Генератор функций уолша

 

Генератор относится к автоматике и вычислительной технике. Он может быть использован в стохастических преобразователях информации, для решения задач вероятностного моделирования и обработки данных. Изобретение позволяет обеспечить возможность генерирования функций Уолша последовательно друг за другом со случайными номерами и случайными паузами между ними, изменяющимися в увеличенном интервале от нуля до N² тактов работы генератора. Генератор содержит n-разрядный счетчик 1, блок из n элементов И 2, сумматор по модулю два 3, триггер 4, элементы И 5,6, элементы ИЛИ 7,13, n-разрядный регистр 8, формирователь случайной последовательности импульсов 9, элементы И 10, 11, 2n-разрядный реверсивный счетчик 12, элемент И 14. 1 ил.

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в стохастических функциональных преобразователях, стохастических вычислительных устройствах, при вероятностном моделировании и обработке данных.

Известен генератор функций Уолша, содержащий первый и второй счетчики, группу элементов И, блок сумматора по модулю два, триггер, два элемента И (авторское свидетельство СССР N 781800, G 06 1/02, 1980 г.).

Однако, известный генератор обладает недостатком, заключающимся в том, что между последовательно генерируемыми функциями Уолша он формирует паузы, длительность которых равна периоду функций Уолша.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является генератор функций Уолша (авт. св. СССР N 1117622, кл. G 06 F 1/02, 1983). Устройство-прототип содержит n-разрядный счетчик (N-2ⁿ - число генерируемых функций Уолша), n-разрядный регистр, реверсивный счетчик, блок из n элементов И, сумматор по модулю два, триггер, первый, второй, третий и четвертый элементы И, первый и второй элементы ИЛИ, формирователь случайной последовательности импульсов n-разрядного счетчика подключен к тактовому входу генератора, выход одноименных разрядов этого счетчика и n-разрядного регистра подключены к соответствующим входам блока из n-элементов И, выходы которых подключены к входам сумматора по модулю два. Выход переполнения счетчика подключен к первому входу первого элемента ИЛИ, выход которого подключен к счетному входу триггера. Инверсный выход триггера и выход сумматора по модулю два подключены к входам первого элемента И. Вход формирователя случайной последовательности импульсов подключен к тактовому входу генератора, выход которого соединен с первыми входами второго и третьего элементов И. Второй вход второго элемента И соединен с первым входом четвертого элемента И и подключен к прямому выходу триггера. Второй вход третьего элемента И подключен к инверсному выходу триггера, а второй вход четвертого элемента И подключен к тактовому входу генератора. Выход второго элемента И подключен к последовательному входу регистра. Выходы третьего и четвертого элементов И подключены соответственно к суммирующему и вычитающему входам реверсивного счетчика, выходы которого поразрядно подключены к входам второго элемента ИЛИ. Выход второго элемента ИЛИ подключен к установочному входу счетчика и к второму входу первого элемента ИЛИ. Выход первого элемента И является выходом генератора.

Техническим недостатком этого генератора является то, что длительность случайных пауз, формируемых между генерируемыми функциями, может изменяться в узких пределах от нуля до длительности интервала ортогональности функций Уолша. Однако на практике в задачах вероятностного моделирования и стохастической обработки данных возникает необходимость генерирования функций Уолша со случайными паузами, изменяющимися в широких пределах от нуля до длительности периода формирования полной системы функций Уолша, т.е. от нуля до N² тактов работы генератора.

Цель изобретения - разработка генератора функций Уолша со случайными временными паузами, обеспечивающего генерирование указанных функций со случайными паузами, изменяющимися в широких пределах от нуля до длительности периода формирования полной системы функций Уолша, т.е. от нуля до N² тактов работы генератора.

Поставленная цель достигается тем, что в известный генератор функций Уолша, содержащий n-разрядный счетчик (N-2ⁿ - число генерируемых функций Уолша), реверсивный счетчик, n-разрядный регистр, блок из n элементов И, сумматор по модулю два, триггер, первый, второй, третий и четвертый элементы И, первый и второй элементы ИЛИ, формирователь случайной последовательности импульсов, при этом выходы одноименных разрядов n-разрядного счетчика и n-разрядного регистра подключены к соответствующим входам блока из n элементов И, выходы которого подключены к соответствующим входам сумматора по модулю два, выход переполнения n-разрядного счетчика подключен к первому входу первого элемента ИЛИ, выход которого подключен к входу триггера, инверсный выход триггера и выход сумматора по модулю два подключены к соответствующим входам первого элемента И, выход которого является выходом генератора функций Уолша, выход формирователя случайной последовательности импульсов соединен с первыми входами второго и третьего элементов И, второй вход второго элемента И соединен с первым входом четвертого элемента И и с прямым выходом триггера, второй вход третьего элемента И подключен к инверсному выходу триггера, выход второго элемента И подключен к входу n-разрядного регистра, выход второго элемента ИЛИ подключен к второму входу первого элемента ИЛИ, а вход формирователя случайной последовательности импульсов и второй вход четвертого элемента И объединены и являются входом генератора функций Уолша, выходы третьего и четвертого элементов И подключены соответственно к суммирующему и вычитающему входам реверсивного счетчика, выходы которого подключены к входам второго элемента ИЛИ, дополнительно введен пятый элемент И. Первый вход пятого элемента И подключен к входу генератора функций Уолша, а второй его вход - к инверсивному выходу триггера, выход пятого элемента И подключен к входу n-разрядного счетчика, причем второй элемент ИЛИ выполнен с инверсным выходом, а реверсивный счетчик выполнен 2n-разрядным.

Благодаря указанной совокупности существенных признаков в предлагаемом генераторе достигается возможность формирования случайного кода, который определяет длительность случайных пауз, изменяющихся в широких пределах от нуля до N² тактов работы генератора.

Заявленное устройство на чертеже поясняется структурной схемой генератора.

Генератор функций Уолша (фиг.1) содержит n-разрядный счетчик 1, блок из элементов И 2, сумматор по модулю два 3, триггер 4, второй элемент И 5, первый элемент И 6, первый элемент ИЛИ 7, n-разрядный регистр 8, формирователь случайной последовательности импульсов 9, третий элемент И 10, четвертый элемент И 11, 2n-разрядный реверсивный счетчик 12, второй элемент ИЛИ с инверсным выходом 13, пятый элемент И 14. Выходы одноименных разрядов счетчика 1 и регистра 8 подключены к соответствующим входам блока из n элементов И 2, выходы которых подключены к одноименным входам сумматора по модулю два 3. Выход переполнения счетчика 1 подключен к первому входу первого элемента ИЛИ 7, выход которого подключен к счетному входу триггера 4. Инверсный выход триггера 4 и выход сумматора по модулю два 3 подключены к входам первого элемента И 6, выход которого является выходом генератора 16 функций Уолша. Выход формирователя случайной последовательности 9 соединен с первыми входами второго И 5 и третьего И 10 элементов. Второй вход второго элемента И 5 соединен с первым входом четвертого элемента И 11 и с прямым выходом триггера 4. Второй вход третьего элемента И 10 подключен к инверсному выходу триггера 4, а также к второму входу пятого элемента И 14, выход которого подключен к входу n-разрядного счетчика 1. Выход второго элемента И 5 подключен к последовательному входу n-разрядного регистра 8. Первый вход пятого элемента И 14, второй вход четвертого элемента И 11 и вход формирователя случайной последовательности импульсов 9 объединены и являются тактовым входом генератора функций Уолша 15. Выходы третьего И 10 и четвертого И 11 элементов подключены соответственно к суммирующему и вычитающему входам n-разрядного реверсивного счетчика 12, выходы которого поразрядно подключены к входам второго элемента ИЛИ 13. Выход второго элемента ИЛИ 13 подключен к второму входу элемента ИЛИ 7.

Входящие в общую структуру схемы элементы известны и описаны в технической литературе (Микросхемы и их применение. Справочник. Пособие/В.А.Батушев, В. Н.Вениаминов, В.Г.Ковалев и др. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1984, 272 с; Потемкин И.С. Функциональные узлы цифровой автоматики. - М. : Энергоатомиздат, 1988, 320 с.). Например, в кн. "Цифровые интегральные микросхемы". Справочник /М.И.Богданович. И.Н.Грель и др. - Минск: Беларусь, 1991, 272 с. Описаны элемент И - на с.46, рис.2.9; элементы: ИЛИ - на с.60-62, рис.2.15; триггер - на с.112-113, рис.2.50,б; 2ⁿ-разрядный реверсивный и n-разрядный счетчик - на с. 137-139, рис.2.68 и 2.69; n-разрядный регистр - на с.178, рис.2.99-2.100; сумматор по модулю 2 - на с.251, рис.2.170.

В качестве формирователя случайной последовательности импульсов может быть использован любой формирователь, отвечающий требуемым функциональным признакам (например, формирователь, используемый в прототипе предлагаемого генератора). Вариант построения схемы формирователя случайной последовательности импульсов, реализованный на известных элементах, приведен в кн. Бобнева М.П. Генерирование случайных сигналов. Изд. 2-е, -М.: Энергия, 1971, с.145, рис.6-7.

Генератор функций Уолша работает следующим образом.

В исходном состоянии n-разрядный счетчик 1, 2n-разрядный реверсивный счетчик 12 и триггер 4 обнулены. В момент включения n-разрядный регистр 8 устанавливается в случайное положение. Тактовые импульсы начинают поступать на первый вход пятого элемента И 14, на вход формирователя случайной последовательности импульсов 9 и на второй вход четвертого элемента И 11. Так как триггер 4 находится в нулевом состоянии, "1" с его инверсного выхода поступает на второй вход пятого элемента И 14 и второй вход третьего элемента И 10, открывая их. В результате тактовые импульсы поступают в счетчик 1. Счетчик 1 формирует функции Радемахера, которые через блок элементов И 2 в соответствии с кодом номера функции Уолша, находящимся в регистре 8, поступают на входы сумматора по модулю два 3. Функции Уолша, сформированные на выходе сумматора по модулю два 3, через открытый первый элемент И 6 выдаются на выход генератора функций Уолша 16.

Формирователь случайной последовательности импульсов 9 осуществляет случайное дробление тактовых импульсов, поступающих на его вход. Случайные импульсы с выхода формирователя 9 поступают на закрытый второй элемент И 5 и через открытый третий элемент И 10 на суммирующий вход 2n-разрядного реверсивного счетчика 12. После заполнения счетчика 1 сигнал переполнения с его выхода через элемент ИЛИ 7 опрокидывает триггер 4, закрывая выход генератора первым элементом И 6 и суммирующий вход 2n-разрядного реверсивного счетчика 12 третьим элементом И 10. Счетчик 1 остается в нулевом состоянии, так как на его счетный вход тактовые импульсы не поступают, поскольку пятый элемент И 14 закрывается вследствие поступления на его второй вход "0" с инверсного выхода триггера 4. Таким образом, к моменту переключения триггера 4 на выход генератора выдается функция с номером, заданным кодом на регистре 8, а на 2n-разрядном реверсивном счетчике 12 сформирован код, определяющий длительность последующей за выданной функцией паузы, причем длительность ее может изменяться от нуля до длительности периода формирования полной системы функций Уолша, т.е. от нуля до N² тактов работы генератора.

После переключения триггера 4 случайные импульсы начинают поступать на последовательный вход n-разрядного регистра 8, формируя к моменту следующего переключения триггера 4 случайный номер очередной функции Уолша. Тактовые импульсы, поступающие через открытый четвертый элемент И 11 на вычитающий вход 2 n-разрядного реверсивного счетчика 12, начинают уменьшать содержимое счетчика 12 и в момент его обнуления импульс с инверсного выхода второго элемента ИЛИ 13 через первый элемент ИЛИ 7 опрокидывает триггер 4. На этом пауза случайной длительности заканчивается.

С инверсного выхода триггера 4 на второй вход пятого элемента И 14 поступает "1", в результате на счетный вход n-разрядного счетчика 1 через открытый пятый элемент И 14 начинают поступать тактовые импульсы, под воздействием которых через открытый первый элемент И 6 начинается выдача следующей функции Уолша с номером, определяемым кодом регистра 8.

Предлагаемый генератор может использоваться в стохастических преобразователях информации для решения широкого класса задач вероятностного моделирования за счет возможности генерирования функций Уолша последовательно друг за другом со случайными номерами и случайными паузами между ними, изменяющимися в увеличенном интервале от нуля до N² тактов работы генератора.

Формула изобретения

Генератор функций Уолша, содержащий n-разрядный счетчик, реверсивный счетчик, n-разрядный регистр, блок из n элементов И, сумматор по модулю два, триггер, первый, второй, третий и четвертый элементы И, первый и второй элементы ИЛИ, формирователь случайной последовательности импульсов, при этом выходы одноименных разрядов n-разрядного счетчика и n-разрядного регистра подключены к соответствующим входам блока из n элементов И, выходы которого подключены к соответствующим входам сумматора по модулю два, выход переполнения n-разрядного счетчика подключен к первому входу первого элемента ИЛИ, выход которого подключен к входу триггера, инверсный выход триггера и выход сумматора по модулю два подключены к соответствующим входам первого элемента И, выход которого является выходом генератора функций Уолша, выход формирователя случайной последовательности импульсов соединен с первыми входами второго и третьего элементов И, второй вход второго элемента И соединен с первым входом четвертого элемента И и прямым выходом триггера, второй вход третьего элемента И подключен к инверсному выходу триггера, выход второго элемента И подключен к входу n-разрядного регистра, выход второго элемента ИЛИ подключен к второму входу первого элемента ИЛИ, а вход формирователя случайной последовательности импульсов и второй вход четвертого элемента И объединены и являются входом генератора функций Уолша, выходы третьего и четвертого элементов И подключены соответственно к суммирующему и вычитающему входам реверсивного счетчика, выходы которого подключены к входам второго элемента ИЛИ, отличающийся тем, что дополнительно введен пятый элемент И, первый вход пятого элемента И подключен к входу генератора функций Уолша, а второй его вход - к инверсному выходу триггера, выход пятого элемента И подключен к входу n-разрядного счетчика, причем второй элемент ИЛИ выполнен с инверсным выходом, а реверсивный счетчик выполнен 2n-разрядным.

РИСУНКИ

Рисунок 1