Генератор случайных чисел

Полезная модель относится к области радиотехники и радиосвязи для решения прикладных задач вычислительными устройствами, включающими средства вычислительной техники (СВТ), входящими в состав аппаратуры.

В основу полезной модели положена задача создания генератора случайных чисел образованного регистром сдвига с обратной связью на сумматорах по модулю два и формирователем случайных пуассоновских импульсов.

Выполнение вышеуказанной технической задачи обеспечивается тем, что в генераторе случайных чисел, включающем генератор псевдослучайной последовательности (ПСП) на регистре сдвига с обратной связью на сумматорах по модулю 2, к генератору ПСП дополнительно подключен формирователь пуассоновских импульсов.

1 н.п.ф., 5 з.п.ф., 1 илл.

Полезная модель относится к области радиотехники и радиосвязи и может быть использовано для решения прикладных задач вычислительными устройствами, включающими средства вычислительной техники (СВТ), входящими в состав аппаратуры.

Известен генератор случайных сигналов, содержащий последовательно соединенные генератор синусоидального колебания и формирователь тактовых импульсов, а также генератор псевдослучайной последовательности (ПСП) и согласующий блок, в который введены последовательно соединенные первый, второй и третий делители частоты, последовательно соединенные первый сумматор по модулю два, первый полосовой фильтр и триггер Шмитта, а также второй - шестой сумматоры по модулю два, выходы которых соединены по одному соответственно с входами первого - пятого аттенюаторов, выходы которых подсоединены к соответствующим входам линейного сумматора, выход которого через второй полосовой фильтр соединен с входом согласующего блока, выход которого является выходом генератора случайных сигналов, при этом выход генератора ПСП соединен с первыми входами второго - шестого сумматоров по модулю два, вторые входы которых соединены с первым выходом формирователя тактовых импульсов, второй выход которого соединен с установочными входами первого, второго и третьего делителей частоты, кроме того, первый вход первого и третий вход третьего сумматоров по модулю два соединены с выходом первого делителя частоты, третий вход четвертого сумматора по модулю два - с выходом второго делителя частоты, а второй вход первого и третий вход пятого сумматоров по модулю два соединены с выходом третьего делителя частоты, причем выход триггера Шмитта соединен с третьим входом второго сумматора по модулю два, при этом третий делитель частоты и генератор ПСП соединены последовательно (патент РФ 2205495, Н03В 29/00, опубл. 27.05.2003).

Недостатком данного генератора является то, что в нем реализован способ генерации случайных сигналов регистром сдвига с обратной связью на сумматорах по модулю и вводом в обратную связь нелинейных функций, которые увеличивают длину псевдослучайных сигналов, но не исключают детерминированности процесса генерации потока импульсов.

Известен генератор псевдослучайных последовательностей импульсов (ГППИ) на однородной среде с программно меняющейся структурой, содержащий формирователь тактовых импульсов (ФТИ), блок управления и настройки (БУиН), в котором введены n-последовательно соединенных однородных ячеек, ФТИ предназначен для синхронизации работы всех устройств ГППИ и соединен линией тактирования с БУиН и со всеми однородными ячейками по входу тактирования ячеек, БУиН соединен шиной адреса со всеми однородными ячейками по адресным входам ячеек, шиной управления записью по входам управления записью ячеек, линией сброса по входам сброса ячеек, шиной кода настройки по управляющим входам настройки функционирования ячеек, первый информационный вход первой ячейки соединен с информационным выходом БУиН и предназначен для последовательного ввода начальной последовательности импульсов, первый информационный выход каждой предыдущей ячейки соединен с первым информационным входом последующей ячейки для организации прохождения информации без преобразования, второй информационный выход каждой предыдущей ячейки соединен со вторым информационным входом последующей ячейки для организации неуправляемого переноса информации между ячейками, а второй информационный выход последней n-й ячейки среды является последовательным выходом ГППИ, на который поступает сформированная последовательность импульсов, третьи информационные выходы и третьи информационные входы всех ячеек образуют шину данных (ШД), которая дает возможность параллельно вводить в ячейки среды информацию о начальном состоянии ГППИ и параллельно считывать с него информацию, ШД подключена к БУиН, четвертый информационный вход каждой предыдущей ячейки соединен с четвертым информационным выходом последующей ячейки, образуя обратную связь между ячейками среды для передачи информации с любой последующей ячейки на любую предыдущую, в зависимости от настройки (патент РФ 2331915, G06F 7/58, Н03К 3/84, опубл. 10.06.2007).

Генератор псевдослучайных последовательностей импульсов (ГППИ) на однородной среде с программно меняющейся структурой позволяет получать средствами вычислительной техники псевдослучайные последовательности импульсов большой длины. Недостатком данного генератора является отсутствие случайных сигналов от физических источников шума, а следовательно детерминированность процесса генерации импульсов.

Известен генератор псевдослучайных последовательностей, содержащий генератор тактовых импульсов, выход которого соединен с первыми сигнальными входами с первого по m триггеров соответственно, выходы которых через m умножителей соединены с n входами сумматора по модулю два соответственно, выход которого соединен со вторым, сигнальным входом первого триггера, введены последовательно соединенные делитель частоты, двухвходовый сумматор по модулю два и формирователь адреса, выход которого шиной соединен со вторым входом оперативно-запоминающего блока, первый вход которого соединен с выходом сумматора по модулю два, кроме того, выход генератора тактовых импульсов соединен с входом делителя частоты и со вторым входом двухвходового сумматора по модулю два, выход которого соединен с третьим входом оперативно-запоминающего блока. (патент РФ 2223593, Н03В 29/00, G06F 7/58, опубл. 10.02.2004).

Введение последовательно соединенных делителя частоты, двухвходового сумматора по модулю два и формирователя адреса, оперативно-запоминающего блока увеличивает длину псевдослучайных последовательностей импульсов. Недостатком данного генератора является детерминированность процесса.

В основу полезной модели положена задача создания генератора случайных чисел, образованного регистром сдвига с обратной связью на сумматорах по модулю два и формирователем случайных пуассоновских импульсов, в котором за счет введения формирователя пуассоновских импульсов уменьшается детерминированность процесса.

Выполнение вышеуказанной технической задачи обеспечивается тем, что в генераторе случайных чисел, включающем генератор псевдослучайной последовательности (ПСП) на регистре сдвига с обратной связью на сумматорах по модулю 2, к генератору ПСП дополнительно подключен формирователь пуассоновских импульсов.

В состав формирователя пуассоновских импульсов последовательно включены шумовой диод, согласующий усилитель аналогового шума, активный полосовой фильтр и аналого-цифровой преобразователь.

В цепь обратной связи регистра сдвига дополнительно введен сумматор по модулю 2, ко второму входу которого подключен формирователь пуассоновских импульсов.

Регистр сдвига с обратной связью реализован программно.

К аналого-цифровому преобразователю формирователя пуассоновских импульсов подключена схема контроля по средней частоте потока.

К регистру сдвига подключен блок контроля статистических характеристик генерируемых случайных чисел.

Циклическая структура регистра сдвига с числом разрядов «n» и линейной обратной связью на сумматорах по модулю 2 определяется свойствами ассоциированного с регистром двоичного многочлена.

Двоичный многочлен соответствующий регистру сдвига выбран неприводимым и примитивным, поэтому регистр генерирует бинарную последовательность полного периода 2 ⁿ-1.

Регистр сдвига с линейной обратной связью и дополнительно включенный сумматор по модулю 2 выполнены программно.

Формирователь случайных пуассоновских импульсов выполнен аппаратно и образован первичным источником аналогового шума - шумовым диодом.

Дополнительное введение в обратную связь регистра сдвига с сумматорами по модулю 2 генератора псевдослучайных последовательностей импульсов пуассоновского потока импульсов от специального формирователя обеспечивает получение случайного потока импульсов, а не псевдослучайного.

Состав предлагаемого генератора случайных чисел представлен на фиг.1.

Генератор случайных чисел включает формирователь пуассоновского импульсного шума, образованный первичным источником аналогового шума 1, к которому подключен согласующий усилитель аналогового шума 2, полосовой фильтр 3 и аналого-цифровой преобразователь 4. При этом выход формирователя пуассоновского шума подключен к сумматору по модулю два 8 в цепи обратной связи регистра сдвига из «n» разрядов 9₁-9_n. Обратная связь регистра сдвига образована сумматорами по модулю два 10 и сумматором по модулю два 8. Точки съема с разрядов регистра сдвига 9_| на сумматоры по модулю два 10 выбраны из условия неприводимости и примитивности двоичного многочлена ассоциированного с регистром.

В состав генератора случайных чисел включены устройства контроля формирователя пуассоновского импульсного шума по средней частоте потока, включающие делитель частоты 5, генератор опорной частоты 6 и схему сравнения частот 7.

Допустимые вероятностные характеристики на выходе генератора случайных чисел определяются программным анализатором 11.

При снижении частоты на выходе делителя менее частоты опорного генератора схема сравнения 7, а также при выходе за допустимые пределы вероятностных характеристик генерируемых случайных чисел программный анализатор по схеме «ИЛИ» 12 вырабатывают сигнал блокировки аппаратуры.

Работа предлагаемого генератора случайных чисел поясняется блок-схемой приведенной на Фиг.1.

Напряжение, снимаемое с первичного источника шума 1, поступает на согласующие усилители аналогового шума 2, предназначенное для согласования выходного импеданса первичного источника шума с входным импедансом активного полосового фильтра 3.

Активный полосовой фильтр 3 выделяет шумовой сигнал с равномерной спектральной плотностью из поступающего на его вход напряжения первичного источника шума, усиливают его и подают на вход аналого-цифрового преобразователя 4.

В результате этих преобразований на выходе аналого-цифрового преобразователя 4 генерируется последовательность импульсов напряжений с постоянной амплитудой, случайной длительностью и скважностью.

В основу построения генератора случайных чисел положен программно реализованный регистр сдвига из «n» разрядов 9₁-9_n с линейной обратной связью на сумматорах по модулю два 10.

Программно реализованный средствами вычислительной техники регистр сдвига с линейной обратной связью на сумматорах по модулю два обладает высокой скоростью работы, следовательно способен выработать большой объем псевдослучайных чисел.

При выборе числа разрядов регистра «n», точек съема с разрядов регистра к сумматорам по модулю два, формирующим линейную обратную связь из условия неприводимости и примитивности двоичного многочлена ассоциированного с регистром, образованная линейная последовательная сеть будет генерировать бинарную последовательность максимального периода равного 2ⁿ-1.

Вместе с тем, генерируемые бинарные последовательности линейной последовательной сетью на регистрах сдвига с обратной связью на сумматорах по модулю два образуют детерминированный процесс и при определении последовательности длиной более числа разрядов регистра практически исключена независимость вероятности появления последующего импульса от момента появления предыдущего, т.е. процесс предсказуем.

С целью усложнения предсказания появления последующего импульса от момента появления предыдущего в цепь обратной связи регистра сдвига включают нелинейные функции. Введение в обратную связь нелинейных функций не исключает детерминированности процесса генерации потока импульсов, а только увеличивают неопределенность в предсказании последствий. Одновременно введение нелинейных функций существенно замедляет процесс генерации импульсных потоков.

С целью получения высокой производительности предлагается генератор случайных чисел реализовать на регистре сдвига с обратной связью на сумматорах по модулю два, в которую дополнительно введен сумматор по модулю два 8, на второй вход которого с аналого-цифрового преобразователя 4 подают случайную импульсную пуассоновскую последовательность, образованную первичным источником аналогового шума - шумовым диодом 1.

Необходимо отметить, что использование в качестве генератора случайных чисел импульсных пуассоновских последовательностей напрямую ограничено верхней границей спектральной плотности первичных источников аналогового шума. Следовательно, такой генератор имеет низкую производительность.

В состав генератора случайных чисел включены устройства контроля формирователя случайных пуассоновских импульсов по средней частоте потока, включающие делитель частоты 5, генератор опорной частоты 6 и схему сравнения частот 7.

Допустимые вероятностные характеристики на выходе регистра сдвига генератора случайных чисел определяются программным анализатором 11.

При снижении частоты на выходе делителя менее частоты опорного генератора схема сравнения 7, а также при выходе за допустимые пределы вероятностных характеристик генерируемых случайных чисел программный анализатор по схеме «ИЛИ» 12 вырабатывают сигнал блокировки аппаратуры.

Предлагаемый генератор случайных чисел обладает высокой производительностью за счет высокой скорости работы программно реализованного регистра сдвига при одновременном высоком качестве выработанных случайных чисел за счет дополнительного введения через сумматор по модулю 2 в цепь обратной связи регистра сдвига импульсной случайной последовательности, образованного первичным источником аналогового шума.

1. Генератор случайных чисел, включающий генератор псевдослучайной последовательности (ПСП) на регистре сдвига с обратной связью, отличающийся тем, что к генератору ПСП дополнительно подключен формирователь пуассоновских импульсов.

2. Генератор случайных чисел по п.1, отличающийся тем, что в формирователь пуассоновских импульсов последовательно включены шумовой диод, согласующий усилитель аналогового шума, активный полосовой фильтр и аналого-цифровой преобразователь.

3. Генератор случайных чисел по п.1, отличающийся тем, что в цепь обратной связи регистра сдвига дополнительно введен сумматор по модулю 2, ко второму входу которого подключен формирователь пуассоновских импульсов.

4. Генератор случайных чисел по п.1, отличающийся тем, что регистр сдвига с обратной связью реализован программно.

5. Генератор случайных чисел по п.1, отличающийся тем, что к аналого-цифровому преобразователю формирователя пуассоновских импульсов подключена схема контроля по средней частоте потока.

6. Генератор случайных чисел по п.1, отличающийся тем, что к регистру сдвига подключен блок контроля статистических характеристик генерируемых случайных чисел.