генератор функций уолша

Формула изобретения

ГЕНЕРАТОР ФУНКЦИЙ УОЛША, содержащий счетчик, регистр, группу элементов И, сумматор по модулю два, триггер, первый и второй элементы И, первый элемент ИЛИ, первый формирователь случайной последовательности импульсов, реверсивный счетчик, третий и четвертый элементы И и второй элемент ИЛИ, причем выходы одноименных разрядов счетчика и регистра подключены к входам соответствующих элементов И группы, выходы элементов И группы - к входам сумматора по модулю два, выход переполнения счетчика - к первому входу первого элемента ИЛИ, выход которого подключен к счетному входу триггера, инверсный выход триггера и выход сумматора по модулю два подключены к входам первого элемента И, выход которого является выходом генератора, выход первого формирователя случайной последовательности импульсов соединен с первыми входами второго и третьего элементов И, второй вход второго элемента И - с первым входом четвертого элемента И и подключен к прямому выходу триггера, второй вход третьего элемента И подключен к инверсному выходу триггера, второй вход четвертого элемента И - к тактовому входу генератора, выход второго элемента И - к последовательному входу регистра, выходы третьего и четвертого элементов И - соответственно к суммирующему и вычитающему входам реверсивного счетчика, выход реверсивного счетчика поразрядно подключен к входам второго элемента ИЛИ, выход которого подключен к установочному входу счетчика и второму входу первого элемента ИЛИ, отличающийся тем, что в него введены источник отрицательного напряжения, интегратор, блок сравнения, второй формирователь случайной последовательности импульсов, аналоговый сумматор и блок памяти, причем вход второго формирователя случайной последовательности импульсов подключен к тактовому входу генератора, выход - к суммирующему входу аналогового сумматора, выход которого соединен с информационным входом блока памяти, выход которого подключен к второму входу блока сравнения, первый вход которого соединен с выходом интегратора, информационный вход которого подключен к выходу источника отрицательного напряжения, вход установки в исходное состояние интегратора соединен с выходом блока сравнения, выход которого подключен к входу первого формирователя случайной последовательности импульсов и второму входу четвертого элемента И, выход переполнения счетчика соединен с установочными входами аналогового сумматора и блока памяти, выход блока сравнения подключен к счетному входу счетчика.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в стохастических функциональных преобразователях, стохастических вычислительных устройствах при вероятностном моделировании и стохастической обработке данных.

Известен стохастический генератор функций Уолша, содержащий первый и второй n-разрядные (2ⁿ - число генерируемых функций) счетчики, группу из n элементов И, блок сумматоров по модулю два, первый и второй элементы И, генератор шума, пороговый элемент, второй триггер, D-триггер, третий, четвертый и пятый элементы И, первый и второй элементы НЕ и элемент ИЛИ [1].

Однако этот генератор имеет ограниченные функциональные возможности, так как способен генерировать функции Уолша только со случайным изменением их номеров в системе упорядочения по Уолшу-Адамару. В этом стохастическом генераторе функций Уолша отсутствует возможность генерирования функций Уолша со случайными номерами, со случайными паузами между последовательно генерируемыми функциями и со случайной длительностью генерируемых функций Уолша.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является генератор функций Уолша, содержащий счетчик, регистр, группу элементов И, сумматор по модулю два, триггер, первый и второй элементы И, первый элемент ИЛИ, формирователь случайной последовательности импульсов, реверсивный счетчик, третий и четвертый элементы И, второй элемент ИЛИ, причем счетный вход счетчика подключен к тактовому входу генератора, выходы одноименных разрядов счетчика и регистра подключены к входам соответствующих элементов И группы, выходы элементов И группы подключены к входам сумматора по модулю два, выход переполнения счетчика подключен к первому входу первого элемента ИЛИ, выход которого подключен к счетному входу триггера, инверсный выход триггера и выход сумматора по модулю два подключены к входам первого элемента И, выход которого является выходом генератора, вход формирователя случайной последовательности импульсов подключен к тактовому входу генератора, выход формирователя случайной последовательности импульсов соединен с первыми входами второго и третьего элементов И, второй вход второго элемента И соединен с первым входом четвертого элемента И и подключен к прямому выходу триггера, второй вход третьего элемента И подключен к инверсному выходу триггера, второй вход четвертого элемента И подключен к тактовому входу генератора, выход второго элемента И подключен к последовательному входу регистра, выходы третьего и четвертого элементов и подключены соответственно к суммирующему и вычитающему входам реверсивного счетчика, выход реверсивного счетчика поразрядно подключен к входам второго элемента ИЛИ, выход второго элемента ИЛИ подключен к установочному входу счетчика и к второму входу первого элемента ИЛИ [2].

Недостатком известного генератора являются ограниченные функциональные возможности, поскольку он обеспечивает генерирование функций Уолша со случайными номерами и со случайными паузами между последовательно генерируемыми функциями, но не способен генерировать функции, имеющие случайную длительность. Однако в задачах вероятностного моделирования и обработки данных в стохастических устройствах часто возникает необходимость генерирования функций Уолша со случайными номерами, случайными паузами между последовательно генерируемыми функциями и со случайной длительностью функций. В предлагаемом стохастическом генераторе функций Уолша этот недостаток устраняется.

Цель достигается тем, что в генератор функций Уолша, содержащий счетчик, регистр, группу элементов И, сумматор по модулю два, триггер, первый и второй элементы И, первый элемент ИЛИ, первый формирователь случайной последовательности импульсов, реверсивный счетчик, третий и четвертый элементы И, второй элемент ИЛИ, причем входы одноименных разрядов счетчика и регистра подключены к входам соответствующих элементов И группы, выходы элементов И группы подключены к входам сумматора по модулю два, выход переполнения счетчика подключен к первому входу первого элемента ИЛИ, выход которого подключен к счетному входу триггера, инверсный выход триггера и выход сумматора по модулю два подключены к входам первого элемента И, выход которого является выходом генератора, выход первого формирователя случайной последовательности импульсов соединен с первыми входами второго и третьего элементов И, второй вход второго элемента И соединен с первым входом четвертого элемента И и подключен к прямому выходу триггера, второй вход третьего элемента И подключен к инверсному выходу триггера, второй вход четвертого элемента И подключен к тактовому входу генератора, выход второго элемента И подключен к последовательному входу регистра, выходы третьего и четвертого элементов И подключены соответственно к суммирующему и вычитающему входам реверсивного счетчика, выход реверсивного счетчика поразрядно подключен к входам второго элемента ИЛИ, выход второго элемента ИЛИ подключен к установочному входу счетчика и к второму входу первого элемента ИЛИ, введены источник отрицательного напряжения, интегратор, блок сравнения, второй формирователь случайной последовательности импульсов, аналоговый сумматор и блок памяти, причем вход второго формирователя случайной последовательности импульсов подключен к тактовому входу генератора, выход второго формирователя случайной последовательности импульсов подключен к суммирующему входу аналогового сумматора, выход которого соединен с информационным входом блока памяти, выход которого подключен к второму входу блока сравнения, первый вход которого соединен с выходом интегратора, информационный вход которого подключен к выходу источника отрицательного напряжения, вход установки в исходное состояние интегратора соединен с выходом блока сравнения, выход блока сравнения подключен к входу первого формирователя случайной последовательности импульсов и второму входу четвертого элемента И, выход переполнения счетчика соединен с установочными входами аналогового сумматора и блока памяти, выход блока сравнения подключен к счетному входу счетчика.

На фиг. 1 представлена структурная схема стохастического генератора функций Уолша.

Стохастический генератор функций Уолша содержит счетчик 1, группу элементов И 2, сумматор 3 по модулю два, триггер 4, элементы И 5 и 6, элемент ИЛИ 7, регистр 8, первый формирователь 9 случайной последовательности импульсов, элементы И 10 и 11, реверсивный счетчик 12, элемент ИЛИ 13, источник 14 отрицательного напряжения, интегратор 15, блок 16 сравнения, второй формирователь 17 случайной последовательности импульсов, аналоговый сумматор 18, блок 19 памяти.

Генератор работает следующим образом.

В исходном состоянии счетчики 1, 12, триггер 4, интегратор 15, аналоговый сумматор 18 обнулены, регистр 8 и блок 19 памяти в момент включения устанавливаются в случайные положения.

Тактовые импульсы начинают поступать на вход второго формирователя 17 случайной последовательности импульсов. Источник 14 отрицательного напряжения формирует отрицательное напряжение, поступающее на информационный вход аналогового интегратора 15. Аналоговые интеграторы строятся на основе инвертирующего включения (см. Аналоговые и цифровые интегральные микросхемы. Справочное пособие под ред. С.В. Якубовского. М.: Радио и связь, 1984, с. 271). В результате фаза выходного сигнала сдвинута на 180^о относительно фазы входного сигнала, т.е. при поступлении на вход аналогового интегратора 15 отрицательного напряжения на его выходе формируется положительное линейно нарастающее напряжение, поступающее на первый вход блока 16 сравнения, на второй вход которого подается постоянное напряжение с выхода блока 19 памяти, значение которого является случайным, поскольку в момент включения блок памяти установился в случайное положение. Блок 16 сравнения сравнивает оба напряжения, поступающие на его два входа, и формирует на своем выходе импульс, когда напряжения оказываются одинаковыми.

Импульсы с выхода блока 16 сравнения поступают на тактовый вход счетчика 1, на вход первого формирователя 9 случайной последовательности импульсов и на вход установки в исходное состояние интегратора 15. В результате на выходе интегратора 15 формируется пилообразное напряжение. Амплитуда и длительность зубцов этой пилы пропорциональны напряжению на выходе блока 19 памяти, следовательно, частота следования импульсов на выходе блока 16 сравнения также пропорциональна этому напряжению.

Таким образом, значение напряжения на выходе блока 19 памяти определяет случайную длительность элементов функций Уолша, а значит, и длительность каждой функции Уолша, формируемой на выходе генератора.

Под воздействием импульсов, поступающих с выхода блока 16 сравнения на счетный вход счетчика 1, на разрядных выходах счетчика фоpмиpуются функции Радемахера, которые через группы элементов И 2 в соответствии с кодом номера функции Уолша, находящимся в регистре 8, поступают на входы сумматора 3 по модулю два. Функция Уолша, сформированная на выходе сумматора 3, через открытый элемент И 6 выдается на выход генератора.

Случайные импульсы поступают от формирователя 9 на закрытый элемент И 5 и через открытый элемент И 10 на суммирующий вход реверсивного счетчика 12. После заполнения счетчика 1 сигнал с его выхода через элемент ИЛИ 7 опрокидывает триггер 4, закрывая выход генератора элементом И 6 и суммирующий вход счетчика 12, и открывает элементы И 5 и 11. Сигнал с выхода счетчика 1 поступает также на установочные входы аналогового сумматора 18 и блока 19 памяти. Таким образом, к моменту переключения триггера на выход генератора выдается функция Уолша с номером, заданным кодом на регистре 8, и длительностью, определяемой значением напряжения на выходе блока 19 памяти, на счетчике 12 сформирован код, определяющий длительность последующей за выданной функцией паузы. После переключения триггера 4 случайные импульсы начинают поступать на последовательный вход регистра 8, формируя к моменту следующего переключения триггера 4 случайный номер очередной функции Уолша. Тактовые импульсы начинают уменьшать содержимое реверсивного счетчика 12, и в момент обнуления счетчика 12 через элементы ИЛИ 13 и 7 сбрасывается счетчик 1 и опрокидывается триггер 4. На этом пауза случайной длительности заканчивается и начинается выдача следующей функции Уолша с номером, определяемым кодом регистра 8.

Случайная длительность этой функции Уолша задается следующим образом. В течение времени формирования предыдущей функции Уолша на вход формирователя 17 поступают тактовые импульсы с тактового входа генератора. Случайные импульсы с выхода формирователя 17 поступают на суммирующий вход аналогового сумматора 18. С выхода сумматора 18 случайное напряжение, определяемое количеством поступивших импульсов, подается на информационный вход блока 19 памяти. В момент поступления импульса переполнения на установочные входы аналогового сумматора 18 и блока 19 памяти в блоке 19 запоминается значение напряжения, поступающего на его информационный вход, а сумматор 18 обнуляется.

Случайное напряжение с выхода блока 19 памяти поступает на второй вход блока 16 сравнения, причем значение этого напряжения определяет случайную длительность функции Уолша, формируемой после паузы.

В дальнейшем работает генератор аналогично описанному выше.

На фиг. 2 приведены временные диаграммы, иллюстрирующие процесс формирования сигналов в предлагаемом генераторе.

На диаграммах показано временное состояние тактовых импульсов, поступающих на тактовый вход генератора, - а, выхода второго формирователя 17 случайной последовательности импульсов - б, выхода аналогового сумматора 18 - в, выхода блока 19 памяти - г, выхода интегратора 15 - д, выхода блока 16 сравнения - е, выхода переполнения счетчика 1 - ж, выхода генератора, на котором формируются случайная функция Wal (5,0) длительностью Т₁, определяемой значением напряжения U₁ на выходе блока 19 памяти, пауза случайной длительности Т_п, а также случайная функция Wal (7,0) длительностью Т₂, определяемой значением напряжения V₂ на выходе блока 19, - з.

Таким образом, предлагаемый генератор функций Уолша обладает более широкими функциональными возможностями по сравнению с известным генератором, так как в нем генерируются функции Уолша последовательно друг за другом со случайным номером, случайной паузой между функциями и со случайной длительностью генерируемых функций Уолша, что позволяет использовать предлагаемый стохастический генератор функции Уолша в стохастических преобразователях информации, в устройствах стохастической вычислительной техники для эффективного решения задач вероятностного моделирования и обработки данных.