DE2820425C2

DE2820425C2 - Binärer Zufallsrauschgenerator zur stochastischen Kodierung

Info

Publication number: DE2820425C2
Application number: DE2820425A
Authority: DE
Inventors: Francis Toulouse Castanie; Henri L'union Crabere; Jean-Claude Prof. Hoffmann; Jean-Pierre Cazeres Verdier; Norbert Bruguieres Voisin
Original assignee: Airbus Group SAS
Current assignee: Airbus Group SAS
Priority date: 1977-05-06
Filing date: 1978-05-08
Publication date: 1984-02-16
Also published as: IT1095989B; JPS6159009B2; DE2820425A1; FR2390047B1; FR2390047A1; IT7823077A0; GB1580888A; JPS53138669A; US4176399A

Description

Die Erfindung betrifft einen binären Zufallrauschgenerator zur stochastischen Kodierung einer digitalen oder analogen Information gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs· 1.

Sie geht aus von einem Zufallsrauschgenerator nach derUS-PS37 06 941.

Es ist bekannt, daß die stochastische Kodierung einer analogen oder numerischen Information χ darin besteht, dieser Information eine diskrete Zufallsvariable ν entsprechen zu lassen, deren statistisches Mittel P gleich χ ist. Eine besondere Anwendung des Prinzips stellt der Fall dar, bei dem χ binär und aus den Zuständen 0 und 1 gebildet ist. In diesem Fall stellt Pdie Wahrscheinlichkeit I dar.

Die Anmelderin hat dabei festgestellt, daß die oben definierte Wahrscheinlichkeit P mit einer Genauigkeit von IO^-4 bis 10-"' gleich 0.5 sein muß. Eine derartige Genauigkeit läßt sich jedoch mit den herkömmlichen Vorrichtungen nicht erreichen.

Dies gilt insoweit auch für die eingangs genannte US-PS.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Zufallsrauschgenerator der im Oberbegriff genannten An so auszubilden, daß eine hohe Genauigkeit erreichbar ist, so daß ein Einsatz in der Flugzeugsteuerung möglich ist.

Gelöst wird diese Aufgabe erl'indungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale.

Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Vorzugsweise liegt die Frequenz des Taktgebers

unter der der Rauschquelle. So kann z. B. die Frequenz des Taktgebers zwischen 500 kHz und 25 MHz geregelt werden, während die Mittelfrequenz der Rauschquelle bei etwa 30 MHz liegt.

Durch den Rauschgenerator nach der Erfindung läßt sich eine Vorrichtung für die stochastische Kodierung

iü einer analogen oder numerischen Information schaffen, die einerseits einen derartigen Generator und andererseits zumindest ein Eingangsschieberegister mit parallelen Serienausgängen verwendet, dessen Eingang am Ausgang des logischen Tors liegt, wobei das Schiebereis gister durch den Taktgeber synchronisiert wird.

In einer abgeänderten Ausführungsform kann eine Vorrichtung zur stochastischen Kodierung einer analo-_ gen Information mehrere binäre.Zufaflfaüseh'generaiö-

— ren-JiacR der Erfindung aufweisen, wobei der Taktgeber, die Zweierteilerschaltung und der Signalwender allen Generatoren gemein ist.

Die Erfindung wird nachstehend an mehreren Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigt

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

Fig. 2 ein Schaltschema einer Zufallrauschquelle für den C enerator der F i g. 1,

j« Fig.3a bis 3g Kurvenbilder der Funktionsweise des Rauschgenerators nach F i g. 1,

F i g. 4 ein Schaltschema einer stochastischen Kodiervorrichtung für den Einsatz des Generators der Fig. 1 und

F i g. 5 eine abgeänderte Ausführungsform einer stochastischen Kodiervorrichtung nach der Erfindung. In den Zeichnungen stehen gleiche Bezugszeichen für gleiche Bauteile.

Die Grundschaltung 1 der stochastischen Kodiervor-

■»u richtung nach der Erfindung weist gemäß Fig. 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 Sund der zweite eine Kompensations- oder Bezugsspannung y empfängt, gegebenenfalls eine am Ausgang des Komparators 4 liegende Formungsvorrichtung 7, eine Synchronisiervorrichtung 8, die jeweils an ihren beiden Eingängen das von der Vorrichtung 7

jn gelieferte Signal und das vom Ausgang 9 des Taktgebers 10 stammende Signal empfängt, eine Zweierteilerschaltung 11, die über den Wender 12 das Signal des Taktgebers empfängt und ein exklusives ODER-Tor 13 mit den beiden Eingängen 14 und 15 auf, die jeweils von den Ausgängen der Synchronisiervorrichtung 8 und der Teilerschaltung 11 gespeist werden. Der Ausgang 16 des Tors 13 bildet den Ausgang der Grundschaltung 1.

Vorzugsweise weist, wie F i g. 2 zeigt, die Rauschquelle 2 einer Zenerdiode 17 auf, die über ein Potentiometer

wi 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

t>·' 30 MHz erzeugt werden.

Das Potentiometer 18 hat die Aufgabe, den Betriebspunkt der Zenerdiode 17 in einem Bereich derart zu regeln, daß ihr Rausehen die zur beabsichtig-

ten Verwendung zweckmäßige Charakteristik besitzt und zwar wird

— eine größere Langzeitstabilität bei gleichförmigem Lawinen-Laufzeitbetrieb und ι

— 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 geschalteten Transistor bestehen. Es wäre möglich, auch andere Arten von Verstärkern zu verwenden.

Der Komparator 4 muß Charakteristiken aufweisen, 1> 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. jn

Durch das Potentiometer 21 kann die Nullfeineinstellung durchgeführt werden, um das Rauschen B mit kontinuierlich Null und die Regelung der Gleichwahrscheinlichkeit dar binären Zustände des Ausgangssignals zu vergleichen. Jl

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

Die Synchronisiervorrichtung 8 besteht zvi'eckmäßig 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 J5 am Ende der Periode das von der Vorrichtung 7 kommende Signal 0 ist, oder bei 1 zu bleiben, wenn das letztere Signal 1 ist.

Der Teiler kann auch aus einem Flip-Flop bestehen.

Die Arbeitsweise der Vorrichtung von Fig. 1 wird 4» nun anhand der Kurven a bis g der F i g. 3 beschrieben, die verschiedene Signale als Funktion der Zeit ι darstellen.

Das Kurvenbild a stellt das von der Quelle 2 erzeugte und vom Verstärker 3 verstärkte Zufallrauschen B -π sowie die Kompensationsspannung y dar. Im Komparator 4 werden die Signale B und y verglichen, und man erhält am Ausgang des Komparators oder nach der Formung am Ausgang der Vorrichtung 7 das binäre Zufallübergangssignal des Kurvenbildes b, z. B. bei >o B < y eine logische 0 und bei B > y eine logische 1. Somit gewinnt man aufgrund des Komparators 4 ein erstes binäres Rauschen B.

Aufgrund des Prinzips der Bildung des Signals vom Kurvenbild b durch Vergleichen der Signale B und y v> (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, daß nicht nur die Stellung und der Wert 0 oder 1 der Zahlen, sondern auch de>-en wi Breite dem Zufall unterworfen sind. Es ist für die spätere Verwendung des Zufallsignals des Kurvenbildes b zweckmäßig, daß die Übergänge zwischen den Zuständen 0 und 1 des binären Signals zu den Taktmomenten erscheinen. hi

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 MHz) abgetastet. Das Kurvenbild c zeigt das Signal 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 Übergangssi gnals zusammenfällt, während der gesamten Taktzeit bei 1 bleibt und wieder auf 0 zurückkehlt, wenn die folgende Vorderflanke des Taktgebersignals mit einer 0 des binären Übergangssignais zusammenfällt, oder bei 1 bleibt, wenn diese folgende aufsteigende 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 Kurvenbilde.s 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 um so mehr zu, wie die Frequenz des Taktgebers 10 unter oder auf gleicher Höhe mit der mittleren Frequenz des Rauschens B liegt. Somit läßt sich nicht nur die Wahl von Taktgeber IO ausgehend von einer Quelle von beispielshalber 30 MHz ein binäres Signal gewinnen, dessen Frequenz z. B. zwischen 50OkHz 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 ein echtes Zufallsignal ist, ist es wichtig, daß die Frequenz des Taktgebers 10 unter der mittleren Frequenz des von der Quelle 2 kommenden Rauschens B liegt. Die Frequenz des Taktgebers 10 bestimmt demnach die binäre Rauschfrequenz, ohne dabei ihren Zufallcharakter zu verändern.

Selbstverständlich kann die Frequenz des Taktgebers 10 einstellbar sein.

Das vom Taktgeber 10 kommende Signal wird im Wender 12 invertiert, was das Kurvenbild e wiedergibt.

Der Flip-Flop ti teilt die Frequenz des Signals vom Wender 12 durch zwei, und das Kurvenbild /'zeigt das sich ergebende Signal, das an den Eingang 15 des Tors 13 gegeben wird. Darüber hinaus empfängt das Tor auf seinem Eingang 14 das vom Flip-Flop 8 abgetastete in im Kurvenbild dwiedergegebene Signal. Hiernach zeigt das am Ausgang 16 des exklusiven ODER-Tors 16 den im Kurvenbild ^-dargestellten Verlauf.

Der Generator der Fig. 1, dessen Arbeitsweise anhand der Kurvenbilder 3a bis 3g-erläutert wurde, 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 Rauschgenerators der Fig. 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 Regen des Potentiometers 18 (siehe Fig. 2) wird der Betriebsbereich der Diode 17 ermittelt, der zur maximalen Frequenz führt. Dieses 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 0- und 1 -Werte des am Ausgang 16 des Generators erscheinen-

den binären Signals, d. h. daß in einer Folge und während einer bestimmten Zeitspanne ebenso viele 0-wie auch 1-Werte erhalten werden, wird ein Mittelwertbildner 26 an den Ausgang 16 gelegt, durch den das Mittel m von N binären Proben geschätzt wird, die am Ausgang 16 erscheinen, und zwar nach der Formel

Die Erfindung lehrt, daß für Probefrequenzen (Taktfrequenzen) unter 25 MHz bei einer Genauigkeit von 2 · 10-⁵ m gleich 0.5 ist, wobei die Anzahl N der Binärproben mit einigen Millionen angesetzt wurde, um Schwankungen von /Vzu vermeiden.

Die F i g. 4 zeigt eine erste Ausführungsform einer stochastischen Kodiervorrichtung, bestehend aus einem binären Rauschgenerator nach der Erfindung, dem ein Taktgeber 10 zugeordnet ist. In der Vorrichtung der Fig.4 liegt der Ausgang 16 des Generators 1 am Eingang eines Schieberegisters, das sich beispielshalber aus den beiden Registern 27 und 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 28 entspricht.

Es ist demnach bei der Kodiervorrichtung nach F i g. 4 zur Gewinnung eines Rauschwortes von η Bit bei 1 MHz notwendig, daß die Frequenz des Taktgebers dem Produkt π MHz entspricht.

κι In der abgeänderten Ausführungsform nach Fig.5 läßt sich ein Rauschwort von π Bit bei 1 MHz mit einer Taktfrequenz von 1 MHz erhalten.

Die Vorrichtung der Fig.5 weist eine größere Anzahl ρ von parallel geschalteten Einheiten auf, von

ι j denen jede die Glieder 2,3,4,8 und 13 enthält, die nach der Beschreibung in Verbindung mit Fig. 1 geschaltet sind. Alle Flip-Flops 8 und alle Tore 13 werden ausgehend von einem gemeinsamen Taktgeber 10 bzw. über einen Wender 12 und einer ebenfalls gemeinsamen

ίο 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.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Binärer ZufalJsrauschgenerator zur stochastischen Kodierung einer digitalen oder analogen Information mit einer Einrichtung (2) zur Erzeugung eines binären Signals mit Zufallsübergängen, einer Einrichtung (4) zum Sammeln des binären Signals und zur Abgabe von Proben, einem Taktgeber (10) zur Erzeugung eines Taktsignals, einer Einrichtung (8) zum Synchronisieren der Probennahme durch das Taktsignal, einem durch zwei teilenden Teiler (11), der vom Taktgeber (10) angesteuert ist, einem exklusiven ODER-Tor (13) mit zwei Eingängen, von denen der erste Eingang das Ausgangssignal des Teilers (11) aufnimmt, der zweite Eingang mit dem Ausgang der Einrichtung (8) zum Synchronisieren der Probennahme durch das Taktsignal gekoppelt ist, und wobei das Ausgangssignal des exklusiven GDER-Tores (13) gleiche Wahrscheinlichkeiten, für ■ seine beiden Logikzustäride "besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Taktsignals kleiner ist als die mittlere Frequenz der Proben, daß das gleiche Taktsignal an den Teiler (11) und an die Einrichtung (8) zum Synchronisieren der Probennahme gelegt ist und daß der Ausgang der letztgenannten Einrichtung (8) den zweiten Eingang des exklusiven ODER-Gliedes (13) speist.

2. Rauschgenerator nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß ein Signalwender (12) zwischen dem Taktgeber (10) und entweder der Synchronisierschaltung oder dem Teiler (11) liegt.

3. Rauschgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Potentiometer zum Eingeben der Bezugsspannung in die Sammeleinrichtung (4) aufweist.