УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР СЛУЧАЙНОГО СИГНАЛА

Полезная модель относится к области автоматического регулирования и может быть использована в моделировании и испытании систем управления и их элементов.
Известен генератор случайных чисел (Авт. св. СССР №1599856, кл. G 06 F 7/58 15.10.90 Бюл. №38), содержащий первый блок памяти, датчик равномерно распределенных случайных чисел, первый сумматор, четыре регистра, четыре элемента ИЛИ, первый элемент задержки, мультиплексор, схему сравнения, узел синхронизации, причем первый выход узла синхронизации соединен с первыми входами первого и второго элементов ИЛИ, второй выход узла синхронизации соединен с первым входом третьего элемента ИЛИ, второй вход первого элемента ИЛИ соединен с вторыми входами второго и третьего и с первым входом четвертого элементов ИЛИ, входом запуска узла синхронизации и является входом Пуск генератора, выход первого элемента ИЛИ соединен с входом разрешения считывания первого блока памяти, первый, второй и третий информационные выходы которого соединены соответственно с информационными входами первого, второго и третьего регистров, тактовые входы которых соединены с выходом первого элемента задержки, вход которого соединен с выходом второго элемента ИЛИ, адресный вход первого блока памяти соединен с выходом мультиплексора, первый информационный вход которого соединен с выходом четвертого регистра, выход третьего элемента ИЛИ соединен с управляющим входом мультиплексора, второй информационный вход которого соединен с выходом первого сумматора, выход четвертого элемента ИЛИ соединен с тактовым входом датчика равномерно распределецных случайных чисел, выход первого регистра соединен с входом задания режима узла синхронизации, в генератор введены два регистра, блок мультиплексоров, счетчик, второй и третий блоки памяти, элемент И, второй сумматор, второй элемент задержки, причем выход второго регистра соединен с с первым входом схемы сравнения, второй вход которой соединен с информаи;ионным входом блока мультиплексоров и с выходом пятого регистра, информационный вход которого соединен с выходом датчика равномерно распределенных случайных чисел, тактовый вход пятого регистра соединен с третьим выходом узласинхронизации, управляющий вход блока мультиплексоров соединен с выходом второго блока памяти, вход разрешения считывания которого соединен с выходом второго элемента задержки, вход которого соединен с четвертым выходом узла
синхронизации, старшие разрядные адресные входы второго блока памяти соединены с соответствующими разрядными выходами шестого регистра, младшие разрядные адресные входы второго блока памяти соединены с разрядным выходом счетчика, тактовый вход и вход сброса которого соединены соответственно с пятым и шестым выходами узла синхронизации, выход блока мультиплексоров соединен спервым входом второго сумматора, второй вход которого соединен с выходом элемента И, первый вход которого соединен с выходом Равно схемы сравнения, второй вход элемента И соединен с седьмым выходом узла синхронизации, выход второго сумматора соединен с первым информационным входом первого сумматора, второй информационный вход которого соединен с выходом третьего регистра и с адресным входом третьего блока памяти, выход которого является выходом генератора, тактовый вход первого сумматора соединен с восьмым выходом узла синхронизации, вход разрешения считывания третьего блока памяти соединен с девятым выходом узла синхронизации, десятый выход узла синхронизации соединен с вторым входом четвертого элемента ИЛИ.
Известен генератор случайных чисел (Авт. св. СССР №1580358, кл. G 06 F 7/58 23.07.90 Бюл. Г227), содержаш;ий первый и второй датчики равномерно распределенных случайных чисел, элемент задержки, первый и второй блоки элементов И, первый и второй блоки памяти, регистр памяти, делитель и дешифратор, причем выход элемента задержки соединен с управляюш;ими входами первого и второго блоков элементов И, выход первого датчика равномерно распределенных случайных чисел соединен с информационным входом первого блока элементов И, выход которого соединен с входом делимого делителя, вход делителя которого соединен с выходом второго блока элементов И, информационный вход которого соединен с информационным выходом регистра памяти, выход делителя соединен с входом дешифратора, выход которого соединен с адресными входами первого и второго блоков памяти, в генератор введены два умножителя, генератор тактовых импульсов, вьгчитатель, блок элементов задержки и сумматор, причем вход опроса генератора является входом запуска генератора тактовых импульсов, выход которого соединен с входом элемента задержки, с входом опроса первого датчика равномерно распределенных случайных чисел и с входом опроса второго датчика равномерно распределенных случайных чисел, выход которого соединен с входом вычитаемого вычитателя и с входом блока элементов задержки, выход которого соединен с входом первого сомножителя первого умножителя, вход уменьшаемого вычитателя соединен с шиной задания константы, выход вычитателя соединен с входом первого сомножителя второго умножителя, вход второго сомножителя которого соединен с
Jвыходом второго блока памяти, выход второго умножителя соединен с входом первого слагаемого сумматора, вход второго слагаемого которого соединен с выходом первого умножителя, вход второго сомножителя которого соединен с выходом второго блока памяти, выход сумматора является информационным выходом генератора.
Известен генератор случайных чисел (Авт. св. СССР №1640688, кл. G 06 F 7/58 07.04.91 Бюл. №13), содержащий два датчика случайных чисел с равномерным распределением, два вычитателя, четыре умножителя, блок сравнения, первый блок деления, ключ, элемент задержки, блок задания параметров распределения и генератор тактовых импульсов, выход которого соединен с входом запуска первого датчика случайных чисел с равномерным распределением, выход которого подключен к входу вычитаемого первого вычитателя, выход больше или равно блока сравнения подключен к управляющему входу ключа, выход которого является выходом генератора, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия, в него введены пятый умножитель, третий вычитатель, второй блок деления и блок вычисления плотности распределения, выход которого соединен с первым входом блока сравнения, выход первого датчика случайных чисел с равномерным распределением соединен с первыми входами первого и второго умножителей, выход которого подключен к первому входу третьего умножителя, выход которого соединен с входом делителя первого блока деления, выход которого подключен к входу блока вычисления плотности распределения и через элемент задержки к информационному входу ключа, выход второго датчика случайных чисел с равномерным распределением соединен с первым входом четвертого умножителя, с вторым входом первого умрожителя и с входом вычитаемого второго вычитателя, выход которого подключен к второму входу второго умножителя, выход первого умножителя соединен с входом вычитаемого третьего вычитателя, выход которого подключен к входам делимого первого и второго блоков деления, выход которого соединен с вторым входом блока сравнения, выходы уменьшаемого вычитателей подключены к входу задания единицы генератора,. выход первого вьиитателя соединен с вторым входом четвертого умножителя, выход которого соединен с первым входом пятого умножителя, выход которого подключен к входу делителя второго блока деления, выходы блока задания параметров распределения соединены с вторыми входами третьего и пятого умножителей.
Недостатком указанных устройств является ограниченность функциональных возможностей, а именно отсутствие возможности генерации сигнала с заданным спектром и распределением.
jMl){./.3fНаиболееблизкимпо технической сущности генератором
случайного сигнала, выбранным за прототип, является генератор равномерно распределенных случайных сигналов по Авт. св. СССР №1092502 (кл. G 06 F 7/58, 15.05,84. Бюл. № 18), содержащий частотно-зависимый элемент, квантователь по времени, источник постоянного напряжения, инвертор, реле и источник случайного сигнала, выход которого соединен с входом реле, выход источника постоянного напряжения через первый размыкающий контакт реле соединен с входом частотно-зависимого элемента, выход порогового элемента через первый замыкающий контакт реле соединен со входом частотно-зависимого элемента, выход которого через второй размыкающий контакт реле соединен с входом инвертора, выход которого соединен с входом квантователя по времени, выход частотно-зависимого элемента через второй замыкающий контакт реле соединен с входом квантователя по времени, выход которого является выходом генератора и соединен с входом порогового элемента.
Недостатком указанного устройства является ограниченность функциональных возможностей, а именно отсутствие возможности генерации сигнала с заданным спектром и распределением.
Задачей полезной модели является расширение функциональных возможностей генератора слз айных чисел за счет представления заданных / свойств случайного сигнала в форме матрицы переходных вероятностей марковской цепи, что позволяет генерировать сигнал с заданным спектром и распределением.
Универсальный генератор случайного сигнала, содержащий частотнозависимый элемент, квантователь по времени, источник постоянного напряжения, инвертор, реле и источник случайного сигнала, выход которого соединен с входом реле, выход источника постоянного напряжения через первый размыкающий контакт реле соединен с входом частотно-зависимого элемента, выход порогового элемента через первый замыкающий контакт реле соединен со входом частотно-зависимого элемента, вых:од которого через второй размыкающий контакт реле соединен с входом инвертора, выход которого соединен с входом квантователя по времени, выход частотно-зависимого элемента через второй замыкающий контакт реле соединен с входом квантователя по времени. В отличие от прототипа, поставленная задача решается тем, что в универсальный генератор случайного сигнала введена группа из N блоков пороговых элементов, группа из N мультиплексоров, коммутатор, группа из N элементов задержки, группа из N ключей, блок задания эталонных напряжений и блок управления, выход которого соединен с источником случайного сигнала, выход которого соединен с входом реле, выход источника постоянного напряжения через
////5(7
первый размыкающий контакт реле соединен с входом частотнозависимого элемента, выход порогового элемента через первый замыкающий контакт реле соединен со входом частотно-зависимого элемента, выход которого через второй размыкающий контакт реле соединен с входом инвертора, выход которого соединен с входом квантователя по времени, выход частотно-зависимого элемента через второй замыкающий контакт реле соединен с входом квантователя по времени, выход которого соединен с входами блоков пороговых элементов, выходы которых соединены с .информационными входами мультиплексоров, выходы которых соединены с входами элементов задержки, выходы которых соединены с первыми информационными входами ключей, второй выход блока управления соединен с управляющими входами ключей, выходы которых соединены с управляющими входами мультиплексоров, выходы которых соединены также с управляющими входами коммутатора, вторые информационные входы ключей, за исключением первого, заземлены, второй информационный вход первого ключа соединен с источником постоянного напряжения, выход которого соединен также с входами блока задания эталонных напряжений, выходы которого соединены с входами коммутируемых сигналов коммутатора, выход которого является выходом генератора.
Существо генератора поясняется чертежами. На фиг. 1. изображена блок-схема генератора. На фиг. 2 изображены характеристики срабатывания пороговых элементов в схеме.
Универсальный генератор случайного сигнала содержит  блок управления 1, первый выход которого соединен с источником 2 случайного сигнала, выход которого соединен с входом реле 3, выход источника 4 постоянного напряжения через первый размыкающий контакт реле 3 соединен с входом частотно-зависимого элемента 5, выход порогового элемента 6 через первый замыкающий контакт реле 3 соединен с входом частотно-зависимого элемента 5, выход которого через второй размыкаюищий контакт реле 3 соединен с входом инвертора 7, выход которого соединен с входом квантователя 8 по времени, выход частотно-зависимого элемента 5 через второй замыкающий контакт реле 3 соединен с входом квантователя 8 по времени, выход которого соединен с входами блоков пороговых элементов 9, выходы которых соединены с информационными входами мультиплексоров 10, выходы которых соединены с входами элементов задержки 11, выходы которых соединены с первыми информационными входами ключей 12, второй выход блока управления 1 соединен с управляющими входами ключей 12, выходы которых соединены с управляющими входами мультиплексоров 10, выходы которых соединены
SMw//Y/6f
также с управляющими входами коммутатора13,вторые
информационные входы ключей 12i, , ..., N, заземлены, второй
информационный вход первого ключа 1 соединен с источником 4
постоянного напряжения, выход которого соединен также с входами блока 14 задания эталонных напряжений, выходы которого соединены с входами коммутируемых сигналов коммутатора 13, выход которого является выходом генератора.
Генератор работает следующим образом.
Блок управления 1 вырабатывает сигнал U(t) в виде единичной ступенчатой функции, запускающий источник 2 случайного сигнала, который вырабатывает сигнал Z(t), постоянный на интервалах иА, , 2, ..., где  интервал квантования по времени квантователя 8, и принимающий на этих интервалах значения О и 1 с вероятностью q и   соответственно, причем значения Zn  Z(, и  1,2,..., в совокупности статистически независимы. При Zn  вход функционального преобразователя соединен с выходом порогового элемента 6, а выход - с входом квантователя 8 по времени, а при Z«  О на вход преобразователя поступает постоянный сигнал U и его выход соединен с входом инвертора 7.
Связь (X) между значениями выходного сигнала Y-и входного сигнала X порогового элемента 6 определяется выражением (X}  где S - заданная положительная величина.
Частотно-зависимый элемент 5 имеет передаточную функцию
/ ч 1т
(Р)  --, гдеГ
1т-   о
1- рТIn 2
коэффициент усиления К инвертора 7 равен 1/2, а величина постоянного сигнала на выходе источника 4 равна 2S. Тогда,-если Zn  , то
Xn + i  2XK-Q(XK}  f(XK},(1)
aecлиZи  0,тo
Хк + 1  8-Хп  (р(Хк},(2)
гдеХ  (АО.
Объединив выражения (1) и (2), имеем
Хп + 1  Znf(XK}(-Zn}f(Xn)  0,1,2,...(3)
Выражение (3) задает преобразование отрезку О, S, сохраняющему меру Лебега. Если ,S, то последовательность Хп,п  1,2,.. с вероятностью 1 представляет собой статистически репрезентативную
f Q,
V S,
реализациюпоследовательности некоррелированныхслучайных
величин, имеющих равномерное распределение на интервале О, S,
Равномерно распределенный случайный сигнал Хд поступает с выхода
квантователя по времени 8 на входы блоков 9 пороговых элементов, каждый из которых содержит N пороговых элементов, причем выход каждого k-ro порогового элемента в блоке соединен с информационным входом соответствующего мультиплексора 10. На фиг. 2 представлены
характеристики срабатывания пороговых элементов блоков 9. Площади фигур, ограниченных осью входных значений случайного сигнала ,S,S  l и характеристиками срабатывания пороговых элементов, пропорциональны элементам матрицы вероятностей переходов марковской цепи. Каждый из блоков 9 пороговых элементов формирует на одном из своих выходов единичный ступенчатый сигнал, подаваемый на соответствующий мультиплексор.
На управляющие входы мультиплексоров 10 через группу ключей 12 подается сигнал, соответствующий на S-OM шаге работы генератора предыдущему, (S-l)-OMy шагу.
В случае, когда , на управляющие входы 2,...,N мультиплексоров 10 сигнал не поступает, что соответствует логическому О, а на управляюпще входы 1 мультиплексоров 10 поступает сигнал с источника постоянного напряжения, соответствующий логической 1.
В случае, когда , на управляющие входы мультиплексоров 10 поступает сигнал, соответствующий первым информационным входам ключей 12, а именно сигнал с выходов элементов задержки 11, представляющий собой выходной сигнал мультиплексоров 10 на предыдущем шаге работы генератора.
Сигнал в виде единичной ступенчатой функции, формирующийся на выходах мультиплексоров 10 на S-ом шаге работы генератора, подается на управляющие входы коммутатора 13, на входы коммутируемых сигналов которого подаются сигналы с блока 14 задания эталонных напряжений, соответствующие серединам N интервалов дискретизации по уровню марковской цепи. В результате
коммутации на выходе коммутатора 13 формируется случайный сигнал с заданными спектром и распределением.
Таким образом, заявляемая полезная модель позволяет генерировать случайный сигнал с любым спектром и распределением, что достигается за счет представления заданных свойств случайного сигнала в форме матрицы переходных вероятностей марковской цепи.