×
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 41-50 из 124.
15.10.2018
№218.016.928e

Ротор сегментного ветроэлектрогенератора

Изобретение относится к ветроэнергетике. Ротор сегментного ветроэлектрогенератора содержит ступицу, лопасти, ферромагнитные элементы, установленные на дугах, уголки крепления к ступице лопастей. Ступица выполнена в виде двух кольцевых образующих, соединенных с помощью втулки, между уголками...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002669613
Дата охранного документа: 12.10.2018
16.10.2018
№218.016.92b2

Ветроэнергетическая установка

Изобретение относится к ветроэнергетике. Ветроэнергетическая установка содержит башню, поворотное основание, ориентирующий элемент, ветроколесо, генератор. Поворотное основание снабжено стойками с подшипниками, в которых установлен горизонтальный вал, на валу снизу размещен генератор, а сверху...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002669722
Дата охранного документа: 15.10.2018
19.10.2018
№218.016.93ec

Сегментный ветроэлектрогенератор

Изобретение относится к ветроэнергетике. Сегментный ветроэлектрогенератор содержит трубостойку, сегментный статор и сегментный ротор в виде ветроколеса с лопастями, вращающееся основание. Вращающееся основание выполнено в виде тела вращения, нижняя часть которого - цилиндрическая, а верхняя - в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002669891
Дата охранного документа: 16.10.2018
23.10.2018
№218.016.953e

Способ определения ширины зоны концентратов растягивающих остаточных сварочных напряжений стыкового соединения из стали

Изобретение относится к области сварочного производства и может быть использовано при проектировании и производстве сварных конструкций. Для определения ширины зоны концентраторов растягивающих остаточных сварных напряжений сваривают встык две стальные пластины швом, состоящим из двух участков....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002670350
Дата охранного документа: 22.10.2018
25.10.2018
№218.016.95e8

Способ отрезки заготовки от прутка механическими ножницами

Изобретение относится к разделительным операциям обработки металлов давлением и может быть использовано при применении механических прессов и ножниц. Способ отрезки заготовки от прутка механическими ножницами включает упругое деформирование звеньев замкнутой кинематической цепи ножниц и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002670349
Дата охранного документа: 22.10.2018
27.10.2018
№218.016.96f1

Способ автоматической сварки плавлением

Изобретение относится к области сварочного производства и может быть использовано при дуговой сварке с подогревом преимущественно тонколистовых конструкций из сталей, склонных к закалке. Способ включает местный подогрев свариваемых деталей посредством индукционного источника нагрева, в качестве...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002670828
Дата охранного документа: 25.10.2018
01.11.2018
№218.016.981b

Способ возведения стенчатого фундамента с использованием ребристых плит перекрытий (покрытий)

Изобретение относится к строительству и может быть использовано при возведении стенчатого фундамента. Способ возведения стенчатого фундамента с использованием ребристых плит перекрытий (покрытий) включает поперечные или продольные стены, опирающиеся на нижнюю плиту или ростверк и связанные...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002671019
Дата охранного документа: 29.10.2018
01.11.2018
№218.016.9882

Артикулятор

Изобретение относится к робототехнике, а точнее к медицинским роботам, применяющимся в ортопедической стоматологии в качестве автоматических артикуляторов - имитаторов движения нижней челюсти, с помощью которых осуществляется подгонка зубных рядов при протезировании. Артикулятор содержит...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002671029
Дата охранного документа: 29.10.2018
15.11.2018
№218.016.9ddb

Способ стабилизации положения проволочного электрода и устройство для его применения

Изобретение относится к электроэрозионной резке заготовки непрофилированным проволочным электродом, для стабилизации положения которого используют два источника тока, один из которых выполнен с возможностью систематической подачи импульсов тока на заготовку и электрод для осуществления...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002672462
Дата охранного документа: 14.11.2018
02.12.2018
№218.016.a312

Муфта кривошипно-шатунного пресса

Изобретение относится к прессовому оборудованию. Муфта кривошипно-шатунного пресса содержит основной диск с опорным диском и крышкой, ведомый, шлицевой и нажимной диски. Последний имеет возможность перемещения посредством штоков модульных приводов. Каждый привод имеет редуктор, преобразователь...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002673690
Дата охранного документа: 29.11.2018
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