Управляемый вероятностный преобразователь

 

Социалистических

Республик (6|) Дополнительное к авт. свнд-ву (22) Заявлено 29.12.75 (24) 2310574/18-24 с присоединением заявки ¹ (23) Приоритет (43) Опубликовано 25.12.78.Бюллетень № 47 (45) Дата опубликования описания 18.12.78

15/00

1(ог

Госудерствеикый кеметет

Сенате Мниеетроз СССР ее делам изабретеней и етерытне (72) Авторы изобретения

З. A. Баканович, М. А. Орлов, С, Ф. Костюк и В. П. Шмерко (71) Заявитель

Минский радиотехнический институт (51) УПРАВЛЯЕМЪ|Й ВЕРОЯТНОСТНЪ|Й ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано при создании стохастических вычислительных и моцелирующих машин и для построения цифровых управляюших имитаторов случайных воздействий. 5

Известен управляемый вероятностный преобразователь, содержащий генератор случайных импульсов, регистр сдвига, блок элементов И, элементы HJ1H, блок источников шумов (lj. Однако этот нреобразователь имеет ограниченные функциональные возможности, так как формирует только интервалы времени с оцномерным распределением, Наиболее близким техническим решением к изобретению является управляемый вероятностный преобразователь, соцержащий блок элементов И, выхоцы которых соецинены с входами первого элемента

HJIH, первые вхоцы — с выхоцами вероятностного (1,p ) — ттолюсника, а вторые вхоцы — с выходами блока памяти, первая группа вхоцов которого поцключена к выхоцам регистра сцвига, а вторая группа вхоаов — к выходам блока уоравоакан(2). Однако этот преобразователь не обеспечивает формирование групп случайных чисел, каждое из которых независимо от цругих распределено по требуемому закону, а временной иптервал между группами чисел является непрерывной случайной величиной с зацанным законом распрецелення, Целью изобретения является расширение области применения преобразователя.

Для этого преобразователь цополнительно содержит первый, второй, третий, четвертый и пятый элементы И, первый и второй триггеры, первый и второй счетчики, первый и второй блоки выцачи кодов, первый, второй и третий генераторы импульсов и второй элемент ИЛИ, выхоц которого подключен к вхоцу вероятностного (1Д)— полюсника, к первым вхоцам регистра сдвига и первого и второго элементов И, а вхоцы — к выходам третьего и четвертого элементов И, первые вхоцы которых соецине IbE с выхоцами первого триггера соот638995 ветственно, а вторые вхоцы — с выходами, первого и второго генераторов импульсов соответственно, входы которых поцключены к последнему выходу блока управления, вхоц которого соецинен с вторым входом s регистра сдвига, с входом первого триггера, с первыми вхоцами второго триггера, первого и второго счетчиков, первого и второго блоков выдачи кодов, с первым

Выходом преобразователя и с выходом вто- O рого элемента И, второй вхоц которого соецинен с прямым выходом первого элемента ИЛИ, инверсный выход которогопоцключен к второму вхоцу первого алемента

И, выхоц которого соединен с вторыми вхоцами первого счетчика и второго триггера,,выход которого соединен с первым входом пятого элемента И, второй вход которого подключен к выхоцу третьего генератора импульсов, а выхоц — к второму 2О входу второго счетчика, выход которого соединен с вторым вхоцом второго блока выцачи кодов, выхоц которого является вторым выходом преобразователя, второй вхоц первого блока выдачи кодов соединен -> с выходом первого счетчика, а выхоц является третьим выхоцом преобразователя.

Благодаря этим отличиям управляемый вероятностный преобразователь обеспечивает формирование групп случайных чисел, О кажцое из которых независимо от других распределено по требуемому закону, а временной интервал между группами чисел является непрерывной случайной величиной ,с заданным законом распределения.

На чертеже изображена структурная схема управляемого вероятностного преобразователя.

Предлагаемое устройство содержит (l, tI) — полюсник 1, блок элементов И 2, 4о первый элемент ИЛИ 3, четвертый 4 и пятый 5 элементы И, первый счетчик 6, первый блок 7 выдачи кодов, блок 8 памяти, блок 9 управления, первый триггер

10, регистр 11 сдвига, третий генератор 4

12 импульсов, первый алемент И 13, второй счетчик 14, второй блок 15 выдачи коцов, второй элемент И 16, первый генератор 17 импульсов, второй алемент

ИЛИ 18, второй триггер 19, третий алемент И 20 и второй генератор 21 импульсов»

Выходы вероятностного (l,d) — полюсника 1 гоцключены к первым входам блока элементов И 2, вторые входы кото- рого соединены с соответствующими выходами блока 8 памяти, а выходы с входами первого элемента ИЛИ 3, инверсный и прямой выходы которого подключены к вторым входам соответственно первого

13 и второго 16 элементов И, первые входы которых соединены между собой и с вхоцом вероятностного (l,п) — полюсника 1, с первым входом регистра 11 сцвига и с выхоцом второго элемента ИЛИ

18, выхоц первого элемента И 13 подклк чен к второму входу первого счетчика 6 и второму входу второго триггера 19, BbI» ход первого счетчика 6 подключен к первому вхоцу первого блока 7 выдачи кодов, соециненного выходом с третьим входом преобразователя, при этом вторые вхоцы первого счетчика 6 и первого блока 7 выдачи кодов соецинены между собой, с выходом второго элемента И 16, с первым входом второго триггера 19, регистра 11 сдвига, второго счетчика 14 и второго блока 15 выдачи кодов, а также с входом блока 9 управления, счетным вхоцом первого триггера 10 и с первым выходом преобразователя, второй выход которого поцключен к выхоцу второго блока 15 выдачи кодов, соединенного вторым входом с выходом второго счетчика 14, второй вход которого подключен к выходу пятого элемента И 5, соединенного первым входом с выхоцом второго триггера 19, а вторым входом — с выходом третьего генератора 12, при атом выходы регистра

l l сдвига погключены к первой группе адреснык входов блока 8 памяти, с второй группой ацресных входов которого соединены выходы блока 9 управления, последний выход которого подключен также к управляющим входам первого 17 и второго 21 генераторов импульсов, выхоцы которых соединены с вторыми входами соответственно третьего 20 и четвертого

4 элементов И, первые вхоцы которых подключены соответственно к прямому и инверсному выходам первого триггера 10„ а выходы третьего 20 и четвертого 4 элементов И соецинены с входами второго элемента ИЛИ 18.

Управляемый вероятностный преобразователь имеет особенности выполнения и настройки от цельных узлов.

Так, вероятностный (1, т) ) — полюсник

1 является неперенастраиваемым, и по каждому импульсу опроса на оцном из его выходов устанавливается единичный потенциал, в то время, как на других устанавливаются нулевые потенциалы, при атом вероятность установления единичного потенциала на l -м вьп оце, ) -1,2 „,,Q, равна величине -2, т,е. цля пер63899 вого BbIxDQB (I -1) величина g -0,5, цля второго (t -2)g 0,25 и т. а.

Первый 17 и второй 21 генераторы импульсов являются регулярными, несинхронизированными, перенастраиваемыми и 5 настроенными на оцинаковые выхоцные частоты, которых, в общем случае, имеется цва различных значения; высокая частота — для режима генерирования группы случайных чисел, и низкая — для режима 10 формирования случайного временного интервала межцу группами случайных чисел.

При работе преобразователя оцновременное переключение частот генераторов происходит по сигналам из блока 9 управления.

Блок 8 памяти содержит и зон по Fthm ячеек в каждой . зоне. Выбор j — той зоны определяется присутствием единичного потенциала на — ом выходе, ) 1,2.„2О

Р, блока 9 управления. Выбор и перецача на выхоц блока 8 памяти коца, хранящегося в K-ой ячейке ) — ой зоны блока

8 памяти, обеспечивается присутствием единичного потенциала на К-ом выходе, К1,2,..., Я, регистра 11 сцвига.

Регистр 11 сцвига устроен таким образом, что импульсные сигналы, поступающие на его первый вхоц, осуществляют процвижения единичного потенциала от дан- ного выхода регистра к следующему, при атом продвижение всегда происходит в направлении возрастания номера к выхоца, т. е. к=1 цо к Tg, импульсные сигналы, 2 Я поступающие на второй вхоц регистра 11, -нулевых потенциалов на остальных выходах регистра, Блок 9 управления устроен таким образом, что импульсные сигналы, поступающие на вход, осуществляют. продвижение

40 единичного потенциала с ) -ro выхоца на (J +1}-й, при этом, если единичный потенциал присутствовал на и -ом выходе блока 9 управления, то входной импульс устанавливает единичный потенциал на первом выходе блока 9 управления (на остальных выхоцах устанавливаются нулевые потенциалы), Счетчики 6 и 14 осуществляют перерасчет импульсов, поступающих на их вторые вхоцы, а по импульсному сигналу, поступающему на их первые входы, счетчики устанавливаются в нулевое состояние, Блоки 7 и 15 выцачи кодов обеспечивают по сигналам, поступающим на их

Я первые входы, передачу коцов с выхоцов счетчиков на соответствующие выхоцы пре образ ователя.

6

Второй триггер 19 по сигналу, посту лающему па его второй вхоц, устанавливается в нулевое состояние, El Ilo сигналу, поступающему HG первый вхоц-, в единичное.

Третий генератор 12 импульсов настроен таким образом, что частота его выхоцного потока превышает высокую частоту первого 17 и второго 2 1 генераторов в

2>2 раза, гце 9< -разряцность второго счетчика 14.

Первый счетчик 6 имеет разрядность с 1, при атом регистр 11 сдвига имеет разряцность щ 2 1

Случайные числа, вырабатываемые преобразователем, соцержат старшие разряды, снимаемые с третьего выхода, и младшие, снимаемые с второго выхоца и приписываемые (условно) к старшим беэ цополнительного преобразования. Распределение всего числа, а распрецеление младших, как будет показано дальше, является равномерным и предназначено цля увеличения разряцности чисел, вырабатываемых преобразователем. Разрядность выхоцного числа преобразователя равна 5 81+ 9 °

Перец началом работы в блок 8 памяти заносятся коды, определяющие виц закона распределения цля кажцого из случайных чисел и временного интервала межцу группами чисел, а также устанавливаются высокая и низкая частоты цвух первых генераторов 17 и 21 и соответствующая частота третьего генератора 12.

Исходное состояние преобразователя рассмотрим в момент окончания случайного в рpеeмMеeнHнHо0г о 0 иHнHт еeр в а ла, длившегося с момента окончания формирования последнего случайного числа предшествовавшего группе случайных чисел. СМетчики 6 и 14 переходят в нулевое состояние, блок 9 управления и регистр 11 сдвига перехоцят в первое состояние, а триггеры 10 и 19 — в ециничное (хотя состояния первого триггера 10 равноправны.. Первый 17 и второй 21 генераторы импульсов включаются в режим высокой частоты.

Формирование случайного равномернораспрецеленного числа во втором счетчике

14 происхоцит следующим образом. Так как второй триггер 19 нахоцится в ециничном состоянии, то на первом вхоце пятого элемента И 5 присутствует потенциал, разрешающий прохожцение импульсов от третьего генератора 12 на второй вход второго счетчика 14, осуществляющего подсчет атих импульсов. Второй счетчик

14 работает до момента появления перво36е ус» г (3) го импульса на выходе одного из элементов»» 13 или 16 °

Появление импульса на выходе второго элемента И 16 Означает окончание формирования очередного случайного чисЛае ПРИ ЭТОМ В CTBPUIBX РаЗРЯ пах, СОГЛПСно исходному состоянию первого счетчика

6, записаны нули, а коц млацших разряцов определяется состоянием. второго счетчика 14. После выцачи кодов через блоки Я

7 и 15 на выход преобразователя второй счетчик 14 обнуляется и начинает новый счет импульсов от третьего генератора

12 так как второй p»» » p OOYQ» F » B

»

ЕДИНИЧНОМ СОСТОЯНИИ, 15

Если первый импульс после начала формирования очерецного случайного числа появился на выходе первого элемента И 13, то это означает, что формирование кода младших разряцов закончено, а формирование коца старших разрядов будет продолжено, при этом первый счетчик 6 переходит из исходного в первое состояние„ а второй счетчик 14 прекращает счет и хранит зафиксированный код до окончания формирования старших разряцов очсрецного случай»»ого числа, так как импуль" с выхоца первого элемента»1 13 переводит второй триггер 19 в нулевое состояние, B результате чего на первом входе Зо пятого элемента И 5 устанавливается нулевой потенциал, запреща»ощий прохожденне через этот элемент потока импульсов от третьего генератopa 12„

Коды„формируел»ые во втором счет ..ике

14, имеют равномерное распределение, как результат изменения временно1 о интервала между произвольными импульсами потока оцного из генераторов 17 и 21 и ближайшим импульсом в потоке другого генератора. Зти коды коррелированы и значение коэффициента корреляции зависит от степени флуктуации частот первого 17 и второго 21 генераторов импульсов, имеющей место во всех реальных генераторах. Однако за счет того, что старшие разряды случайного числа, формируемого преобразователем, независимы„выходные числа преобразователя являются некорре50 лированными. Применение рассмотренного способа формирования равномерно распре*деленных (слабо коррелированных) кодов младших разрядов выходного случайного числа, существенно упростило конструк55 цию преобразователя, так как не требует дополнительных источников случайных сигналов и дополнительного преобразователя эти сигну»у»рв в равномер»»о распрецг лен н»»е»е од»о», За счет поочерец»»ого использования первого 17 и второго 2 1 генераторов импульсов в процессе формирования случайных чисел обеспечивается простая организация формирования кода младших разрядов при нулевом состоянии первого счетчика 6 а также умеььшается коррелированность этих коцов

Принцип работы управляемого вероятностного преобразователя основан на провецении последовательности независимых случайных испытаний до первого положительного исхода, после которого цля формирования нового случайного числа последовательна=ть указанных испытаний начинается сначала. При этом осуществляется операция вероятностного преобразователя код-Веооятнос -ь", Пусть испытание заключается в опросе первых вхоцов первого 13 и второго

16 элементов».», при "òîì прохождению импульса опроса через второй элемент

1» 3 6 соответствует положительный исхоц испытания, а.через первый элемент И 13отрицательный.

Обозначим л», вероятность положительного исхода к — го по счету испытания в данной последовательности, а мк=1-.Р к есть вероятность отрицательного исхода

V — го испытания, Тогда вероятность первого положительного исхоца при K — ом исПЫе аНИИ, он=3 е2,елее» % е

Пусть F к — значение воспроизвоцимой интегральной функции распределения циснйеоной олуненной нелнчнны Кй» 1,2,...ill > а 6 FK=F к-F к -1 есть значение функции плОт» ности распределения указанной случайной величины (F О). Тогда из равенства р к=- g )= к (2) нетрудно установить связь между значениями функции распрецеления случайной величины К-номером испытания, имевшего положительный нсхоц, и вероятностями положительного исхода в каждом из возможных испытаний:

Кодированное значение выхоцного случайного числа К, снимаемого с третьего выхоца преобразователя, на единицу меньIlls. НОМЕРЯ ИС«Ь>ТЯ ИИ Я С П ЙГ! ОЖИТЕ?1Ь«1i> К5 15CХ ОЯОМ, Т, >5 >5- >, >5" e(О, 1,2,..., (»> I) >> ц и соответствует количеству последователь- иых испытаний до первого положительного исхоца. Присутствие единичного потенциала а к1 =1 р ôp)â к-ом испытании на

-ом выхоце блока 8 памяти обеспечивает возможность прохожцения еци«ичного сигналя с 1 -го выхоця вероятностного (1, !1 ) — полюсника 1 через -ый элемент И блока 2 и первый элемент ИЛИ 3 на второй вхоц второго элемента И 16, обеспечивая возможность прохождения че15 рез эту схему очередного импульса опроса, поступающего на первый вхоц второго элемента И 16. С учетом того, что присутствие еди«ичного сигнала на -ом выходе вероятностного (1, И ) — полюсника

20 является случайным событием с вероятностью поступления . = 2, можно за-1 писать вероятность положительного исхоця в К-ом испытании тт

f Ê 1<()! (5)

Таким образом, с помощью вероятностного (1, 51 ) -полюсника 1 блока элементов И 2 и первого элемента ИЛИ 3 осу-ЗО ществляется преобразование вых оцного коца блока 8 памяти, представленного сигналами Q g,, в вероятность Р к положительного исхода к-ro испытания, при этом блок элементов И 2 реализует операцию перемножения величин а - и Д, 5 а элемент ИЛИ 3 реализует ойерацию суммирования результатов перемножения согласно выражению (5). Введение в блок 8 памяти кодов, задающих /Э < в соответствии с выражением (3), обеспечивает возможность формирования любой требуемой функции распределения кодов старших разряцов выхоцного числа преобразователя, При кажцом неуспешном испытании им- 45 пульсом с выхода второго элемента ИЛИ

18, прохоцящим через первый элемент

И 13, в первый счетчик 6 цобавляется единица, регистр 11 сдвига переводится в (К+1) -ое состояние, а на выходе вероятностного (1, !т )-полюсника 1 устанавливается новая случайная комбинация сигналов. При успешном исходе испытания импульсом с выхода второго элемента И

16 осуществляется, в частности, перевоц блока 9 управления из j -го в (j +1)-ое состояние, а регистра ll. сцвига — из К го в первое состояние, чем обеспечивает15-> г 5> >1 О 1Г>>то>>к я к фор! 1«1>он:»1« !«() + 1 ) -I 0

С IÚ Ч>>й И ОГО ЧИСЛЯ> И К> > Р >И!Е! 0 ИЕЗ >ВИСЯ И(ЕЕ

От цругих чисел рас«ределение. (! о Ок опчем>ие>и формирования группы и > (>т — 1) случайных чисел блок 9 у«рявлеиия переходит в состояние с номером !т обеспечивая последую«1ук> выборку из блока 8 памяти коцов, определяюищх закон расирецеления врек>енных интервалов межцу группами чисел, и переключая первый

17 и второй 21 генераторы в режим низкой частоты, Дальнейшая работа управляемого вероятностного преобразователя полностью совпадает с ряссл>отренной. Пр!! этом временной интервал цо первого положительного исхода испытания при ом состоянии блока 9 управления содержит случайное целое число тактов межцу сигналами оцного из первых цвух геиератОрОв 1 7 или 2 1, я также случайный равномерно распрецелеиный отрезок времени цо прихода первого импульса опроса на первые вхоцы первого 13 и второго 16 элементов И. Устанавливая требуел>ые з«ачеиия «изких частот работы первых двух генераторов 17 и 21, можно управлять интенсивностью слецования групп c"!учайных чисел в любом требуемом циапазоне, при этом ие требуется никакой цополнительной перенастройки преобразователя, TAK как закон распрецеления формируемых чисел и временного и«тервала межцу групт1а?.5« чисел не зависит от значений частот первых цвух генераторы 17 и 21 импульсовв, Первый выхоц управляемого вероятностного преобразователя может быть Ilcпользова«цля снятия случайных временных интервалов межцу его выходными импульсами, имеющими распрецелеиия, совпадающие с соответствующими распрецеления. ми формируемых случайных чисел и случайного временного интервала между группами случайных чисел, Технико-экономическая эффективность управляемого вероятностного преобразователя определяется его более широкими по сравнению с известными аналогами функциональными возможностями, сочетающимися при этом с относительно.простой структурой, и возможностью выполнения его целиком на базе элементов цифровой вычислительной техники, в том числе с применением микросхем, что открывает возможности построения высокочастотных, с широкими функциональными возможностями, малогабаритных и нецорогих преоб- разовятелей.

638!Зс,5

И Заказ 7285/Э9

668 Подписное ал ПРП Патент род,ул. Проеггная, 4

Эормупа изобретали

Управляемый вероятностный преобразователь, содержащий блок элементов И, выходы которых соединены с входами пер5 ! ,вого элемента ИЛИ, первые входы — c выхоцами вероятностного (1,й ) — полюсника, а вторые входы — с выходами блока памяти, первая группа входов которого

10 подключена к выходам регистра сдвига, а вторая группа вхоцов — к выходам блока управления, отличающийся тем, что, с целью расширения области применения преобразователя, он цополии35 тельно соцержит первый, второй, третий, четвертый и пятый элементы И, первый и второй триггеры, первый и второй счет.— чики, первый и второй блоки выцачи кодов, первый, второй и третий генераторы импульсов и второй элемент ИЛИ, выход которого подключен ко входу вероятностного (1,Д) — полюсника, к первым входам регистра сдвига и первого и второго эле ментов И, а входы - к выходам третьего и четвертого элементов И, первые входы которых соединены с выходами первого триггера соответственно, а вторые вхоцы

- с выходами первого и второго генераторов импульсов соответственно, входы которых подключены к послецнему BbD.Däó. блока унравпения, вхоц которого соединен с вторым входом регистра сдвига, с входом первого триггера, с первыми входами второго триггера, первого и второго счетчиков, первого и второго блоков выцачи кодов, с первым выходом преобразователя и с выходом второго элемента

И, второй вход которого соединен с прямым выходом первого элемента И.с|И, инверсный выход которого поцключен к второму акопу первого элемента И, выход которого соединен с вторыми входами первого счетчика и второго триггера, выход которого соединен с первым входом пятого элемента И, второй вход которого поцключен к выходу третьего генератора импульсов, а выход — к второму входу второго счетчика, выход которого соединен с вторым входом второго блока выдачи кодов, выход которого является вторым выходом преобразователя, второй вход первого блока выдачи кодов соединен с выходом первого счег ика, а выход явссяется третьим выходом преобразователя.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1. Авторское свидетельство СССР

% 312253, М„Кл, G 06 F 1/02, 1970.

2. Авторское свидетельство СССР

J4279167-, М„Кл . C 06 F 1/02, 1969.