DE2820425A1

DE2820425A1 - Zufallrauschgenerator und einen derartigen generator aufweisende stochastische kodiervorrichtung

Info

Publication number: DE2820425A1
Application number: DE19782820425
Authority: DE
Inventors: Francis Castanie; Henri Crabere; Jean-Claude Prof Hoffmann; Jean-Pierre Verdier; Norbert Voisin
Original assignee: Airbus Group SAS
Current assignee: Airbus Group SAS
Priority date: 1977-05-06
Filing date: 1978-05-08
Publication date: 1978-11-09
Also published as: IT7823077A0; JPS6159009B2; IT1095989B; JPS53138669A; DE2820425C2; US4176399A; FR2390047B1; GB1580888A; FR2390047A1

Description

Zufallrauschgeneral;or und einen derartigen Generator aufweisende stochastisch^ Kodiervorrichtung

Die Erfindung betrifft einen Generator einer binären Zufallsvariable, durch den eine analoge oder numerische Information stochastisch kodiert werden kann.

Es ist bekannt, daß die stochastische Kodierung einer analogen oder numerischen Information χ darin besteht, dieser Information eine diskrete Zufallsvariable χ entsprechen zu lassen, deren statistisches Mittel P gleich χ ist. ""ine besondere -Anwendung des Prinzips stellt der Fall dar, bei dem χ binär und aus den Zuständen O und 1 gebildet ist. In diesem Fall stellt P die Wahrscheinlichkeit dar, das 1.

Es ist darüber hinaus bekannt, daß eine derartige stochastische Kodierung in bestimmten Rechnern und Datenwandlern sowie zur Informationsübertragung verwendet wird.

Es sind bereits stochastische Kodiervorrichtungen einer analogen Information bekannt, die einen Komparator mit zwei Eingängen enthalten, von denen der eine die analoge information empfängt und der andere ein analoges Zufallsrauschen, das aus einem Rauschgenerator stammt, der im allgemeinen eine Rauschquelle wie einen Widerstand, eine Rauschdiode, eine Zenerdiode usw. aufweist.

Die Anmelderin hat dabei festgestellt, daß die oben definierte Wahrscheinlichkeit P mit einer Genauigkeit von ICT^ bis 10 gleich 0,5 sein muß. Eine derartige Genauigkeit läßt sich jedoch mit den herkömmlichen Vor-

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richtungen nicht erzielen.

Zusätzlich zu dieser Zielsetzung der Erfindung soll eine stochastische Kodiervorrichtung geschaffen werden, durch die insbesondere eine die obige Bedingung erfüllende binäre Wahrscheinlichkeitsvariable erzeugt werden kann, so daß sie z.-B. in der flugzeugsteuerung verwendet werden kann.

Zur lösung der erfindungsgemäßen ^Aufgabe ist der zur stochastischen Kodierung einer analogen Information verwendbare Generator, der einen Komparator mit zwei Eingängen aufweist, von denen der eine eine Bezugsspannung und der andere eine analoges, von einer ^auschquelle geliefertes Zufallrauschen empfängt, wobei der Komparator an seinem Ausgang ein ^ignal mit binären Zufallsübergängen liefert, dadurch gekennzeichnet, daß er einen Taktgeber und ein Logiksystem umfaßt, die einerseits eine Probenahme des binären Zufallübergangssignals, das mit der Frequenz des Taktgebers im ^Mleichtakt liegt, und andererseits die gleiche Wahrscheinlichkeit des beiden Logikzustände des binären Zufallübergangssignals liefern.

Vorzugsweise liegt die Frequenz des Taktgebers unter der der Äauschquelle. So kann z.B. die frequenz des Taktgebers zwischen 50OKHz und 25 MHz geregelt werden, während die Hittelfrequenz der Rauschquelle bei etwa 30 MHz liegt.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Generator so ausgebildet, daß zur Probenahme des binären Zufallübergangssignals das Logiksystem eine Flip-Plop-Schaltung aufweist, die dieses Signal und das des Taktgebers empfängt, während für die Lieferung der gleichen Wahrscheinlichkeit das Logiksystem eine ^x'eilerschaltung durch Zwei des Taktgebersignals und ein

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exklusives ODER-Ior mit zwei Eingängen besitzt, von denen einer das Signal der Zweierteilerschaltung und der andere das binäreZufallübergangssignal nach der Probenahme empfängt. Vorzugsweise liegt ein ^üignalwender zwischen dem !Taktgeber und entweder der Synchronisierschaltung oder Zweierteilerschaltung.

Die Äauschquelle kann ein Widerstand, eine Flächendiode oder dgl. sein. Vorzugsweise weist die Rauschquelle jedoch eine Zenerdiode auf, die von veränderlichen Spannungsgebern gespeist wird, die derart geregelt werden, daß der Betriebspunkt der Diode in der Nähe des Knicks ihrer Charakteristik liegt.

Zwischen den Komparator und das Logiksystem kann eine i'ormungs schaltung des binären Zufallübergangssignals geschaltet werden.

Durch den Rauschgenerator nach der Erfindung läßt sich eine Vorrichtung für die stochastische Kodierung einer analogen oder numerischen Information schaffen, die einerseits einen derartigen Generator und andererseits zumindest einen Eingangschieberegister mit parallelen Serienausgängen verwendet, dessen Eingang am Ausgang des logischen Tors liegt, wobei das Schieberegister durch den !Taktgeber synchronisiert wird.

^n einer abgeänderten Ausführungsform kann eine Vorrichtung zur stochastischen Kodierung einer analogen Information mehrere binäre Zufallrauschgeneratoren nach der Erfindung aufweisen, wobei der Taktgeber, die Zweierteilerschaltung und der Signalwender allen Generatoren gemein ist.

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Die Erfindung wird nachstehend an mehreren Ausführungsbeispielen in Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Sehaltschema einer ersten Ausführungsform des binären Zufallrauschgenerators nach der Erfindung,

Fig. 2 ein Schaltschema einer Zufallrauschquelle für den Generator der Fig. 1,

Fig. 3a bis 3g Kurvenbilder der Funktionsweise des

Rauschgenerators nach Fig. l,

Fig. 4 ein Schaltschema einer stochastischen !Codiervorrichtung für den Einsatz des Generators der Fig. 1, und

Fig. 5 eine abgeänderte Ausführungsform einer stochastischen Kodiervorrichtung nach der Erfindung.

In den Zeichnungen stehen gleiche Bezugszeichen für gleiche Bauteile.

Die Grundschaltung 1 der stochastischen Kodiervorrichtung nach der Erfindung weist gemäß Figur 1 eine Zufallrauschquelle 2, die z.B. ein Widerstand oder eine Flächendiode sein kann, einen Verstärker des Rauschens B der Quelle 2, einen Komparator 4 mit den beiden Eingängen 5 und 6, von denen der erste das Rauschen B und der zweite eine Kompensations- oder Bezugsspannung y empfängt, gegebenenfalls eine am ^Ausgang des Komparators 4 liegende Formungsvorrichtung 7, eine Synchronisiervorrichtung 8, die

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jeweils an ihren beiden Eingängen das von der Vorrichtung 7 gelieferte Signal und das vom Ausgang 9 des Taktgebers 10 stammende ^Dignal empfängt, eine Zweierteilerschaltung 11, dieüber den Wender 12 das Signal des Taktgebers empfängt und ein exklusives ODER-Tor 13 mit den beiden "ingängen 14 und 15 auf, die jeweils von den Ausgängen der Synchronisiervorrichtung 8 und der ^eilerschaltung 11 gespeist werden. Der Ausgang 16 des Tors 13 bildet den Ausgang der Grundschaltung 1.

Vorzugsweise weist, wie Figur 2 zeigt, die Rauschquelle 2 ■· einer Zenerdiode 17 auf, die über ein Potentiometer 18 und gegebenenfalls ein -Filterglied 19 gespeist wird und über eine kapazitive Verbindung 20 am Verstärker 3 liegt. Durch diese Diode kann beispielshalber ein Rauschen B von 30 bis 4OmV (Impuls-Gipfel an Impuls-Gipfel) mit einer mittleren Frequenz von etwa 30 MHz erzeugt werden.

Das Potentiometer 18 hat die ^Aufgabe, den Betriebspunkt der Zenerdiode 17 in einem Bereich derart zu reglen, daß ihr Rauschen die beabsichtigten Verwendung zweckmäßige Charakteristik besitzt, und zwar wird

- eine größere Langzeitstabilität bei gleichförmigem Lawinen-Laufzeitbetrieb und

- eine größere Mittelfrequenz bei Mikroplasma-Betrieb erzielt.

Der Verstärker 3 kann eine Art integrierter Videofrequenzverstärker mit einem Verstärkungsgrad von 20 bis 30 sein. Er kann aber auch aus einem einfachen als Verstärker geschalteter Transistor bestehen. Es wäre möglich, auch andere Arten von Verstärkern zu verwenden.

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Der Komparator 4- muß Charakteristiken aufweisen, die mit den erwarteten Leistungen des Generators verträglich sind, insbesondere was die Hysteresis und die Dauer der Übergänge "betrifft. Dies ist zweckmäßig durch die Verfahrenstechnik nach SCHOTTKY zu erreichen.

Durch das Potentiometer 21 kann die Nullfeineinstellung durchgeführt werden, um das Rausehen B mit kontinuierlich Null un die Regelung der Gleichwahrseheinlichkeit der binären Zustände des Ausgangssignals zu vergleichen.

Die gegebenenfalls verwendete Formungsschaltung 7 kann aus einem einfachen logischen UND- oder NICHT-UND-Tor bestehen.

Die Synchronisiervorrichtung 8 besteht zweckmäßig aus einem Flip-Flop, der beispielshalber auf die Koinzidenz einer aufsteigenden (oder absteigenden) Vorderflanke des Taktsignals auf 1 und des von der Vorrichtung 7 gelieferten Signals von 1 umkippt und hiernach während der gesamten Periode des Taktsignals bei 1 bleibt, um dann auf 0 zurückzuschalten, wenn am Ende der Periode das von der Errichtung 7 kommende Signal 0 ist, oder bei 1 zu bleiben, wenn das letztere Signal 1 ist.

Der ^Aeiler kann auch aus einem Flip-Flop bestehen.

Die Arbeitsweise der Vorrichung von Figur 1 wird nun anhand der Kurven a bis £ der Figur 3 beschrieben, die verschiedene Signale als Funktion der Zeit t darstellen.

Das Kurvenbild a stellt das von der Quelle 2 erzeugte und vom Verstärker 3 verstärkte Zufallrauschen B sowie die Kompensationsspannung y dar. Im Komparator 4 werden

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die Signale B und y verglichen und man erhält am Ausgang des !Comparators oder nach der Formung am Ausgang der Vorrichtung 7 das binare Zufallübergangssignal des Kurvenbildes b, z.B. bei B < y eine logische 0 und bei B>y eine logische 1. Somit gewinnt man aufgrund des !Comparators 4 ein erstes binäres Rauschen B.

Aufgrund des Prinzips der ^ildung ues Signals vom Kurvenbild b durch Vergleichen der Signale B und y (Kurvenbild a) wird jedoch das binäre Übergangssignal aus der Zustandsfolge 0 oder 1 allgemein unterschiedlicher und dem Zufall unterworfener Breiten gewonnen. ^Aus dem Prinzip ergibt sich, daßnicht nur die Stellung und der Wert 0 oder 1 der Zahlen, sondern auch deren Breite dem Zufall unterworfen sind. Es ist für die spätere Verwendung des Zufallssignals des Kurvenbilds b zweckmäßig, daß die Übergänge zwischen den Zuständen 0 und 1 des binären Signals zu den Taktmomenten erscheinen.

Um dies im Flip-Flop 8 zu erreichen, wird das binäre Übergangssignal des Kurvenbildes b mit der Frequenz des Taktgebers 10 (z.B. gleich 1 MH?) abgetastet. Das Kurvenbild c zeigt das ^üignal des Taktgebers 10. Das Ergebnis der Abtastung erscheint am Ausgang von Flip-Flop 8 und ist im Kurvenbild d dargestellt. Es wird für die Bildung dieses abgetasteten Signals angenommen, daß das Ausgangssignal von Flip-Flop 8 auf 1 übergeht, wenn die aufsteigende Vorderflanke des Taktgebersignals mit ein 1 des binären Übergangseignais zusammenfällt, während der gesamten Taktzeit bei 1 bleibt und wieder auf 0 zurückkehrt, wenn die folgende Vorderflanke des Taktgebersignals mit einer 0 des binären Übergangssignals zusammenfällt, oder bei 1 bleibt, wenn diese folgende aufsteigende

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Vorderflanke mit einer 1 des binären Übergangssignals zusammenfällt.

Somit ergibt sich nach der Probenahme oder Abtastung durch das Flip-Flop 8 das binäre Signal des Kurvenbildes d. Es ist hierzu anzumerken, daß, obgleich es sich vom binären Übergangssignal des Kurvenbildes b unterscheidet, das binäre Signal von d dem Zufall unterworfen bleibt, da seine 0 und 1 Zustände durch die Veränderungen des binären Übergangssignals bestimmt werden.

Dies trifft umsomehr zu, wie die Frequenz des Taktgebers unter oder auf gleicher Höhe mitder mittleren Frequenz des Rauschens B liegt. Somit läßt sich nicht nur die Wahl von Taktgeber 10 ausgehend von einer Quelle von beispielshalber 30 MHz ein binäres ^bignal gewinnen, dessen Frequenz z.B. zwischen 500 KHz und 25 MHz regelbar ist, was für die beabsichtigte Verwendung zweckmäßig ist und wodurch die Folgen einer vergessenen 0 oder einer 1 oder die Überlagerung einer Störung vermieden wird, um sicher zu sein, daß das aus dem Flip-Flop stammende binäre Signal eine echtes Zufallsignal ist, ist es wichtig, daß die Frequenz des Taktgebers 10 unter der mittleren Frequenz des von der Quelle 2 kommenden Rauschene B liegt. Die Grequenz des Taktgebers 10 bestimmt demnach die binäre Rauschfrequenz ohne dabei ihren Zufallcharakter zu verändern.

Selbstverständlich kann die Frequenz des Taktgebers einstellbar sein.

Das vom Taktgeber 10 kommende ^üignal wird im Wender verkehrt, was das Kurvenbild e_ wiedergibt.

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Der Flip-Plop 11 teilt die Frequenz des Signals vom Wender

durch, zwei, und das Kurvenbild f zeigt das sich ergebende Signal, das an den ^ingang 15 des lors 13 gegeben wird. Darüber hinaus empfängt das ¹Or auf seinem Eingang 14 das vom Flip-Flop 8 abgetastete in im Kurvenbild d wiedergegebene Signal. Hiernach zeigt das am Ausgang 16 des exklusiven ODER-Tors 16 den im Kurvenbild £ dargestellten Verlauf.

Der Generator der Figur 1, dessen Arbeitsweise anhand der Kurvenbilder 3a bis 3£ erläutert würde, ist in der Lage, statistisch voneinander unabhängige Zufallsbinärzahlen mit gleicher Verteilung bei einer maximalen Leistung von etwa 25 Megabit pro Sekunde zu liefern.

Zur Regelung des Rauschgenerator der Figur 1 wird ein Frequenzmesser 24 verwendet, der am Ausgang des Komparators 4 liegt und der die mittlere Frequenz der Zufallübergänge des vom Komparator abgegebenen Signals anzeigt. Durch Regeln des Potentiometers 18 (siehe .Figur 2) wird der Betriebsbereich der Diode 17 ermittelt, der zur maximalen Frequenz führt, -"ieses Resultat kann noch durch Einstellen des Potentiometers 21 verbessert werden, das die Zentrierung des Rauschens der Hysteresis von Komparator 4 sichert.

Zur Überprüfung der gleichen Verteilung der O und 1-Werten des am Ausgang 16 des Generators erscheinenden binären Signals, d.h. daß in einer Folge und während einer bestimmten Zeitspanne ebensoviele 0 wie auch 1-Werte erhalten werden, wird ein Hittelwertbildner 26 an den Ausgang 16 gelegt, durch den das Mittel m von N binären Proben geschätzt wird, die am Ausgang 16 erscheinen, und

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zwar nach der Formel

m = > Xi,

Die Erfindung lehrt, daß für Probefrequenzen (Taktfrequenzen) unter 25 MHz bei einer Genauigkeit von 2.10 ^J m gleich 0,5 ist, wobei die Anzahl N der Binärproben mit einigen Millionen angesetzt wurde, um Schwankungen von H zu vermeiden.

Die Figur 4 zeigt eine erste Ausführungsform einer stochastischen Kodiervorrichtung bestehend aus einem binären Rausehgenerator nach der Erfindung, dem ein Taktgeber 10 zugeordnet ist. In der Vorrichtung der Figur 4 liegt der Ausgang 16 des Generators 1 am Eingang eines Schieberegisters, das sich beispielshalber aus den beiden Registern 27 uns 28 zusammensetzt, die in Serie geschaltet sind und vom Taktgeber 10 synchronisiert werden. An den Ausgängen der Register 27 und 28 erhält man somit ein Wort von η Bit von gleicher Verteilung durch Ansammlung von η aufeinanderfolgenden Bit in den Registern, wobei die Anzahl η der Summe der Ausgänge der Register 27 und entspricht.

Es ist demnach bei der Kodiervorrichtung nach Figur 4 zur Crewinnung eines Rauschwortes von η Bit bei 1 MHz notwendig, daß die Grequenz des Taktgebers dem Produkt n. MHz entspricht.

In der abgeänderten Auaführungsform nach Figur 5 läßt sich •in Rauschwort von η Bit bei 1 MHz mit einer Taktfrequenz

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von 1 MHz erhalten.

Die Vorrichtung der Figur 5 weist eine größere -Anzahl ρ von parallel geschalteten Einheiten auf, von denen jede der Glieder 2, 3, 4, 8 und 13 enthalten, die nach der Beschreibung in Verbindung mit Figur 1 geschaltet sind. Alle Flip-Flops 8 und alle Tore 13 werden ausgehend von einem gemeinsamen Taktgeber 10 bzw. über einen Wender und einer ebenfalls gemeinsamen Teilerschaltung 11 gesteuert. Jeder Eingang 6 des Komparators 4 empfängt eine Größe y, die wie oben durch eine Widerstandsbrücke 21, 22, 23 gebildet wird, wobei alle Widerstandsbrücken von einer gleichen Spannung gespeist werden.

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Claims

P AT E NTA NWA LTS B Ü R O

BERLIN — MÜNCHEN

PATENTANWÄLTE

DIPL-ING. W. MEISSNER (BLN) DIPL-ING. P. E. MEISSNER (MCHN) DIPLING. H.-J. PRESTING (BLN)

HERBERTSTR. 22,1000 BERLIN

Ihr Zeichen Ihr Schreiben vom Unsere Zeichen Berlin, den Q, Π Al 1378

SOOIEIE HATIONALE INDUSTRIELLE AEROSPATIALE

37» Boulevard de Montmorency, Paris 16eme, Frankreich

Patentansprüche

Binärer Zufallsrauschgenerator zur stochastischen Kodierung einer numerischen oder analogen Information besteher aus einem Komparator mit zwei Eingängen, von denen der eine eine Bezugsspannung und der andere ein von einer Rauschquelle geliefertes analoges Rauschen empfängt, wobei der Komparator an seinem Ausgang ein binäres Signal mit Zufallsübergängen liefert, gekennzeichnet durch einen Taktgeber (10) und ein Logiksystem (Fig.l) , die einerseits die Probenahme des binären Zufallübergangssignals synchron mit der Frequenz des Taktgebers (10) bewirken und andererseits eine strenge Gleichwahrscheinllchleit beider Logikzustände des binären Zufallübergangssignals nach der Probenahme gewährleisten.
2. Rauschgenerator nach ^Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung der Grleichwahrscheinlichkeit das Logiksystem eine Teilerschaltung durch Zwei (11) des

BORO MÖNCHEN: TELEX: TELEGRAMM: TELEFON: BANKKONTO: POSTSCHECKKONTO: ST. ANNASTR. 11 1-858 44 INVENTION BERLIN BERLIN 31 W. MEISSNER, BLN-W 8000 MÖNCHEN 22 INVEN d BERLIN 030/89180 37 BERLINER BANK AQ. 122 82-109 TEL.: 089/22 35 44 030/892 23 82 3695716000

Taktgebersignals und ein exklusives ODER-Tor (13) mit zwei Eingängen aufweist, von denen der eine das Signal der Teilerschaltung und der andere das binäre Zufallübergangssignal nach der Probenahme empfängt.
3. Rauschgenerator nach einem der -Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Probenahme des binären Zufallübergangssignals das Logiksystem einen Plip-Plop (8) aufweist, das dieses Signal und das des Taktgebers empfängt.
4. Rauschgenerator nach -Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein ^ignalwender (12) zwischen dem Taktgeber (10) entweder der Synchronisierschaltung oder der Teilerschaltung (11) liegt.
5. Rauschgenerator nach einem der vorhergehenden ^Sprüche, in dem die ^auschquelle eine von veränderlichen Spannungsgliedern gespeiste Zenerdiode umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß diese Glieder Potentiometer sind, durch die die Bezugsspannung in den Komparator (4) gegeben wird.
6. Rauschgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er Potentiometer zum Singeben der Bezugsspannung in den Komparator aufweist.
7. Rauschgenerator nach einem der vorhergehenden -Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Formungsschaltung (7) des binären Zufallübergangssignals aufweist, die zwischen dem Komparator {4-) und dem Lpgiksystem liegt.

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8. Torrichtung zur stochastisch^ Kodierung einer analogen Information, dadurch gekennzeichnet, daß sie einerseits einen binären Zufallrauschgenerator nach der in den Ansprüchen 4 bis 8 beschriebenen Ausbildung, und andererseits mindestens ein Eingangschieberegister mit parallel geschalteten Serieauegängen als Eingang aufweist und am Ausgang des logischen Tors liegt, wobei das Schieberegister über den Taktgeber synchronisiert ist.
9. Vorrichtung zur stochastischen Kodierung einer numerischen oder analogen Information, dadurch gekennzeichnet, daß sie mehrere binäre Zufallrauschgeneratoren der nach den Ansprüchen 5 bis 8 ausgebildeten Art aufweist und der Taktgeber (10), die Teilerschaltung (ll) und der Signalwender (12) allen Generatoren gemeinsam ist.

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