Генератор случайного процесса

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свкд-ву (22) Заявлено 18.10.79 (21) 2830643/18-24 с присоединением заявки No (23) Приоритет

Опубликовано230781 Бюллетень Но27

Дата опубликования описания 23. 07. 81 (is>84921 3

Союз Советскмя

Социалистическнк

Республик

J

5 (si) . кл 3

G 06 F 7/58

G 07 С 15/00

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (5З) УДК681. 325 (088 ° 8) (72) Авторы изобретения

В.Н. Ярмолик, A.E. Леусенко и А.Н. Мороз

Минский радиотехнический институт (71) Заявитель (54) ГЕНЕРАТОР СЛУЧАЙНОГО ПРОЦЕССА

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть исполь-„ зовано в качестве блока специализированной электронной вычислительной машины для получения случайных

5 процеосов, в качестве задающей аппаратуры для воспроизведения случайных вибраций при исследований надежности и правильности функционирования изделий различного назначения с по-. мощью вибростендов.

Известны генераторы случайного процесса, содержащие полосовые фильтры, в которых предусмотрена ру-.ная . регулировка уровня выходного сигнала. 15

Генераторы содержат устройства для генерирования случайных процессов, содержащие контур обратной связи.

В этих устройствах случайный процесс с тем или иным видом спектра 20 получается путем задания определяемого уровня выходного сигнала на выходе каждого фильтра с последующим суммированием их на суммирующем устройстве (1) .

Однако нестабильность элементов (L,С-элементы) сказывается на стабиль- ности основных характеристик генератора случайных процессов, а при фор мирования инфранизкочастотных слу- 30 чайных процессов возникают затрудне ния. Кроме того, процесс задания требуемого вида спектра трудоемкий и длительный

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является генератор случайного процесса, содержащий блок тактовых частот, выходы которого соединены с входами m мультиплексоров, выходы которых соединены с входами m источников шума,,и m цифровых фильтров, вторые входы цифровых фильтров соединены с выходами источников шума, а выходы через в источников опорного сигнала соединены с входами коммутаторов, другие входы которых объединены с входами мультиплексоров и через а дешифраторов соединены с выходами m регистров кода, а выходы коммутатора соединены с входами и фильтров низких частот, выходы которых подключены к входам сумматора (2J;

Недостаток известного генератора состоит в методической погрешности задания требуемого спектра, что объясняется кусочно-постоянной аппроксимацией спектральной плотности мощ,ности. Наиболее существенным оказы,вается влияние кусочно-постоянной.

849?11

,аппроксимации на точность задания спектров при имитации широкополосных случайных вибропроцессов, для которых характерно наличие н спектральной характеристике резонансных всплесков провалов.

Цель изобретения — повышение точности генератора.

Поставленная цель достигается тем, что н генератор, содержащий блок генераторов тактовых частот, выходы которого соединены с входами группы мультиплексоров соответственно, входы которых объединены с первыми нходагли соответствующих коммутаторов и подключены к выходам соответствующих дешифраторов, входы которых подключе- 15 ны к выходам соответствующих регистров кода, выходы мультиплексоров соединены с входами соответствующих источников шума и первыми входами соответствующих цифровых фильтрон, выхо- Щ ды которых соединены с первыми входами соответствующих источников опорного сигнала, выходы которых соединены с вторыми входами соответствующих.коммутаторов, выходы которых cîåдинены с соответствующими входами фильipoB низких частот, выходы которых соединены с входами сумматора соответственно, введены первая и вторая группы элементов И, группа элементов ИЛИ-НЕ, группа сумматоров по модулю два, группа элементов задержки, группа вероятностных двоичных элементов и группа триггеров управления, единичные и нулевые выходы которых соединены соответственно с первыми входами элементов И-НЕ группы и,элементов И второй группы, выходы которых соединены с первыми входами соответствующих сумматоров по модулю два группы, выходы кото- 40 рых соединены с входами соответствующих цифровых фильтров группы и элементов задержки группы соответственно, выходы которых соединены с вторыми входами соответствующих 4 элементов И второй группы и элементов И-НЕ группы, выходы которых соединены с первыми входами элементон И гервой группы, соответственно, выходы которых соединены с вторыми входами соответствующих сумматоров по модулю два группы, выходы источников шума группы соединены с входами вероятностных двоичных элементов группы, соответственно, первые и вторые выходы которых соединены с вторыми входами элементов И первой группы и источников опорного сигнала, соответственно.

На фиг. 1 приведена структурная схема генератора случайного процесса; gp на фиг, 2, 3а и 5a — функциональные схемы блоков генератора; на фиг. Зб, Зв,5б и 5a — временные диаграммы; на фиг. 4, б и 7 — зависимости, частотных характеристик.

Генератор содержит блок 1 генераторов тактовых частот, m мультиплексоров 2, m источников 3 шума,,m цифровых фильтров 4, m источников 5 опорного сигнала m коммутаторов б, m.дешифраторов 7, m регистров 8 кода и фильтров 9 низких частот, сумматор

10„m вероятностных двоичных элементов 11 группы, rn элементов 12 И первой группы, m сумматоров 13 по модулю два, m элементов 14 И второй группы, m элементов 15 И-HE группы, m элементов 1б.задержки группы и m триггеров 17 управления группы.

В блоке 1 тактовых частот генерируется сетка центральных частот, обеспечивающая перекрытие заданного частотного диапазона, и подается на входы мультиплексоров 2, которые в соответствии с сигналами, поступающими па его вход с дешифраторон коммутирует на входы источников 3 шума и цифровых фильтров 4 требуемые частоты, которые определяются кодами, занесенными на регистры 8 кодов, выходы которых подключены к входам деши@раторов, с выходов которых разрешающий сигнал поступает на первые входы m коммутаторов 6. Сигналы с равномерным спектром с ныходон m источников 3 шума поступают на входы

m вероятностных двоичных элементов

11, где осуществляется изменение вероятности появления единицы на выходе в каждом канале. Выходные сигналы с элементов 11, проходя через элементы

12 И первой гр ппы и сумматоры 13 по модулю два, поступает на входы цифровых фильтров 4. Кроме того, управляющие сигналы с m вероятностных двоичных элементов 11 поступают на входы m источников 5 опорного сигна,ла, на ьгорые входы которых подключены выходы m цифровых фильтров 4 г а выходы источников 5 подключены к вторым входам m коммутаторон б.

Выходы m сумматоров 13 подключены к входам m элементон 16 задержки, выходы которых подключены к вторым входам элементов 15 И-HE и элементов 14 И второй группы, а на первые входы в элементов 15 Й-HE и элементов 14. И rîäêëþ÷åíû нулевые и еди ничные входы m триггеров 17 управления, соответственно. Выходы rn элементов 15 И-НЕ подключены к вторьщ. входам m элементов 12 И первой группы, а выходы элементов 14 И подключены к вторым входам ы сумматоров 13, и выходов m коммутаторов б соединены i-ми входами и фильтров 9 низких частот, выходы которых подключены к входам сумматора 10.

Блоки 1-10 выполняют аналогичные функции, как и подобные блоки в известном генераторе. Вероятностный дноичный элемент 1 представляет собой устройство, позволяющее генерировать бинарные последовательности

849211 с изменяемыми вероятностями появления "1". Причем, в данном случае элемент 11 позволяет регулировать вероятность появления "1" в широких пределах от О до 1. Структурно подобное устройство реализуется по известным типовым схемам. Элементы

12-15 выполняют функции двухвходовых схем И, сумматора по модулю два, И и И-НЕ, собтветственно, а элемент

1á задержки выполняет функцию задержки информации на один такт (фиг.2).

Устройство работает следующим образом.

Для получения заданной спектральной плотности мощности на регистры

8 кодов заносятся коды частот таким образом, что более широкополосные фильтры находятся на участках с малым изменением спектральной плотности, а более узкополосные — на 20 резонансных всплесках и провалах.

Код тактовой частоты определяет центральную частоту фильтра. Блок генераторов тактовых частот 1 генерирует полную сетку частот, предусмат- 25 ривающую любую перекомбинацию фильтров с различной полосой пропускания.

Все тактовые частоты с блока 1 подаются на мультиплексоры 2. Дешифраторы 7 в соответствии с кодом, занесенным в регистр 8, дают разрешение на прохождение на входы источников 3 шума и фильтров 4 определенной тактовой частоты. Коды регистров

8 не повторяются. В"его тактовых частот и, а одновременно набранных кодов m (< и .

Далее "белый шум" с выходов источника 3 шума под действием синхронизирующих импульсов тактовой частоты поступает на вход вероят- 40 ностных двоичных элементов 11, которые регулируют вероятность появления единицы на первых выходах элементов 12 И (фиг. 1 и 2).В зависимости от вида спектральной плотнос- 45 ти мощности в каждой полосе, фор« мируемой цифровым фильтром 4, триггеры 17 управления устанавливаются в единичное или нулевое состояние.

В случае, если спектральная плотность мощности в данной конкретной

1 полосе имеет выпуклый вид, триггер управления устанавливается в нуле-. (вое состояние. В этом случае функциональная схема (фиг.2) автоматически преобразуется в схему, изображенную на фиг. За. В случае, если спектральная плотность мощности имеет вогнутый вид, триггер управления устанавливается в единичное состояние. В этом случае схема, показанная Щ на фиг.2, повторяет работу схемы, приведенной на-фиг.б.

Рассмотрим случай, когда необхо.димо воспроизвести выпуклый вид спектральной плотности мощности в данной . g5

:частотной полосе. В этом случае совокупность элементов 12-17 (фиг.2) структурной схемы путем фиксирования на триггере 17 управления нулевого состояния преобразуется в схему, приведенную на фиг.За. На вход элемента И (фиг.За) с выхода вероятностного двоичного. элемента 11 поступает случайная последователь- ность независимых случайных двоичных цифр х с вероятностью P(х1 =1) P где = 1, 2, 3...

Входная последовательность х1, (фиг. 4б) преобразуется в последовательность z „ (фиг. 3в) таким образом, что в новой последовательности отсутствуют следующие друг за другом единицы. Энергия низкочастотных и высокочастотных составляющих уменьшается. При этом возрастает амплитуда составляющих, имеющих частоту 1/2Т.

Особенно сильно возрастает амплитуда составляющей с частотой 1/2Т и близких ей составляющих при Р(хк-l) 1.

Аналитически алгоритм преобразования последовательности независимых случайных двоичных цифр х„ в последовательность г к (фиг. Зб, в) описывается выражейием

"К К-1- к 3,7 =1

k-1

Корреляционная функция последовательности z определяется выражением

I () ( учитывая, что р(Хк1)=Р P(Z <=1)

= а(г + -0,2,= ) р(г =,г = ), и преобразуя выражение (2), получают

Я(п1)=Р.а(- )+р.P(z„= т). (3)

Значение P (z< 1) получается по следующей зависймости:

p(7 =<) p (p p2) (р2+ръ+рр4+ Р5+ рь+5р7+ )

= p/(нр). ) )

Для нахождения корреляционной функции R(m) решают неоднородное разностное уравнение первого порядка с постоянными коэффициентами (5) при начальных условиях R(o) P/(1+P)

, Я(тп)+Р- Q(rn-q) p2/(1м P) y)

Применяя преобразование Лорана к уравнению (5) и используя террещу опережения, окончательно получают

IT

R(m) (P) 1„— Р Р; — т (I) 849211

Спектральная плотность мощности случайной последовательности zK от- личается от спектральной плотности мощности входной последовательности х на сомножитель Ф(Ц, крторый определяется следующим образом: ф() . () (,Itl

Р .1Ф1 ЯЯ щт (Н Д)

1 + ).п=О (n=O (7) К1 к Хк, 2К 1=0.

Корреляционная функция последо, вательности zy (8) определяется выражением (2)

Учитывая, что

P(z„= ) = p(z K„= o, x„" I)+ s(z„„ l, x „= o) =

=Р-73 р+ (-Р)=Ю, и преобразуя выражение (2) получают

55 еО

Q(rn)-(1-2р) R(-1)= g Р. l. )

65

Выражение (7) показывает что используя на входе элементов 12 дельта-модулированную импульсную последовательность хк, имеющую равномерный спектр на выходе преобразователя, состоящего из элементов 12-17, при нулевом состоянии триггера 17 управления получается случайный процесс

z с изменяемой спектральной плотК ностью мощности, имеющей выпуклый вид спектра (фиг.4). Используя последовательность xK,ïîñòóïàþùóþ с вероятностного двоичного элемента 11, можно генерировать узкополосные случайные процессы с изменяемой формой спектральной плотности, при этом форма изменяется за счет изменения вероятности входной последовательности хК ЗО

Рассмотрим второй случай, когда необходимо воспроизвести вогнутый вид спектральной плотности мощности в определенной частотной полосе. В этом случае сово купность элементов 12-17 (фиг. 1 и 2) путем фиксирования на триг. гере 17 управления единицы преобразуется в схему, приведенную на фиг. 5а. На вход сумматора по модулю .два (фиг. 5a) с выхода вероятностного двоичного элемента 11 поступает случайная последовательность независимых случайных двоичных цифр х .

Входная последовательность хк (фиг.5б) преобразуется в последова- 45 тельность zK (фиг.5в). Аналитически алгоритм преобразования независимых случайных двоичных цифр х в после довательность ZI,, (фиг.5) описывается выражением 56

Для нахождения корреляционной функции R(m), решают неоднородное разностное уравнение первого порядка с постоянными коэффициентами (9).В результате получают а(")= —.(1-Ы вЂ”,(о)

1 lInI

4 4Спектральная плотность мощности случайной последовательности 2< отличается от спектральной плотности мощности входной последовательности х на сомножитель w(g), который определяется следующим образом:

w8) = («) . Р1+ (-1р) з1п )17

Выражение (11) показывает, что используя на входе элементов 12 дель1 та-модулированную импульсную после довательность хх,имеющую равномерный спектр, при единичном состоянии триггера 17 получается случайный процесс. гх с изменяемой спектральной плотностью мощности, имеющей вогнутый вид спектра (фиг.6).

Таким образом, изменяя вероятность появления двоичных символов х на выходах m двоичных вероятностных элементов 11 при соответствующих состояниях m триггеров 17 управления на выходах сумматоров 13 получаются случайные процессы с изменяемой формой, имеющей или выпуклый или вогнутый вид (фиг.4 и 6).

Далее выходные процессы с m сумматоров 13 поступают на входы m цифровых фильтров 4, где происходит

I полосовая фильтрация входных цифровых процессов. Цифровые фильтры 4 выделяют полосу частотных составляющих из исходного процесса с центральной частотой, равной 1/2Т, а так как для каждого фильтра тактовая частота отлична, в результате на выходе цифровых фильтров получаются случайные процессы, частотные составляющие которых лежат строго н определенных непересекающихся частотных диапазонах.

В данном случае оказывается возможным аппроксимировать частотные составляющие в каждом диапазоне не только кусочно-постоянные как в известном ,генераторе, а и нелинейным образом ,путем изменения вероятности Р(хк=1)=Р в элементах 11.

При измерении вероятности Р в m . элементах 11 на выходах m цифровых фильтров 4 изменяется общий уровень сигнала. Сигнал управления, поступающий с выхода элементов 11 на второй нход источников 5 опорного сигнала, регулирует понижение или понышение уровня на выходах цифровых фильтров 4. В случае необходимости носпроизнедения равномерных участков

849211

10 пектральной характеристики с постоянным уровнем триггер 17 управления устанавливается в единичное значение и на выходе элемента 11 устанавливается Р(к =1)=0,5.

Источники 5 опорного сигнала изменяют уровни выходного сигнала в соответствии с видом спектра задаваемого случайного процесса. Выходной сйгнал с выходов источников 5 поступает на вход того или иного фильтра 9 10 низких частот. Функцию коммутации осуществляют коммутаторы:,6, которые в соответствии с кодами,, :.находящимися в регистрах 8, и соответственно сигналом на выходе дешифратора, подключают выход источников 5 к тому или 15 иному фильтру 9 низких частот.. .На выходе суммирующего устройства получается результирующий случайный процесс с заданным спектром. Пример воспроизводимого процесса с требуе- 20 мым спектром показан на фиг. 7.

Набор кодов тактовых частот и установка триггеров 17 производится вручную, однако эту функцию можно возложить на управляющую программу 25

3ВМ. В этом случае программа распределения фильтров по частотному диапазону выполняется автоматически.

Используя данный подход для реализации генератора случайного процесса, ЗО оказывается возможным в процессе его работы оперативно изменять вид спектральной плотности мощности.

Изобретений позволяет осуществлять более точное .задание требуемого вида спектра, что достигается введением нелинейной аппроксимации. Это влечет за собой возможность более точной коррекции резонансных выбросов и провалов. С меньшим набором цифровых фильтров оказывается возможной 4О аппроксимация более сложных спектральных характеристик.

Таким образом, расширение функциональных возможностей устройства осуществляется за счет возможности 45 воспроизведения процессов с более сложным видом спектра.

Предлагаемое устройство отлича-ется простотой технической реализации и сравнительно. небольшими anna- . $p ратурными затратами. Все блоки реализуются с использованием типовых элементов вычислительной техники,например, интегральных схем серии 155.

Экономический эффект от применения изобретения определяется более точным заданием необходимых условий виброиспытаний, что позволит получить более полную информацию о надежности отдельных узлов испытываемого изделия и предотвратить выпуск бракован- 40 ных изделий.

Формула изобретения

Генератор случайного процесса, содержащий блок генераторов тактовых частот, выходы которого соединены с входами мультиплексоров соответственно, входы которых объединены с первыми входами соответствующих коммутаторов и подключены к выходам соответствующих дешифраторов, входы которых подключены к выходам соответствующих регистров кода, выходы мультиплексоров соединены с входами соответствующих источников шума и первыми входами соответствующих цифровых фильтров, выходы которых соединены с первыми входами соответствующих источников опорного сигнала, выходы которых соединены с вторыми входами соответствующих коммутаторов, выходы которых соединены с соответствующими входами фильтров низких частот, выходы которых соединены с входами сумматора соответственно, о т.л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения точности, он содержит первую и вторую группы элементов И, группу

Ьлементов И-НЕ, группу сумматоров по модулю два, группу элементов задержки, группу вероятностных двоичных элементов и группу триггеров управления, единичные и нулевые выходы которых соединены соответственно с первыми входами элементов И-НЕ группы элементов И второй группы, выходы которых соединены с первыми входа-. ми соответствующих сумматоров по модулю два группы, выходы которых соединены с входами соответствующих цифровых фильтров группы и элементов задержки группы, выходы которых соединены с вторыми входами соответст вующих элементов И второй группы и элементов И-НЕ группы, выходы которых соединены с .первыми входами элементов И первой группы, соответственно, выходы которых соединены с вторыми входами соответствующих сумматоров по модулю два группы, выходы источников шума группы соединены с входами вероятностных двоичных элементов группы, соответственно, первые и вторые выходы которых соединены с вторыми входами элементов И первой группы и источников опорного сигнала, соответственно.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Коваль В.T. Задающая апцаратура для воспроизведения случайных вибраций при исследовании надежности. — "Вестник машиностроения", 1970.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 631961, кл. G P6 .F 1/02, 1977 (прототип) 849211 иЯм /и

Фиа Ю

f6rz Ql фйа?

Заказ 6094/63 Тираж 745 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

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

Составитель A. Карасов

Редактор Г. Кацалап . Техред А.Ач . Корректор Г. Решетник