ГЕНЕРАТОР НЕПРЕРЫВНЫХ СЛУЧАЙНЫХ СИГНАЛОВ ПРОИЗВОЛЬНОЙ ДЛИНЫ
ARBITRARY-LENGTH CONTINUOUS RANDOM SIGNAL GENERATOR

Изобретение относится к области создания устройств для генерирования широкополосных случайных стационарных процессов с заданными собственными и взаимными спектральными плотностями мощности и может быть использовано в приборостроении, машиностроении, вычислительной технике для создания, в частности, многоканальных автоматических систем, в испытаниях на вибростойкость к воздействиям случайной вибрации и т.д.
а
i
Б
Б
Известно («Автоматическое управление вибрационными испытаниями», Библиотека по автоматике выпуск 579, Москва, Энергия, 1978 г.) устройство, генерирующее блоки (реализации) одномерного случайного стационарного сигнала с заданной спектральной плотностью, состоящее из ЭВМ и программного обеспечения. Каждый блок представляет собой массив вещественных чисел (амплитуд) длиной N,  (i=0, 1, …, N-1), имеющий в пределе заданный спектр амплитуд с нормальным (Гауссовским) законом распределения. Генерация блоков производится с помощью разложения Райса-Пирсона. Затем блок передается на модуль цифроаналогового преобразователя для преобразования полученной последовательности в случайный сигнал, с периодом дискретизации Δt [сек], длиной T=NΔt [сек], шагом квантования по частоте Δf=1/T [Гц].
Все названные признаки присутствуют в предлагаемом устройстве.
Генерирование случайного процесса большой длины требует большого объема вычислений, времени и памяти, что является недостатком при создании систем управления вибрационными испытаниями с быстрой петлей коррекции.
a
a
r,i
r,N-1
r+1,0
Формирование случайного процесса произвольной длины предлагается производить из последовательности следующих друг за другом временных блоков  (r=1, 2,…). При этом возникает проблема разрыва начальных и конечных значений (фаз) между соседними последовательностями генерируемых осциллограмм, так как в общем случае ≠a. Это приводит к появлению в генерируемом процессе удара в виде дельта-функции.
В предлагаемом устройстве решается задача генерирования непрерывных случайных сигналов произвольной длины без разрыва фаз между соседними реализациями и без изменения ее длины N и шага квантования по частоте Δf, что необходимо для организации единого во времени цикла генерации управляющего сигнала на исполнительное устройство и измерения сигналов откликов для построения алгоритмов, например, для систем управления реального времени с обратной связью.
Предлагается генератор непрерывных случайных сигналов произвольной длины, состоящий из:
a
a
a
r
ri
ri
- однопроцессорного компьютера и прикладного программного обеспечения для формирования по заданной спектральной плотности случайного сигнала в форме разложения Райса-Пирсона в виде массивов ={}, вещественных чисел  (i=0, 1, …, N-1), имеющих по множеству (ансамблю) реализаций R заданный спектр амплитуд с нормальным законом распределения;
- цифрового модуля ограничения пиковых выбросов амплитуд на уровне , где Q - заданный пик-фактор;
HANN
- цифрового модуля построения на длине T=(4·n-3) точек (n<<N), косинусоидального окна Ханна:
;
a
a
a
a
a
r
r+1
r+1
r
r+1
- цифрового модуля формирования последовательности N вещественных точек-чисел по следующему алгоритму: к концу блока  - добавляется (n-1) точек, симметричных последним n точкам блока, полученную таким образом последовательность (2n-1) точек умножают на правую половину окна Ханна; к началу следующего блока  добавляется (n-1) точек, симметричных первым n точкам блока ; полученную таким образом последовательность (2n-1) точек умножают на левую половину окна Ханна; образованные таким образом последовательности складывают, первыми n точками суммарной последовательности заменяют последние n точки блока , последними n точками суммарной последовательности - первые n точки блока ;
a
a
a
a
a
r
r
r
r+1
r
- механизма формирования на выходе из системы управления из отдельных следующих друг за другом блоков  непрерывного случайного сигнала, включающий организацию в компьютере двух буферов длиной N, в один из которых заносят сгенерированный блок данных , который затем контроллером прямого доступа к памяти (DMA) без участия центрального процессора передается в память цифроаналогового преобразователя (ЦАП). За время выдачи первого блока  на выход ЦАП центральный процессор генерирует следующий блок данных , осуществляет стыковку его начала с концом предыдущего  и переносит во второй буфер, который, в свою очередь, будет передан в ЦАП через DMA-канал. Затем буфера автоматически циклически меняются местами;
- модуля цифроаналоговых преобразователей (ЦАП) для преобразования полученной последовательности в непрерывный во времени случайный сигнал произвольной длины;
- модуля аналоговых фильтров низкой частоты, например, Баттерворта, не менее 4 порядка (48 дБ/октаву) и частотой среза не менее 1/(2Δt).
Блок-схема генератора показана на фиг.1-5. Примеры стыковки реализаций показаны на фиг.6-9.
Отличительными признаками предлагаемого устройства являются:
- цифровой модуль ограничения пиковых выбросов амплитуд на уровне , где Q - заданный пик-фактор;
HANN
- цифровой модуль построения на длине T=(4·n-3) точек (n<<N), косинусоидального окна Ханна:
;
a
a
a
a
a
r
r+1
r+1
r
r+1
- цифровой модуль формирования последовательности N вещественных точек-чисел по следующему алгоритму: к концу блока  добавляется (n-1) точек, симметричных последним n точкам блока, полученную таким образом последовательность (2n-1) точек умножают на правую половину окна Ханна; к началу следующего блока  добавляется (n-1) точек, симметричных первым n точкам блока ; полученную таким образом последовательность (2n-1) точек умножают на левую половину окна Ханна; образованные таким образом последовательности складывают, первыми n точками суммарной последовательности заменяют последние n точки блока  последними n точками суммарной последовательности - первые n точки блока ,
a
a
a
a
a
r
r
r
r
r
- механизм формирования на выходе из системы управления из отдельных следующих друг за другом блоков  непрерывного случайного сигнала, включающий организацию в компьютере двух буферов длиной N, в один из которых заносят сгенерированный блок данных  который затем контроллером прямого доступа к памяти (DMA) без участия центрального процессора передается в память цифроаналогового преобразователя (ЦАП). За время выдачи первого блока  на выход ЦАП центральный процессор генерирует следующий блок данных ;, осуществляет стыковку его начала с концом предыдущего  и переносит во второй буфер, который, в свою очередь, будет передан в ЦАП через DMA-канал. Затем буфера автоматически циклически меняются местами;
- модуль аналоговых фильтров низкой частоты, например, Баттерворта, не менее 4 порядка (48 дБ/октаву) и частотой среза не менее 1/(2Δt).
Благодаря наличию указанных отличительных признаков в совокупности с известными приобретается возможность генерирования непрерывных случайных сигналов произвольной длины.
В результате поиска по источникам патентной и научно-технической информации, решений, содержащих аналогичные признаки, не обнаружено.
Таким образом, можно сделать заключение о том, что предложенное устройство неизвестно на уровне техники и, следовательно, соответствует критерию «патентоспособности».
Предложенное устройство может найти применение везде, где возникает необходимость в непрерывных случайных процессах произвольной длины, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «Промышленная применимость».