора непосредственно и через элемент задержки - с его вторым управлякнцим входом в i-м форми- , рователе интерполяционных ядер в группе, i-й выход генератора косинусо,идальных колебаний соединен с входом первого элемента НЕ, выход которого соединен с входом первого разряда : первогоканала двухканального мультиплексора i-ro формирователя интерполяционных ядер в группе, i-й выход генератора синусоидальных колебаний соединен с входом второго разряда первого канала и входом первого разряда второго канала двухканального мультиплексора , а также с входом второго элемента НЕ, выход которого соединен с входом третьего разряда первого канала двухканального мультиплексора 1-го формирователя интерполяционных ядер в группе, кроме того, в каждом i-M формирователе интерполяционных ядер в группе вход четвертого разряда первого канала объединен с входом второго разряда второго канала двухканального мультиплексора и входом первого элемента НЕ, входы третьего ;и четвертого разрядов второго канала

СОЮЗ COBKTCHHX

CCU ÞÈ

РЕСПУБЛИК

Зш С 06 F 7/58

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ н ввтсвсвсмв сввввтвсвствт

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И О 1МРЫТИЙ (21) 3577404/18-24 (22) 08.04,83 (46) 07.08.84. Бюл. Ф 29 (72) В.Ф. Ким (53) 681.325(088.8) (56) 1. Бобнев И.П. Генерирование случайных сигналов. N., "Энергия", 1971, с. 104.

2. Авторское свидетельство СССР

Ф 767746, кл. G 06.F 7/58, 1978 (прототип). (54)(57) ГЕНЕРАТОР СЛУЧАЙНОГО ПРОЦЕССА, содержащий датчик случайных чисел, генератор косинусоидальных колебаний, три сумматора, два умножителя, группу формирователей интерполяцнонных ядер, каждый из которых содержит элемент задержки, два масштабирующих элемента, выходы первых масштабирующих элементов всех формирователей интерполяционных ядер группы соединены с соответствуюппюми входами первого сумматора, выход которого соединен с первым входом первого умножителя, второй вход которого является входом косинусоидальной составляющей спектра генератора, выходы вторых масштабирующих элементов всех формирователей интерполяционных ядер группы соединены с соответствующими входами, второго сумматора, выход которого соединен с первым входом второго умножителя, второй вход которого является входом синусоидальной составляющей спектра генератора, выходы первого и второго умножителей соединены соответственно с первым и вторым входами третьего сумматора, выход которого является выходом генератора, о т л и ч а ю,SU„„ I 107120 А шийся тем, что, с целью повышения точности, он содержит генератор синусоидальных колеб;.:ний, а каждый формирователь интерполяционных ядер содержит два элемента НЕ н двухканаль-, ный мультиплексор, выходы первого и второго каналов которого соединены соответственно с входами первого и второго маСштабирующих элементов, i-й (i=-N,N; 20 — число интерполяционных ядер генератора) выход датчика случайных чисел соединен с первым управляющим входом двухканального мультиплексора непосредственно и через элемент задержки — с его вторым управляющим входом в i-м форми- .Е рователе интерполяционных ядер в группе, i-й выход генератора косинусо," идальных колебаний соединен с входом первого элемента НЕ, выход которого соединен с входом первого разряда : Я первого. канала двухканального мультиплексора i-го формирователя интерполяционных ядер в группе, i-й выход генератора синусоидальных колебаний соединен с входом второго разряда первого канала и входом первого разряда второго канала двухкайального мультиплексора, а также с входом второго элемента НЕ, выход которого соединен с входом третьего разряда первого канала двухканального мультиплексора

1.-го формирователя интерполяционных ядер в группе, кроме того, в каждом х-м формирователе интерполяционных ядер в группе вход четвертого разря- . да первого канала объединен с входом второго разряда второго канала двухканального мультиплексора и входом первого элемента НЕ, входы третьего и четвертого разрядов второго канала

1107120 двухканального мультиплексора подключены соответственно к выходам.

Изобретение относится к вычислительной технике и предназначено для устройств, осуществляющих синтез моделей узкополосных случайных процессов с заданной спектральной плотностью.

Известен генератор случайных сигналов с заданной матрицей спектральных плотностей, содержащий первичный источник шума, многоканальный 1О блок формирования ядер спектральной плотности, выполненный на N парал-. лельно включенных селективных фильтрах с квадратом огибающей передаточной характеристики, тождественной 15 по форме спектральной плотности интерполяционного ядра, и частотой настройки, определяющей необходимую сетку частот, блок весовых коэффициентов и сумматор, обеспечивающий сложение 20 сформированных ядер P1).

Такое устройство не может обеспечить высокой точности формирования спектра и очень чувствительно к де- 25 стабилизирующим факторам, особенно в случае формирования процессов, у которых фильтр имеет очень большой показатель добротности, отношение центральной частоты к полосе пропус- щ кания.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является генератор случайного процесса, содержащий датчик случайных чисел, генератор косинусоидальных колебаний, три сумматора, два умножителя, группу формирователей интерполяционных ядер, каждый из которых содержит элемент задержки, два масштабирующих элемен- 4р та, выходы первых масштабирующих элементов всех формирователей интерполяционных ядер группы соединены с соответствующими входами первого сумматора, выход которого соединен 4> с первым входом первого уиножителя, второй вход которого является вхопервого и второго элементов

HE.

1 дом генератора косинусоидальной составляющей спектра, выходы вторых масштабирующих элементов всех формирователей интерполяционных ядер группы соединены с соответствующими входами второго сумматора, выход которого соединен с первым входом втоумножит6ля, второй го является синусоидальной составляющей спектра генератора, выходы первого и второго умножителей соединены соответственно с первым и вторым входами третьего сумматора, выход которого является выходом генератора .

Совокупность указанных элементов генератора позволяет повысить точность и стабильность синтезируемых спектральных характеристик сигнала 12 ).

Однако модулируемый аналитический шумовой сигнал формируется из вещественной и мнимой частей, причем мнимая часть получается путем рандомизации вещественной части сигнала, получаемого с датчика случайных чисел, и введением дополнительного временного сдвига Т/2. Такие компоненты сигнала не связаны парой преобразования Гильберта и, следовательно, спектральная плотность интерполяционного ядра получается искаженной.

Также энергетический спектр узкополосного сигнала получается всегда симметричным относительно частоты локализации.

Цель изобретения — повышение точности имитации спектра интерполяционного ядра и расширение функциональных возможностей синтезатора путем обеспечения формирования ассиметричного энергетического спектра модели узкополосного случайного процесса.

Для достижения поставленной цели в генератор случайного процесса, содержащий датчик случайных чисел, генератор касинусоидальных колебаний, три сумматора, два умножителя, груп1107120 пу формирователей интерполяционных ядер, каждый из которых содержит элемент задержки, два масштабирующих элемента, выходы первых масшта-.

;бирующих элементов всех формировате:леи интерполяционных ядер группы соединены с соответствующими входами первого сумматора, выход которого соединен с первым входом первого умножителя, второй вход которого явля" ется входом косинусоидальной составляющей спектра генератора, выходы вторых масштабирующих элементов всех формирователей интерполяционных ядер группы соединены с соответствующими входами второго сумматора, выход которого соединен с первым входом второго умножителя, второй вход которого является входом синусоидальной составляющей спектра генератора, выходы первого и второго умножителей соединены соответственно с первым и вторым входами третьего сумматора, выход которого является выходом генератора, введен генератор синусоидальных колебаний, а в каждый формирователь интерполяционных ядер введены два элемента НЕ и двухканальный мультиплексор, выходы первого и второго каналов которого соединены З0 соответственно с входами первого и второго масштабирующих элементов

Э

i-й (i=-N, N, 2N — число интерполяционньж ядер генератора) выход, датчика случайных чисел соединен с первым 35 управляющим входом двухканального мультиплексора непосредственно и через элемент задержки — с его вто- . рым управляющим входом в i-м формирователе интерполяционных ядер в 40 группе, i-й выход генератора косинусоидальных колебаний соединен с входом первого элемента НЕ, выход которого соединен с входом первого разряда первого канала двухканального 45. мультиплексора i-го формирователя интерполяционньж ядер в группе, i-й выход генератора синусоидальных колеб аний соединен с входом второго разряда первого канала и входом первого р зряда второго канала двухканальноа

50 го мультиплексора, а также с входом второго элемента НЕ, выход которого соединен с входом третьего разряда первого канала двухканального мультиплексора i-го формирователя интерпо55 ляционньж ядер в группе, кроме того, в каждом i-м Формирователе интерполяционных ядер н группе нход четвертого разряда перного канала объединен с нходом второго разряда второГо ка-. нала двухканального мультиплексора и входом первого элемента НЕ, входы третьего и четвертого разрядон второго канала двухканального мультиплексора подключены соответственно к выходам первого и второго элементов НЕ.

На чертеже приведена структурная схема генератора.

Генератор содержит группу формирователей 1 интерполяционных ядер, каждый из которых содержит двухканальный мультиплексор 2, масштабирующие элементы 3 и 4, элемент 5 задержки. Генератор содержит также датчик 6 случайных чисел, генератор 7 косинусоидальных колебаний.

Формирователи 1 содержат также элементы НЕ 8, а генератор в целом содержит генератор 9 синусоидальных колебаний. Формирователи 1 содержат также элемент НЕ 10, а генератор в целом содержит также сумматоры 11-13 и умножители 14 и 15 с входами 16 и 17 соответственно косинусоидальной и синусоидальной составляющих спектра.

Генератор работает следующим образом.

Датчик 6 случайных чисел генерирует (2N+ 1) статистически независимых случайных процессов х (iT), принимающих в дискретные моменты времени, кратные Т, значения нуль или единица с вероятностью 0 5. Генератор 7 косинусоидальных функций генерирует (2N+1) сигналов

С (t)= cos 2ла — = cos n9 и Т

1 где n — порядковый номер выхода генератора 7.

Генератор 9 синусоидальных колебаний генерирует (2N+ 1) сигналов

S>(t)= sin 2яп — = sin n

Т

У где n — порядковый номер выхода генератора 9.

Сигналы C„(t) и S„(t) образуют конечную ортогональную тригонометрическую систему функций °

Элемент 5 „. задержки блока 1 формирования сдвигает информацию с n-ro выхода датчика 6 на временной сдвиг

1107120 при

h (m — — )=.

0 при

1О

-1 при m — — =-—

2 2

h (m- — )=

4 2

1, 1

О при (ra- — (Ô—

21 2

1, 1

+1 при )m — — р= — .

2 I 2

= x>(iT-Т)+х„(1Т)-1, 30

Т синхронно с датчиком 6, при этом на входах управления i и (i-1) мультиплексором 2п формируются двухразрядные числа, значения которых определяют, какой из входов мультиплексора 2 должен бйть подключен к его выходу. Примем вход i мультиплексора 2g соответствующим младшему разряду числа, тогда при коде управления 00 открывается для.прохождения на соответствующий выход нулевой вход мультиплексора 2„; при коде

01 — первьй вход, при коде 10— второй вход, при коде 11 — третий вход. Так как информационные входы мультиплексора 2 связаны с выходами генераторов 7 и 9 либо непосредственно, либо через элементы 8> и 10„, то на его выходах имеем процесс, в пределах интервала Т которого случайным образ м может существовать одна из составляющих

81п n9 > 31п 11M> соз пЧ вЂ” cos n

Сформированные процессы после взвешивания в соответствующих элементах 3„ и 4„ группируются по четности формируемых спектров и суммируются на сумматорах 11 и 12, причем на выходе сумматора 11 имеем процесс с четной, а на выходе 12 с нечетной симметрией спектра, которые являются составными частями синтезируемого аналитического сигнала.

Если на входе 16 присутствует сигнал тождественно равный cos 2ТЕ е, а на входе 17 — sin 2УГ й, где Г, частота локализации, то на выходе генератора имеем узкополосный процесс, который описывается выражением

y(t) =A(t) соз 23Кф+В(й) sin 2I g„(t), p„(t)3 — про- 45 цесс иа выходе суммтора 11;

В(с)=В(р„, А (е), 15„(t)) — про, цесс на выходе сумматора 12;

g> - вес п-й составляющей, определяемый спектральной плотностью синтезируемого процесса и задаваемый элементами 3Ä и 4в, К (й) — четная составляющая сиги нала интерполяционного спектрального ядра

55 ФП (t) — нечетная составляющая сигнала интерполяционного спектрального ядра.

Формирование с n(t) осуществляется путем линейного преобразования сигнала с датчика 6 случайных чисел фильтром с импульсной характеристикой

Формирование p„(t) осуществляется аналогично, только импульсная характеристика фильтра имеет вид

Следовательно, можно записать алгоритм формирования п-го интерполяционного сигнала с четной симметрией ((t)= х (1Т)- 1/g)%hg(iT)= а с нечетной симметрией

p „(Е) =(x „(iT) — 1/Д«Ь „(1Т)

= x„(iT)-x„(iT-Т), где х (iT) — сигнал с и-го разряда п датчика 6, принимающий значения 0 или 1; знак свертки.

Составим таблицу состояний мультиплексора 2 для различных значений сигналов х „(iT) и x„(iT-Т), которые поступают йа соответствующие входы и (i-1) .

Из таблицы видно, что е(, () и

p„(t) не пересекаются, т.е. значащей величине одной из них соответствует нулевое другой. Следовательно, с(в(й) и pz(t) - функции взаимно ортогональиые.

Из таблицы также видно, что значение на входе весового узла 3> получается как результат преобразования

Э описываемого выражением ю(1 (t) coB ПЧ+ Pn(t) 81п nЧ

1107120

-sin n4

0 -cos пМ -I -cos пЧ sin пЧ 0

cos пЧ

-sin пЧ cos n4 +1

sin пЧ 0

-cos пЧ

sin nÌ -cos n9 -1

cos пЧ -sin пЧ 0 о-sin п9 0

cos nV +1

sin пЧ а на входе весового узла 4„

15„() сов n Y -o(„(t) sin и Ч

Следовательно, процессы A(t) и 5

B(t) на выходах соответствующих сумматоров 11 и 12 можно представить в виде

И

А(й) gn (de(t) ens nV+)tn(t) sin nVgpe

hn-М

Н

B(t)= Х g„(p„(t)ennead-s(n(t)sinnV) Учитывая последующие преобразования компонент A(t) и B(t), на выходе синтезатора получим

y(t) A(t)cos 2 м fot+ (t si " fotsn

-14

= g fof (t)cos 2((f + — ) + п Т

+pÄ(t)sin27 Кф+ — T) t) .

Из полученного выражения видно, что любая и-я составляющая синтезированного узкополосного. процесса

y(t) получается из компонент (t), причем каждая из этих составляющих формируется согласно таблице мультиплексированием гармонических сигналов с частотой "/Т, отличающихся друг от друга фазовым сдви35 гом, кратным Х/2, поюзакону, определяемому состояниями входов (i-1) и i мультиплексора 2 ), 40

После несложных преобразований и, учитывая, что любая .и-я пара интерполяционных аналитических сигналов статически независимы, можно записать результирующий спектр сигнала н в пл(Г-f -"/Т)

Т(Г Е пТ й

Как видно иэ выражения, частота локализации определяется значением

f, спектр может быть определен (2N+1) отсчетами, расположенными один относительно другого на частотном интервале, кратнОм 1/Т, интерполяционное ядро получено из пары составляк)щих, связанных одна с другой преобразованием Гильберта, при этом спектральная плотность модели узкополосного процесса определяется квадратом весовых коэффициентов g u

6 может быть ассиметричной относительной частоты f, что обеспечивает повышение точности имитации спектра интерполяционного ядра при одновременном расширении функциональных возможностей.

Используемый в испытательной аггпаратуре генерзтор случайных сигналов, взятый в качестве базового объекта, имеет сложное управление спектральными характеристиками, т.е. в нем требуется применение сложного математического аппарата для опреде-: ления весов дискретной импульсной характеристики формирующего фильтра путем факторизации спектральной плотности синтезируемой модели. Использование же предлагаемОго генератора позволяет существенно упростить подготовительные.вычислительные операции, тем самым значительно повысить удобство и.обеспечить оперативное управление спектральными характеристи.ками шума.

1107120

ВНИИПИ Заказ 5760/34 ТиРа к 699 Поу исное д, ул.Проектная,4