07.06.2019
219.017.7551

Цифровой имитатор случайных сигналов

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: Изобретение относится к области радиотехники и измерительной техники. Технический результат изобретения заключается в обеспечении формирования продолжительной последовательности псевдослучайных чисел с произвольным двумерным распределением вероятностей, определяемым его марковской моделью. Цифровой имитатор случайных сигналов содержит генератор равновероятных псевдослучайных чисел, тактовый вход которого соединен с генератором опорной частоты, а цифровой выход - с младшими разрядами блока памяти, и регистр, тактовый вход которого соединен с выходом генератора опорной частоты, а вход подключен к выходу блока памяти, выход регистра соединен со старшими разрядами блока памяти и с входом цифроаналогового преобразователя, выход которого образует аналоговый выход имитатора, а выход регистра - цифровой выход имитатора. 6 ил.
Реферат Свернуть Развернуть

Изобретение относится к областям радиотехники и измерительной техники и может быть использовано для имитации сигналов и помех при тестировании аппаратуры радиосвязи и систем управления.

Известен цифровой генератор хаотического сигнала [1] на базе регистра сдвига и аналогового источника шума, формирующий «истинно случайный» цифровой сигнал с равновероятными отсчетами, в котором отсутствует возможность изменения статистических характеристик сигнала.

Известны цифровые генераторы [2] псевдослучайных двоичных последовательностей (например, М-последовательностей, последовательностей Гоулда, Кассами и др.), формируемых с помощью регистров сдвига с линейными или нелинейными обратными связями. Они также формируют цифровые сигналы с равновероятными отсчетами.

Известен [3] датчик случайных чисел с равномерным распределением вероятностей, в котором используются записанные в блоке памяти случайные числа, которые «перемешиваются» с помощью двоичных счетчиков, улучшая качество совпадения формируемых чисел с теоретическим равномерным законом распределения вероятностей. Его недостатком является отсутствие возможностей формирования псевдослучайных чисел с различными законами распределения вероятностей.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является имитатор радиосигналов [4], содержащий генератор опорной частоты, блок памяти, устройство считывания данных, цифроаналоговый преобразователь. Устройство имитирует сигналы произвольного вида, представленные модельными файлами данных или цифровыми записями сигналов, которые предварительно записываются в блок памяти и считываются в процессе имитации. Его недостатком является ограниченность продолжительности воспроизводимой реализации, что особенно существенно при высокочастотном считывании данных.

Задачей предлагаемого технического решения является обеспечение формирования продолжительной последовательности псевдослучайных чисел с произвольным двумерным распределением вероятностей, определяемым его марковской моделью.

Поставленная задача решается тем, что цифровой имитатор случайных сигналов, содержащий генератор опорной частоты, блок памяти, цифроаналоговый преобразователь, дополнительно содержит генератор равновероятных псевдослучайных чисел, тактовый вход которого соединен с генератором опорной частоты, а цифровой выход - с младшими разрядами блока памяти и регистр, тактовый вход которого соединен с выходом генератора опорной частоты, а вход подключен к выходу блока памяти, выход регистра соединен со старшими разрядами блока памяти и с входом цифроаналогового преобразователя, выход которого образует аналоговый выход имитатора, а выход регистра - цифровой выход имитатора.

Предлагаемое техническое решение поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого устройства, на фиг. 2 - трехмерные диаграммы матриц переходных вероятностей гауссовского случайного процесса с различными коэффициентами корреляции, на фиг. 3 - их трехмерные диаграммы функций распределения вероятностей, на фиг. 4 - экспериментальные трехмерные диаграммы матрицы переходных вероятностей и функции распределения вероятностей радиосигнала с цифровой частотной манипуляцией и гауссовской огибающей (GMSK), на фиг. 5 - результаты моделирования работы имитатора нормального случайного сигнала, а на фиг. 6 - результаты моделирования для сигнала с GMSK.

Генератор опорной частоты 1 выдает тактовые импульсы (ТИ), по которым генератор псевдослучайных чисел (ГПСЧ) 2 формирует D-разрядные равновероятные двоичные коды, определяющие значения функции распределения вероятностей марковской модели Fij и задающие младшие разряды ячеек блока памяти 3, в которых записаны значения j следующего m-разрядного двоичного кода отсчета имитируемого сигнала при заданном значении i кода предшествующего отсчета. Выход блока памяти 3 соединен с входом регистра 4, в который по ТИ записывается код j. Выход регистра 4 подключен к старшим m разрядам блока памяти 3, которые определяют код i. С выхода регистра 4 двоичные коды отсчетов j поступают на цифровой выход 6 имитатора и на вход цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 5, формируя аналоговый выходной сигнал 7 имитатора.

Устройство работает следующим образом.

Формируется однородная марковская модель [5, 6] имитируемого сигнала, описываемая матрицей переходных вероятностей

перехода дискретного сигнала от значения zn=i, М=2m (m - число разрядов двоичного кода отсчета) в момент времени tn к значению zn+1=j, в следующий момент времени tn+1, n - номер отсчета имитируемого сигнала.

На основе матрицы переходных вероятностей [Pij] формируется матрица двумерной функции распределения вероятностей

с помощью которой имитируется сигнал.

Для нормального случайного процесса x(t) со значениями x(t1)=x1 и x(t2)=х2 двумерная плотность вероятностей имеет вид [7]

где xCP - среднее значение, σ2 - дисперсия, r - коэффициент корреляции. Если выбирать шаг квантования по уровню

и значения уровней квантования

то для переходных вероятностей получим

Матрицы и удобно представлять графически в трехмерных координатах. Для рассмотренного двумерного нормального распределения при xCP=0, σ2=4 и М=32 (m=5) диаграммы показаны на фиг 2, a - на фиг. 3.

Аналогичная марковская модель может быть построена по экспериментальной реализации радиосигнала достаточно большого объема. В качестве примера на фиг. 4 показаны полученные экспериментально трехмерные диаграммы матрицы переходных вероятностей и функции распределения вероятностей радиосигнала с цифровой частотной манипуляцией GMSK [8] при М=64 (m=6).

Для оценки Pij определяются числа переходов соседних отсчетов сигнала от zn=i к zn+1=j, тогда при большом объеме выборки L>>M2 получим оценки

Для устранения возможной неопределенности оценок (7) и (8) к значениям целесообразно добавить константу, например, 1.

Величины Fij с ростом j меняются в пределах от Fi1=0 до FiM=1. Разобьем область от 0 до 1 на V=2N интервалов и представим их нижние границы FD двоичным N-разрядным кодом dN-1dN-2…d0 (от 00…0 до 11…1)

D - десятичный эквивалент кода dN-1dN-2…d0, N≥m и FV=1.

Для каждого предшествующего значения i отсчета сигнала для всех возможных кодов dN-1dN-2…d0 найдем значения j следующего отсчета в соответствии с неравенством

Полученные массивы jiD записываются в блок памяти 3 в виде страниц с адресами ячеек dN-1dN-2…d0 (младшие разряды адреса блока памяти 3). Страницы адресуются двоичным кодом i (задает старшие разряды адреса блока памяти 3).

Коды dN-1dN-2…d0 формируются ГПСЧ 2, который может быть реализован в виде шумового генератора [1], или, например, в виде генератора М-последовательности [2] на базе R - разрядного регистра сдвига, N разрядов которого (N<R) образуют код dN-1dN-2…d0. При N=43 период М-последовательности равен 2N-1=8,796⋅1012, а при N=61 уже 2N-1=2,306⋅1018, что вполне достаточно для формирования реализаций случайного сигнала большой длительности.

Первый тактовый импульс формирует первый код dN-1dN-2…d0 и начальное состояние регистра 4 (может быть любым), которое определяет первый отсчет i (m - разрядный двоичный код) имитируемого сигнала. Это содержимое регистра задает страницу блока памяти 3 (старшие разряды адреса), а код dN-1dN-2…d0 выбирает ячейку памяти, содержащую следующий отсчет j имитируемого сигнала, выбираемый в соответствии с функцией распределения вероятностей Fij, и двоичный код j появляется на выходе блока памяти 3. Следующим тактовым импульсом код j записывается в регистр 4, становясь предшествующим отсчетом, а новый код ГПСЧ выбирает следующий отсчет сигнала. Далее процедура повторяется и отсчеты случайного сигнала выдаются на цифровой выход 7, а через ЦАП 5 - на аналоговый выход 7.

Разрядность m кода отсчетов сигнала целесообразно выбирать в интервале m=6÷10, а кода dN-1dN-2…d0 ГПСЧ N=8÷10, в результате разрядность шины адреса блока памяти равна m+N=14÷20, то есть емкость блока памяти составит не более 1÷2 МБайт.

Проведено моделирование работы генератора при формировании отсчетов случайного гауссовского сигнала при xCP=0, σ2=4, r=0,8 и М=32 (трехмерная диаграмма марковской модели показана на фиг. 2б). На фиг. 5а показана полученная в результате моделирования имитатора временная диаграмма отсчетов xn сигнала (n - номер отсчета), на фиг. 5б - гистограмма (пунктиром представлена гистограмма теоретического нормального распределения), а на фиг. 5в - зависимость коэффициента корреляции rk от смещения отсчетов k (пунктиром показана теоретическая зависимость rk).

На фиг. 6 представлены результаты моделирования работы имитатора случайного радиосигнала с GMSK [8] в виде трехмерной диаграммы чисел перехода (его марковская модель показана на фиг. 4а и хорошо согласуется с фиг. 6).

Как видно, предлагаемый имитатор с высокой точностью формирует случайный сигнал, статистические свойства которого определяются заданной марковской моделью.

Литература

1. Патент РФ №2472286 С1, опубликован 10.01.2013.

2. Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. М.: Радио и связь, 1985. - 384 с.

3. Патент РФ №2103725 С1, опубликован 27.01.1998.

4. Патент РФ №2207586 С2, опубликован 27.06.2003.

5. Дынкин Е.Б. Марковские процессы. М.: 1963, 860 с.

6. Казаков В.А. Введение в теорию марковских процессов и некоторые радиотехнические задачи. М.: Сов. Радио, 1973, 232 с.

7. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Наука, 1969. - 576 с.

8. Феер К. Беспроводная цифровая связь. Методы модуляции и расширения спектра. М.: Радио и связь, 2000 г. - 520 с.

Цифровой имитатор случайных сигналов, содержащий генератор опорной частоты, блок памяти, цифроаналоговый преобразователь, дополнительно содержит генератор равновероятных псевдослучайных чисел, тактовый вход которого соединен с генератором опорной частоты, а цифровой выход - с младшими разрядами блока памяти, и регистр, тактовый вход которого соединен с выходом генератора опорной частоты, а вход подключен к выходу блока памяти, выход регистра соединен со старшими разрядами блока памяти и с входом цифроаналогового преобразователя, выход которого образует аналоговый выход имитатора, а выход регистра - цифровой выход имитатора.
Цифровой имитатор случайных сигналов
Цифровой имитатор случайных сигналов
Цифровой имитатор случайных сигналов
Источник поступления информации: Роспатент

Показаны записи 1-10 из 105.
13.01.2017
№217.015.8ae6

Солнечный тепловой коллектор

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к солнечным тепловым коллекторам, используемым в теплоснабжении зданий и сооружений. В солнечном тепловом коллекторе может нагреваться как жидкий теплоноситель, подаваемый потребителю, так и воздух, направляемый в отапливаемые помещения. Жидкий...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002604119
Дата охранного документа: 10.12.2016
13.01.2017
№217.015.90f0

Сооружение коллективной защиты на базе пневматической опалубки

Сооружение коллективной защиты на базе пневматической опалубки может быть использовано для быстрого возведения сооружений типа оболочек в районах чрезвычайных ситуаций для временного размещения людей и материальных ценностей, а также в других случаях. Сооружение на базе пневматической опалубки...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002603975
Дата охранного документа: 10.12.2016
25.08.2017
№217.015.a567

Способ формирования на поверхности изделия из никелевого сплава композитного покрытия

Изобретение относится к напылению теплозащитных покрытий и может быть использовано в авиастроении и других областях машиностроения при производстве деталей турбинных двигателей и установок. Способ формирования на поверхности изделия из никелевого сплава композитного покрытия, содержащего оксид...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002607677
Дата охранного документа: 10.01.2017
25.08.2017
№217.015.b861

Метод возведения волнистых монолитных сводов и опалубка для его осуществления

Изобретение относится к строительству и может быть использовано для возведения сводов криволинейного очертания из монолитного фибробетона. Опалубочная система для возведения волнистых монолитных сводов состоит из отдельных пневмокаркасных арочных элементов, позволяющих формирование опалубки на...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002615202
Дата охранного документа: 04.04.2017
25.08.2017
№217.015.c991

Способ плазменного напыления покрытия

Изобретение относится к области нанесения покрытий и может быть использовано для упрочнения режущего инструмента и металлических деталей машин. Способ плазменного нанесения покрытия на металлическую заготовку включает нагрев поверхности заготовки и плазменное напыление слоя покрытия на ее...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002619410
Дата охранного документа: 15.05.2017
13.02.2018
№218.016.1ff1

Конструкция фундаментной плиты с регулируемыми усилиями

Изобретение относится к строительству, а именно к плитным фундаментам мелкого заложения для каркасных зданий и сооружений. Конструкция фундаментной плиты с регулируемыми усилиями, разделенная на секции узлами шарнирного действия, в которой оси шарниров образуют в плане прямоугольную сетку,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002641356
Дата охранного документа: 17.01.2018
13.02.2018
№218.016.2024

Узел шарнирного действия для фундаментной плиты с регулируемыми усилиями

Изобретение относится к строительству, а именно к фундаментам мелкого заложения для зданий и сооружений. Узел шарнирного действия для фундаментной плиты с регулируемыми усилиями включает ось вращения шарнирного узла, выполненного из стальной трубы с приваренными стальными пластинами,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002641357
Дата охранного документа: 17.01.2018
04.04.2018
№218.016.350c

Генератор индукторный

Изобретение относится к индукторным сегментным генераторам. Генератор индукторный содержит роторные элементы с валом, статор, элементы крепления и подшипники. Статор выполнен в виде полого прямоугольного профиля, одна сторона которого закреплена на несущем элементе, на противоположной стороне...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002645949
Дата охранного документа: 28.02.2018
04.04.2018
№218.016.3595

Ветроколесо электрогенератора сегментного типа

Изобретение относится к ветроэнергетике. Ветроколесо ветроэлектрогенератора сегментного типа содержит ступицу, спицы, обод, лопасти с устройством крепления к ободу. Устройство крепления лопастей к ободу выполнено в виде уголка, установленного снаружи обода, коробчатой скобы с торцевой...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002645877
Дата охранного документа: 28.02.2018
04.04.2018
№218.016.375b

Лабораторная установка по гидравлическим исследованиям

Изобретение относится к устройствам для обучения при проведении лабораторных работ по курсу «Гидравлика». Оно состоит из напорного бака с подводом воды, водомерного устройства, пьезометра-уровнемера из прозрачной трубки, водовыпускных отверстий, выполненных непосредственно в щите-затворе, ось...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002646559
Дата охранного документа: 05.03.2018
Показаны записи 1-10 из 17.
10.07.2014
№216.012.dbc5

Цифровой демодулятор сигналов с частотной модуляцией

Цифровой демодулятор сигналов с частотной модуляцией относится к области радиотехники и может быть использован в устройствах приема дискретной и аналоговой информации для цифровой демодуляции сигналов с частотной модуляцией или манипуляцией (ЧМ). Достигаемый технический результат - обеспечение...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002522039
Дата охранного документа: 10.07.2014
10.07.2015
№216.013.6137

Некогерентный цифровой демодулятор "в целом" кодированных сигналов с фазовой манипуляцией

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в устройствах приема цифровых информационных сигналов для цифровой демодуляции кодированных двоичных сигналов с фазовой манипуляцией (ФМ). Технический результат заключается в обеспечении высокоскоростной цифровой демодуляции...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002556429
Дата охранного документа: 10.07.2015
12.01.2017
№217.015.5ced

Цифровое квадратурное устройство фазовой синхронизации и демодуляции

Изобретение относится к области радиотехники. Особенностью заявленного цифрового квадратурного устройства фазовой синхронизации и демодуляции является то, что оно дополнительно содержит каскадно соединенные перемножающее устройство, усредняющее устройство, генератор, управляемый напряжением, и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002591032
Дата охранного документа: 10.07.2016
26.08.2017
№217.015.ec10

Цифровой демодулятор сигналов с квадратурной амплитудной манипуляцией

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в устройствах приема цифровых информационных сигналов для цифровой демодуляции многопозиционных сигналов с квадратурной амплитудной манипуляцией (КАМ). Достигаемый технический результат - обеспечение высокоскоростной...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002628427
Дата охранного документа: 16.08.2017
20.01.2018
№218.016.0ee7

Цифровой когерентный демодулятор сигналов с двоичной фазовой манипуляцией

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в устройствах приема цифровых информационных сигналов для когерентной цифровой демодуляции двоичных сигналов с фазовой манипуляцией (ФМ). Технический результат заключается в повышении помехоустойчивости при высокоскоростной...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002633183
Дата охранного документа: 11.10.2017
20.01.2018
№218.016.1310

Цифровой обнаружитель фазоманипулированных сигналов

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в устройствах обнаружения занятости и контроля канала связи с фазоманипулированными (ФМ) сигналами в многоканальных системах радиосвязи, при управлении радиоприемником и цифровыми модемами с ФМ сигналами, а также...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002634382
Дата охранного документа: 27.10.2017
10.05.2018
№218.016.43bc

Цифровой некогерентный демодулятор четырехпозиционных сигналов с относительной фазовой манипуляцией

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в устройствах приема цифровых информационных сигналов для цифровой некогерентной демодуляции четырехпозиционных сигналов с относительной фазовой манипуляцией (ОФМ4 или QPSK). Технический результат - обеспечение...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002649782
Дата охранного документа: 04.04.2018
09.06.2018
№218.016.5f02

Цифровой когерентный демодулятор четырехпозиционного сигнала с фазовой манипуляцией

Изобретение относится к области радиотехники. Технический результат заключается в обеспечении высокоскоростной цифровой когерентной демодуляции сигналов с четырехпозиционной фазовой манипуляцией. Цифровой когерентный демодулятор четырехпозиционного сигнала с фазовой манипуляцией содержит...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002656577
Дата охранного документа: 05.06.2018
26.07.2018
№218.016.7504

Цифровой измеритель статистических характеристик случайных сигналов

Изобретение относится к области радиотехники и измерительной техники. Технический результат заключается в обеспечении непрерывного цифрового измерения среднего значения и дисперсии случайных сигналов с высокой точностью при минимальном числе необходимых арифметических операций. Технический...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002662412
Дата охранного документа: 25.07.2018
25.10.2018
№218.016.95c8

Цифровой интегратор

Изобретение относится к областям радиотехники, измерительной и вычислительной техники и может быть использовано в устройствах интегрирования в системах цифровой обработки сигналов, системах управления и специализированных вычислительных устройствах. Технический результат заключается в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002670389
Дата охранного документа: 22.10.2018

Похожие РИД в системе

+ добавить свой РИД