Генераторы случайных и псевдослучайных последовательностей на цифровых элементах задержки (основы теории и методы построения)




НазваниеГенераторы случайных и псевдослучайных последовательностей на цифровых элементах задержки (основы теории и методы построения)
страница1/5
Дата конвертации07.11.2012
Размер0.55 Mb.
ТипАвтореферат
  1   2   3   4   5
На правах рукописи


Кузнецов Валерий Михайлович


ГЕНЕРАТОРЫ СЛУЧАЙНЫХ И ПСЕВДОСЛУЧАЙНЫХ

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЕЙ НА ЦИФРОВЫХ ЭЛЕМЕНТАХ ЗАДЕРЖКИ

(ОСНОВЫ ТЕОРИИ И МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ)


Специальность 05.13.05 – Элементы и устройства

вычислительной техники и систем управления


Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук


Казань – 2011

Диссертация выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования (ФГБОУ ВПО) «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ» (КНИТУ-КАИ).


Научный консультант доктор технических наук, профессор
Песошин Валерий Андреевич.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Иванов Михаил Александрович,
и.о. зав. кафедрой компьютерных систем и технологий ФГБОУ ВПО «Национальный

исследовательский ядерный университет «МИФИ»», г. Москва;

доктор технических наук, профессор
Ильин Герман Иванович,


зав. кафедрой радиоэлектронных и квантовых устройств ФГБОУ ВПО «Казанский

национальный исследовательский

технический университет

им. А.Н. Туполева-КАИ», г. Казань;

доктор технических наук, профессор

Латыпов Рустам Хафизович,

директор института вычислительной математики и информационных технологий, зав. кафедрой системного анализа и информационных

технологий Казанского (Приволжского)

федерального университета, г. Казань.

Ведущая организация – Новгородский государственный университет

им. Ярослава Мудрого, г. Великий Новгород.

Защита состоится 16 марта 2012 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.079.04 в ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ» в 504 ауд. 5 уч. здания по адресу:

420111, г. Казань, ул. К. Маркса, д. 31.

Ваши отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим высылать по адресу: 420111, г. Казань, ул. К. Маркса, д. 10 на имя ученого секретаря.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ », с авторефератом – на сайте ВАК РФ: http://vak.ed.gov.ru/ru/dissertation/.

Автореферат разослан «____» ___________ 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета


C.С.Седов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. При построении электронных устройств широкого и специального назначения часто требуется включение в состав основного оборудования генераторов случайных или псевдослучайных сигналов. Это аппаратура для статистического и имитационного моделирования, системы испытаний на надежность и помехоустойчивость, специальные средства измерения и тестирования, системы радио- и гидролокации. В настоящее время особенно актуальным является использование источников случайных сигналов для систем защиты информации в ЭВМ, телекоммуникационных и сетевых средствах, в частности, аппаратуре опознавания. Нетипичность подходов к синтезу таких источников и специфические технологии их производства в целом существенно усложняют выполнение проектов.

Традиционно сложилось разделение тематик по формированию случайных и псевдослучайных последовательностей.

Известны многочисленные публикации, посвященные вопросам анализа и построения устройств формирования дискретных случайных сигналов, в частности генераторов случайных последовательностей (ГСП), основанных на использовании сложных физических явлений. Среди отечественных авторов следует отметить М.П. Бобнева, который впервые обобщил опыт применения генераторов случайных сигналов. Заметный вклад в становление теории и практики применения физических ГСП внес А.М. Морозов. За последние 50 лет интерес к этой теме не снижается как у нас в стране, так и за рубежом. При этом основной технической проблемой является схемотехническая уникальность каждого аппаратного решения, требующая применения специфических компонентов, заметно усложняющих конструкцию и технологию изготовления изделий при недостаточно высоких качественных показателях и быстродействии.

В части исследования и аппаратного построения генераторов псевдослучайных последовательностей (ГПСП) следует отметить фундаментальные работы отечественных ученых – А.И. Алексеева, Л.Е. Варакина, В.Е. Гантмахера, Б.И. Глазова, В.И. Доценко, Н.Г. Дядюнова, М.А. Иванова, Р.Х. Латыпова, С.А. Осмоловского, А.И. Сенина, Г.И. Тузова, Р.Г. Фараджева, А.Г. Шереметьева, а также зарубежных – А. Гилла, С.В. Голомба, Г. Нидеррайтера, Р. Таусворта, Д.А. Хаффмена, Н. Цирлера, Б. Шнайера, Б. Элспаса и др.

Заслуживают особого внимания методы совместного использования ГСП и ГПСП в так называемых комбинированных генераторах (КГСП). Существенный вклад в разработку таких устройств внесли Я. Гавел, В.И. Глова, Г.В. Добрис, В.М. Захаров, Б.Ф. Кирьянов, Р.М. Мансуров, В.А. Песошин, Е.Л. Столов, Р.Ф. Федоров, Г.П. Хамитов, В.В. Яковлев, В.Н. Ярмолик. Методы комбинирования сложных физических явлений и математических алгоритмов в процессах формирования случайных чисел были использованы в данной работе, что позволило, во-первых, тематически объединить вопросы построения и анализа ГСП и ГПСП. Во-вторых, идея описания комбинированных структур посредством автоматных моделей синхронных и асинхронных цифровых генераторов привела к техническим решениям, вполне адаптированных к технологиям цифровых интегральных схем, включая БИС.

Одним из результатов совместного использования физических флуктуаций и математических алгоритмов формирования псевдослучайных и детерминированно-хаотических сигналов явилось построение генератора асинхронного случайного процесса (ГАСП), допускающего полную цифровую реализацию. Это техническое решение автором работы защищено изобретениями (приоритет от 1979 г.), использование которых привело к ряду инженерных разработок, внедренных в реальные проекты. Аналогичная схемотехническая идея, спустя 25 лет, описана в статье Й.Ж. Голича. Однако достаточно полных теоретических исследований такого рода устройств предложено не было. Несмотря на простое схемотехническое построение ГАСП, возникает ряд вопросов практического использования в реальных разработках, решение которых требует обобщенного описания. Для такого описания предлагаются модельные представления автономных цифровых осциллирующих структур синхронного и асинхронного типов, основанных на задержках цифровых элементов.

Несмотря на наличие большого количества работ по техническим средствам формирования физически случайных процессов, значимых теоретических результатов, ориентированных на цифровую практическую реализацию, получено не было. Таким образом, элементы теории цифровых генераторов и методы их инженерных приложений в задачах построения физических устройств формирования случайных и псевдослучайных процессов на цифровой элементной базе является вкладом в решение научно-технической проблемы, актуальной для областей статистического моделирования и защиты информации.

Объект исследования – элементы и устройства формирования цифровых случайных и псевдослучайных сигналов.

Предметом исследования являются генераторы случайных и псевдослучайных последовательностей на цифровых элементах задержки.

Цель диссертационной работы – развитие научных основ и методов построения цифровых генераторов случайных и псевдослучайных последовательностей с повышенным быстродействием и точностью.

Научная проблема заключается в разработке основ теории, принципов построения, методов анализа и синтеза генераторов случайных и псевдослучайных сигналов на цифровой элементной базе.

Для достижения поставленной цели и решения научной проблемы сформулированы следующие основные задачи диссертационного исследования:

– анализ современного состояния основ схемотехнического построения цифровых генераторов случайных и псевдослучайных сигналов; определение базовых моделей элементарных цифровых генераторов, частотный и временной анализ их поведения;

– выявление типичных закономерностей формирования корреляционных зависимостей для периодических процессов;

– анализ циклических свойств синхронных моделей генераторов, формирующих линейные рекуррентные последовательности однородного и неоднородного вида;

– исследование свойств элементов задержки двоичных сигналов в непрерывном времени как основных компонентов цифровых генераторов асинхронного типа;

– теоретическое и экспериментальное исследование генераторов асинхронных случайных процессов, их структурных, вероятностных и корреляционных свойств; определение условий автогенерации цифровых сигналов в непрерывном времени;

– описание свойств датчиков случайных символов и особенностей их применения в технических средствах защиты информации; автоматные представления датчиков и разработка методов их синтеза;

– практические разработки генераторов случайных и псевдослучайных последовательностей.

Методы исследования. При выполнении работы использовались методы математического анализа и математической логики, алгебраическая теория, теория чисел, теория автоматов, теория вероятностей, основы цифровой схемотехники, методы математического, физического и имитационного моделирования.

Научная новизна диссертационной работы состоит в разработке основ теории и методов построения генераторов случайных и псевдослучайных последовательностей на цифровых элементах задержки, аппаратные реализации которых отличаются высокотехнологичными схемотехническими решениями, быстродействием и точностью формирования основных параметров случайных и псевдослучайных сигналов.

Новыми научными результатами, выносимыми на защиту, являются:

– закономерности формирования реперных точек периодических корреляционных функций; минимизация длины выборки и оценочных процедур для сложно-периодических сигналов;

– структурные, вероятностные и автокорреляционные свойства (М–1)- и (М–3)-последовательностей и условия их получения;

– аналитические оценки нелинейности и свойств фильтрации асинхронных элементов задержки в цепочечном и циклическом использовании в цифровых генераторах;

– фрактальные свойства моделей асинхронных генераторов в случае формирования детерминированно-хаотического процесса при несоизмеримых и нефлуктуирующих задержках; вероятностный автомат асинхронного типа; метод вероятностного анализа марковской модели асинхронного генератора с учетом флуктуаций задержек; метод анализа и формализованные условия устойчивости генерации асинхронного процесса;

– метод условных вероятностей и дисперсий для оценки степени непредсказуемости формируемых генераторами случайных процессов;

– синхронно-асинхронные автоматные описания датчика случайных символов и методы их синтеза.

Практическая ценность работы заключается в создании схемотехнических основ построения генераторов дискретных случайных сигналов на цифровой элементной базе, допускающих применение технологий интегральных микросхем, включая БИС. Это основано на разработках

– принципов построения генератора асинхронного случайного процесса и инженерных методик настройки его структуры на максимально плотный базовый многочлен (М–1)-последовательности; программных и физических моделей генераторов для экспериментальных исследований статистических и структурных свойств формируемых процессов;

– основных функциональных схем датчиков случайных символов; формального метода построения датчика посредством структурного синтеза асинхронного автомата;

– характерных построений реальных датчиков, генераторов случайных и псевдослучайных последовательностей на цифровых микросхемах малой и большой степени интеграции.

Реализация и внедрение результатов работы. Материал диссертации представляет собой теоретическое обобщение ряда НИР и ОКР, выполненных на кафедре ЭВМ (Компьютерных систем) КГТУ им. А.Н. Туполева более чем за 30-летний период работы автора в данном направлении.

Основными объектами внедрения являются полузаказные БИС ГСП Н1582ВЖ2-0105, 1537ХМ2У-135 и 1537ХМ2АУ-215, выпускаемые мелкосерийными партиями с 1992 г. по настоящее время (г. Зеленоград, ОАО «Ангстрем»). Датчики случайных символов на микросхемах малой степени интеграции внедрены в блок статистического моделирования (г. Казань, каф. ЭВМ КАИ, 1978 г.), устройство ввода случайных чисел ЕС 6903 (установочная серия, г. Казань, Казанский завод ЭВМ (КЗ ЭВМ), 1981 г.), терминальную ЭВМ ЕС 1007 (г. Казань, КЗ ЭВМ, 1986 г.). Одноплатные ГСП внедрены в специализированное техническое средство защиты информации (г. Ленинград, НИИ «Нептун», 1987 г.) и специализированную вычислительную систему (г. Минск, НИИ ЭВМ, 1990 г.). Для экспериментальных целей были изготовлены ГСП в виде БИС: по гибридной технологии (г. Казань, каф. МиК КАИ, 1986 г.), на микропроцессорных секциях К1804ВС2 (г. Казань, каф. ЭВМ КАИ, 1990 г.), на ПЛИС фирмы Xilinx (г. Казань, каф. КСИБ КГТУ-КАИ, 2001 г.), микросхема Н1537ХМ1-192 на базовых матричных кристаллах (экспериментальная партия, г. Зеленоград, ОАО «Ангстрем», 2005 г.).

Результаты диссертации использованы при выполнении НИР:

– «Нетрадиционные принципы формирования случайных сигналов для цифровой техники», «Цифровые методы и средства формирования случайных сигналов для систем защиты информации» по единому заказ-наряду Министерства образования и науки Российской Федерации (1989-2004 гг.);

– «Система авторской защиты информации в ПЭВМ на основе полисинхронных генераторов рекуррентных последовательностей» (договор подряда № 04-22), а также темы по договорам подряда №№ 06-26, 06-16.3.2, 06-6.8.2 согласно плану приоритетных фундаментальных и прикладных исследований Академии наук Республики Татарстан (1997-2006 гг.); «Цифровые технологии построения и исследования стохастических устройств с выраженными свойствами непредсказуемости» (договора подряда №№ 06-6.8-199 в период 2001-2005 гг.) по программе развития приоритетных направлений науки в Республике Татарстан (фонд НИОКР АН РТ);

– «Исследование процессов формирования случайных чисел и методов контроля их стохастических свойств» (1996 г.), «Исследование и разработка методов построения генераторов случайных чисел на программируемых логических интегральных схемах» (1999 г.) по хоздоговорам с Казанским научно-исследовательским институтом радиоэлектроники;

– «Исследование и разработка перспективных вычислительных структур для ЕС ЭВМ. Разработка блока статистического моделирования (1977 г.), «Исследование и разработка специализированных процессоров ЕС ЭВМ (Ряд 2 и 3) для сети ЭВМ» (1981-1984 гг.), «Устройства вычислительной техники для статистического моделирования» (1987 г.) по хоздоговорам с Казанским заводом ЭВМ.

Научные и практические результаты диссертации используются в учебном процессе КНИТУ-КАИ при изучении студентами и магистрантами схемотехнических дисциплин. Разработан лабораторный практикум «Генераторы случайных чисел».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных конференциях: «Проблемы теоретической кибернетики» (г. Москва, 2002 г.). «Инфокоммуникационные технологии глобального информационного общества» (г. Казань, 2003, 2004 и 2005 гг.), «Информационные и телекоммуникационные системы и технологии» (г. Санкт-Петербург, 2007 г.), «Физика и технические приложения волновых процессов» (г. Казань, 2007 г.), «Проблемы техники и технологий телекоммуникаций» (г. Казань, 2008 г.); всесоюзных, всероссийских конференциях и симпозиумах: «Вероятностные вычислительные методы и средства» (г. Москва, 1978 г.), «Проблемы создания преобразователей формы информации» (г. Киев, 1980 г.), «Вероятностные автоматы и их приложения» (г. Казань, 1983 г., г. Тбилиси, 1986 г.), «Методы и средства измерения физических величин» (Н. Новгород, 1998, 2000 гг.); республиканской конференции «Вероятностные методы и средства» (г. Новгород, 1983 г.); всесоюзных и российских школах-семинарах: «Вероятностные автоматы и их приложения» (п. Славск, 1978 г., г. Иркутск, 1981 г., г. Киев, 1984 г.), «Флуктуации и шумы в сложных системах» (г. Казань, 2004 г.); городских семинарах «Методы моделирования» (г. Казань, 2004, 2006, 2009 гг.) и регулярных научно-технических конференциях КГТУ-КАИ.

  1   2   3   4   5

Добавить в свой блог или на сайт

Похожие:

Генераторы случайных и псевдослучайных последовательностей на цифровых элементах задержки (основы теории и методы построения) iconГенераторы случайных событий: необходима осторожность
Дан критический анализ экспериментов по воздействию человека на генераторы случайных событий. Рассмотрены возможные источники ошибок...

Генераторы случайных и псевдослучайных последовательностей на цифровых элементах задержки (основы теории и методы построения) icon1 кибернетика
...

Генераторы случайных и псевдослучайных последовательностей на цифровых элементах задержки (основы теории и методы построения) iconОсновные соотношения теории поверхностей
Точное решение задач теории упругости о чистом изгибе бруса и пластинки и выяснение природы основных гипотез технической теории балок...

Генераторы случайных и псевдослучайных последовательностей на цифровых элементах задержки (основы теории и методы построения) iconРабочая учебная программа по дисциплине Теория вероятности и математическая статистика
Методы теории вероятностей, математической статистики и теории случайных процессов являются мощным средством решения прикладных задач....

Генераторы случайных и псевдослучайных последовательностей на цифровых элементах задержки (основы теории и методы построения) icon2. Закон повторного логарифма для сумм независимых случайных величин
Понятия верхних и нижних функций для последовательностей случайных величин. Верхние и нижние функции для последовательности независимых...

Генераторы случайных и псевдослучайных последовательностей на цифровых элементах задержки (основы теории и методы построения) iconИсследование движения проводящего твердого тела в электромагнитном поле
Новые методы в теории спектральных последовательностей, связанных с действиями конечных групп

Генераторы случайных и псевдослучайных последовательностей на цифровых элементах задержки (основы теории и методы построения) iconКонспект лекций по курсу Компьютерная электроника''
Автоколебательные генераторы прямоугольных импульсов на дискретных элементах, оу и лэ 28

Генераторы случайных и псевдослучайных последовательностей на цифровых элементах задержки (основы теории и методы построения) iconРыков А. С. Системный анализ: модели и методы принятия решений и поисковой оптимизации / А. С. Рыков
Хетагуров Я. А. Практические методы построения надежных цифровых систем: учебное пособие / Я. А. Хетагуров. М.: Высш шк., 2008. 156...

Генераторы случайных и псевдослучайных последовательностей на цифровых элементах задержки (основы теории и методы построения) iconИсследование и разработка новых классов псевдослучайных последовательностей и устройств их генерации для систем с
Итт в реализации программы повышения уровня эффективности и конкурентоспособности национальных экономик, преодолении разрыва в развитии...

Генераторы случайных и псевдослучайных последовательностей на цифровых элементах задержки (основы теории и методы построения) iconМосковский энергетический институт (технический университет) институт радиотехники и электроники (ирэ)
Целью дисциплины является изучение принципов построения, функциональных и структурных схем аналоговых и цифровых систем радиоавтоматики;...


Разместите кнопку на своём сайте:
lib.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©lib.convdocs.org 2012
обратиться к администрации
lib.convdocs.org
Главная страница