×
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 21-30 из 124.
29.05.2018
№218.016.56d3

Скреперный поезд

Изобретение относится к землеройно-транспортному машиностроению, а именно к рабочим органам скреперных поездов. Технический результат – снижение энергоемкости копания путем обеспечения свободного резания по одному следу. Скреперный поезд включает тягач, передний ковш с вертикальными стенками и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002655005
Дата охранного документа: 23.05.2018
29.05.2018
№218.016.57ce

Способ определения коэффициента трения материалов

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано для определения коэффициента трения при пластическом деформировании листовых материалов в машиностроении, автомобилестроении, авиастроении и других отраслях промышленности. Сущность изобретения: образец в форме...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002654901
Дата охранного документа: 23.05.2018
29.05.2018
№218.016.57f6

Управляемая ножевая система скрепера

Изобретение относится к землеройно-транспортному машиностроению, а именно к рабочим органам скреперных агрегатов. Технический результат - уменьшение материалоемкости передней заслонки ковша от нагрузок копания. Управляемая ножевая система скрепера включает ножевую систему ковша, состоящую из...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002654918
Дата охранного документа: 23.05.2018
09.06.2018
№218.016.5ce8

Ротор ветроэнергогенератора

Изобретение относится к области ветроэнергетики. Ротор сегментного ветроэлектрогенератора содержит вал, ступицу, П-образные магнитопроводы. Ротор снабжен квадратным профилем с прикрепленными к нему по сторонам перемычками П-образных магнитопроводов, при этом к углам профиля прикреплены...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002656108
Дата охранного документа: 01.06.2018
09.06.2018
№218.016.5e73

Способ подачи рабочей среды

Изобретение относится к прошивке сквозных отверстий в закрытых полостях, предназначенных для содержания горючих веществ, например жидкого водорода и кислорода, применяемых в качестве топлива для ракетных двигателей, в которых до заполнения полостей горючими веществами не допускается наличие...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002656628
Дата охранного документа: 06.06.2018
09.06.2018
№218.016.5fb9

Способ объемной цементации грунтов

Изобретение относится к области строительства и может быть применено при инженерной подготовке строительных площадок для нового строительства. В способе объемной цементации песчаных, супесчаных, суглинистых грунтов и легких глин, включающем приготовление водной суспензии портландцемента с...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002656656
Дата охранного документа: 06.06.2018
09.06.2018
№218.016.5fc0

Способ образования пустот в строительных изделиях и устройство для его осуществления

Изобретение относится к промышленности строительных материалов, в частности к конструкционно-теплоизоляционным бетонным блокам, предназначенным для возведения зданий и сооружений различного назначения. Способ образования пустот в строительных изделиях включает заполнение форм бетонной смесью,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002656637
Дата охранного документа: 06.06.2018
04.07.2018
№218.016.6a80

Ветродвигатель роторный

Изобретение относится к ветроэлектрическим станциям с роторными ветродвигателями с вертикальной осью. Ветродвигатель роторный содержит вращающиеся основания с ветроприемниками и валами, валы установлены на поворотном основании, установленном на башне и снабженном направляющим устройством....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002659606
Дата охранного документа: 03.07.2018
04.07.2018
№218.016.6ac1

Роторный вертикальный ветродвигатель

Изобретение относится к области ветроэнергетики. Роторный вертикальный ветродвигатель содержит вращающиеся основания, приемки энергии, поворотное основание. Каждая пара приемников энергии выполнена в виде установленных на вращающихся основаниях наклонных стоек с подкосами, на концах стоек...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002659607
Дата охранного документа: 03.07.2018
05.07.2018
№218.016.6b6d

Ротор торцевой

Изобретение относится к области электромашиностроения. Ротор торцевой содержит вал с проводящим диском и замыкающим магнитопроводом. Замыкающий магнитопровод выполнен в виде основных полых с внутренней резьбой болтов, а также дополнительных болтов, причем между основными и дополнительными...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002659850
Дата охранного документа: 04.07.2018
Показаны записи 21-22 из 22.
16.05.2023
№223.018.5fc1

Цифровой измеритель параметров случайных процессов с распределением накагами

Изобретение относится к областям радиотехники и измерительной техники и может быть использовано в устройствах измерения параметров случайных сигналов с распределением вероятностей Накагами для оценки характеристик канала связи при наличии замираний и управления системой передачи информации....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002742695
Дата охранного документа: 09.02.2021
16.05.2023
№223.018.6142

Цифровой измеритель коэффициента корреляции случайного сигнала

Изобретение относится к областям радиотехники и измерительной техники и может быть использовано в устройствах измерения коэффициента корреляции случайного сигнала в устройствах оценки параметров случайного сигнала аппаратуры управления и передачи информации. Технический результат заключается в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002747725
Дата охранного документа: 13.05.2021
+ добавить свой РИД