Генератор шуму з автостохастичною модуляцією

Генератор шума с автостохастической модуляцией, включающий управляемый частотно-модулируемый генератор, осциллятор и цепь обратной связи между управляющим входом частотномодулируемого генератора и осциллятором, отличающийся тем, что осциллятор представляет собой линейный резонатор, а цепь обратной связи выполнена в виде последовательно включенных вентиля, фильтра верхних частот, фильтра нижних частот и усилителя. Изобретение относится к области радиотехники, в частности, к технике генерирования шумовых напряжений и токов и может быть использовано при создании генераторов шума, предназначенных для исследований и испытаний автоматических систем, систем связи, имитации помех, измерений частотных характеристик, а также для генераторов шума, применяемых в медицинской и технологической практике Известны генераторы шума, относящиеся к классу кольцевых колебательных систем [1] Эти системы являются автономными генераторами шума и состоят из замкнутых в кольцо активного нелинейного элемента (нелинейного усилителя) и пассивных линейных звеньев, в состав которых входят один или несколько полосовых фильтров, выполненных в виде ІХ'Контуров, а также звенья задержки Самовозбуждение колебаний в кольцевой системе обусловлено наличием в ней усилительного элемента Частота возбуждающихся колебаний определяется резонансными частотами LC-контуров Стохастизация колебаний а кольцевой системе обусловлена нелинейностью усилительных свойств активного элемента, определяющее из которых заключается в немонотонности зависимости амплитуды его выходных сигналов от амплитуды входных Эта немонотонность приводит к тому, что колебания в кольцевой системе носят цугоаый характер с частотой осцилляции в пределах каждого импульса цуговой последовательности, близкой к резонансным частотам LC-контуров Нелинейность активного элемента обусловлена определенной нелинейностью какой-либо составляющей его части. В кольцевых системах в качестве таких составляющих используется диод, собранный на полевых транзисторах, или р-п-р-п структуры Это приводит к тому что верхняя граница генерируемой системой полосы частот ограничена рабочими частотами полевых транзисторов или р-п переходов и не превышает 1 (Тц Еще одной разновидностью кольцевой системы является система с запаздывающей обратной связью, аюмвный элемент которой реализован на лампе бегущей волны Нелинейность такого усилителя обусловлена нелинейными свойствами самой лампы бегущей волны при специальном выборе режима ее работы Недостатком такой системы является ограниченность выбора вида активного элемента генератора (только лампы бегущей волны с присущими ограничениями по рабочей частоте составляющей 10 20 ГГц) Ширина энергетического спектра шума кольцевой системы определяется длительностью процессов нарастания и спада импульсов цуговой последовательности, которая связана с добротностью LC-jtomypoa, типовые значения которой находятся в пределах 10 100 Это означает, что изменения огибающих импульсов являются медленными по сравнению с периодом осцилляции кольцевой системы, а связи с чем энергетический спектр колебаний является узкополосным (относительная ширина спектра менее 3% значения частоты, соответствующей максимуму спектральной плотности энергии шума) и обладает высокой неравномерностью спектральной плотностью энергии (более 10 20 дБ) Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату к заяв (46) 15 09 2000, Бюл № 4, 2000 р, (72) Чайка Юрій Дмитрович Лисоченко Сергій Васильович (73) Київський університет Ім Тараса Шевченка (56) 1 Дмитриев А С , Кислое В П Стохастические колебания в радиофизике и электронике. - М , Наука, 1989, стр 280 2 Авторское свидетельство СССР № 1555804 М кл НОЗВ 29/04, 1990 О t со ю см 27534 ляемому генератору является выбранный в качестве прототипа автогенератор случайных сигналов [2], содержащий источник накачки, представляющий собой управляемый по частоте автоколебательный блок (управляемый частотно-модулируемый генератор), генератор, выполненный в виде LC-колебательного контура и элемента с отрицательным сопротивлением, причем конденсатор LC-колебательного контура выполнен нелинейным (активный нелинейный осциллятор), катушку индуктивности, которая включена между выходом источника накачки и общей шиной и индуктивно связана с катушкой индуктивности LC-колебательного контура, элемента связи (цепь обратной связи), включенного между LC-колебательным контуром и входом управления управляемого по частоте автоколебательного блока В скобках приаедены общеупотребительные в отечественной и мировой научно-технической литературе термины, применяемые при описании явлений динамического хаоса и колебательных процессов в радиофизических системах, тождественные приведенным в тексте формулы изобретения прототипа. Основной составной частью активного нелинейного осциллятора прототипа является нелинейный конденсатор, нелинейностью вольт-фарадной характеристики которого обусловлена динамика нелинейного резонатора и в конечном счете шумовые свойства всего генератора. В современной электронной технике известны два вида нелинейных конденсаторов. Это конденсаторы, изготовленные на основе МОП структур и на основе р-п переходов При применении как первого так и второго типа нелинейных конденсаторов верхняя граница частотного диапазона прототипа ограничивается их максимальной рабочей частотой В генераторах, предназначенных для работы в области сверхвысоких и крайне высоких частот, в которых в качестве колебательных контуров используются объемные резонаторы или отрезки линий передачи, использование нелинейного конденсатора для придания им нелинейных свойств вносит в резонатор паразитные реактивности, что ограничивает максимально возможную частоту рабочего диапазона Дополнительные трудности при создании генераторов шума во всех вышеперечисленных случаях вызывает ограниченность выбора нелинейных конденсаторов и большой разброс их параметров, особенно для высокочастотных диапазонов применения Эти причины не позволяют в полной мере реализовать в прототипе частотные возможности современных управляемых частотно-модулируемых генераторов и элементов с отрицательным сопротивлением, в качестве которых, например, могут использоваться ЛПД с частотой генерации до 300 ГГц и более. Такие рабочие частоты являются недостижимыми для существующих нелинейных конденсаторов. Таким образом наличие в прототипе нелинейного конденсатора существенно ограничивает его область применения. Существование автоколебаний в генераторе-прототипе обусловлено наличием в его составе двух автогенераторов, управляемого частотно-модулируемого генератора и активного нелинейного резонатора Каждый из этих автогенераторов при автономной работе является генератором перио дических колебаний с присущей ему собственной частотой Стохастичность автоколебаний генератора-прототипа вызывается воздействием управляемого-частотно-модулируемого генератора на активный нелинейный осциллятор, которое носит характер возмущения и может приводить к двум качественно различным результатам' захвату частоты активного осциллятора частотно-модулируемым генератором и возникновению биений разностной частоты. Стохастическая динамика колебаний генератора прототипа в значительной мере определяется наличием обратной связи между активным нелинейным осциллятором и частотно-модулируемым генератором. Выполнение цепи обратной связи без преобразования сигналов активного нелинейного осциллятора приводит к тому, что управляющий сигнал меняется с частотой, равной частоте активного нелинейного резонатора, которая, в свохэ очередь, близка к частоте частотно-модулируемого генератора Известно что для эффективного изменения частоты модулируемого генератора частота управляющих колебаний должна быть существенно {не менее чем в 4-5 раз) ниже частоты его автоколебаний Инерционность перестройки управляемого частотно-модулируемого генератора приводит к тому, что действие сигнала обратной связи сказывается малоэффективным, и частота управляемого частотномодулируемого генератора изменяется в узкой окрестности собственной частоты, соответствующей отсутствию управляющего сигнала. Поэтому энергетический спектр результирующих шумовых колебаний прототипа является узкополосным (ширина спектра составляет 5. 10% от его средней частоты), и наблюдается существенное (более 20дб) превышение пиков над уровнем долин. В основу изобретения поставлена задача создания генератора шума с автостохастической модуляцией, в котором новое выполнение осциллятора и цепи обратной связи обеспечивает увеличение максимально возможной частоты диапазона, а это обеспечивает возможность увеличения равномерности и ширины энергетического спектра генерируемого шума и за счет этого позволяет расширить область применения, максимально приблизив качество генерируемого шума к эталонным (природным) источникам фильтрованного "белого" шума, а также улучшить технические характеристики устройств, создаваемых на основе таких генераторов Поставленная задача решается тем, что в генераторе шума с автостохастической модуляцией, содержащем управляемый частотно-модулируемый генератор, осциллятор и цепь обратной связи между управляющим входом управляемого частотно-модулируемого генератора и осциллятором, согласно изобретению, осциллятор представляет собой линейный резонатор, а цепь обратной связи выполнена в виде последовательно включенных вентиля, фильтра нижних частот, фильтра верхних частот и усилителя Благодаря новому выполнению элементов качественно меняется сущность работы предлагаемого генератора по сравнению с прототипом В прототипе активным элементом, который обеспечивает генерацию сигнала, является активный нелинейный осциллятор, а управляемый частотно 27534 модулируемый генератор совместно с цепью обратной связи обеспечивает стохастизацию колебаний. 8 предлагаемом генераторе шума новое выполнение элементов приводит к образованию частотно-неустойчивой динамической системы, в которой все ее элементы образуют единую систему с самоподдерживающимся стохастическим колебательным процессом. Наличие в цепи обратной связи вентиля, фильтра верхних частот, фильтра нижних частот и усилителя создает положительную обратную связь между выходом и управляющим входом управляемого чэстотно-модулируемого генератора и обеспечивает возникновение модуляционных автоколебаний. Полоса частот, а которой лежит спектр колебаний, модулирующих управляемый частотно-модулируемый генератор, определяется частотами среза фильтров. Модулирующие колебания преобразуются управляемым частотно-модулируемым генератором в частотно-модулированные колебания и возбуждают линейный резонатор. Отклик резонатора связан с изменениями частотно-модулированного возбуждения (а именно, скоростью и величиной изменения частоты) нелинейно. Иными словами линейный резонатор в совокупности с возбуждающим в нем колебания частотно-модулируемым генератором приобретает динамические нелинейные свойства^ а сами колебания становятся динамически неустойчивыми. В результате управляющие и выходные колебания совокупности управляемого частотно-модулируемого генератора и линейного резонатора становятся связанными стохастически. Фильтры верхних и нижних частот в цепи обратной .связи дают возможность изменять колебания управляемого частотно-модулируемого генератора и линейного резонатора и тем самым их динамические нелинейные свойства, от которых зависит энергетический спектр генерируемого шума. В целом это ведет к достижению необходимого технического результата - увеличению максимально возможной частоты диапазона при упрощении схемы и конструкции, а также обеспечивает возможность увеличения равномерности и ширины шумового спектра. Графические материалы включают: >г фиг. 1 - структурная схема предлагаемого генератора; фиг. 2 - условное обозначение управляемого частотно-модулируемого генератора для частотного случая его реализации в виде интегрального генератора, управляемого напряжением (а) и спектр сигнала, генерируемого частотно-модулируемым генератором для частного случая модуляции гармоническим сигналом (б); фиг. 3 - эквивалентная схема линейного резонатора (а) и его амплитудно-частотная характеристика (б) для частного случая его реализации в виде RLC-колебательного контура; фиг 4 - схема вентиля (а) и его передаточная характеристика (б) для частного случая реализации вентиля в виде диодно-резисторной цепи; фиг. 5 - схема фильтра нижних частот (а) и его амплитудно-частотная характеристика (б) для частного случая реализации фильтра в виде звена первого порядка на операционном усилителе; фиг. 6 ~ схема фильтра верхних частот (а) и его амплитудно-частотная характеристика (б) для частного случая реализации фильтра в виде звена первого порядка на операционном усилителе, фиг. 7 - схема усилителя (а) и его амплитудно-частотная характеристика (б) для частного случая реализация усилителя в виде инвертирующего звена на операционном усипителе; фиг. 8 - полосы существования хаотических колебаний генератора; фиг. 9 - совокупность функциональных частей генератора, обеспечивающая нелинейное частотно-временное преобразование колебаний; фиг. 10 - характеристики нелинейного частотно-временного преобразования для случая гармонического изменения модулирующего воздействия в функции частоты модуляции (а) и девиации частоты (б); фиг. 11 - диаграмма, иллюстрирующая неустойчивость периодического режима колебаний в генераторе; фиг. 12 - типовой вид энергетических спектров шума в низкочастотной и высокочастотной полосах генератора; фиг. 13 - принципиальная схема предлагаемого генератора шума (пример конкретной реализации); фиг. 14 - энергетические спектры шума генератора на выходе управляемого частотно-модулируемого генератора и на выходе усилителя для примера конкретной реализации. Предлагаемый генератор шума с автостохастической модуляцией (фиг. 1) содержит управляемый частотно-модулируемый генератор 1 (да- . лее -ЧМ-генератор), резонатор, представляющий собой линейный резонатор, 2 (далее - резонатор), последовательно включенные между собой вентиль 3, фильтр нижних частот 4, фильтр верхних частот 5 и усилитель 6, представляющие собой цепь обратной связи, которая включена между управляющим входом ЧМ-генератора 1 и резонатором 2. В качестве элементов 1 6 генератора могут применяться любые известные в радиоэлектрочике схемотехнические разновидности соответствующих функциональных узлов совместимые по входным и выходным характеристикам. Для обеспечения работоспособности генератора существенны функциональные свойства элементов, которые заключаются в следующем: 1) управляемый ЧМ-генератор 1, в качестве которого может применяться в частности, интегральный генератор, управляемый напряжением (ГУН), при постоянном напряжении на управляющем входе Ur'J' (фиг. 2а) генерирует периодический сигнал и / 4 постоянной частоты f^; при изменении управляющего воздействия частота генерируемых колебаний изменяется, в частности, при гармоническом воздействии спектр колебаний А является двухполосным, симметричным, дискретным (фиг 26) девиация частоты fo, определяется амплитудой управляющего воздействия и коэффициентом частотной чувствительности ЧМ-генератора; при случайном воздействии спектр копебаний сплошной; 2) резонатор 2, реализация которого, в частности, обеспечивается RLC-контуром (фиг. За, где символами Up'11. U p (2 \ обозначены мгновенные значения входного и выходного напряжений резонатора), с амплитудно-частотной характеристикой 27534 (фиг. 36, где f op резонансная частота RLC-контура); 3) вентиль 3, в качестве которого может применяться простейшая диодно-резисторная цепь (фиг. 4а, где символами U a ' 1) и U,(a> обозначены мгновенные значения входного и выходного напряжений вентиля), обеспечивает преобразование дэуполярного высокочастотного сигнала частоты f, поступающего от резонатора 2, в однополярный (фиг. 46); 4) фильтр нижних частот 4, который может быть реализован, в частности, на операционном усилителе (фиг. 5а, где символами U*H4(1), U ^ 2 ' обозначены мгновенные значения входного и выходного напряжений фильтра), ограничивает прохождение сигналов высоких частот, поступающих с вентиля 3, не влияя на прохождение сигналов низких частот, что иллюстрируется амплитудночастотной характеристикой фильтра (фиг. 56, где символами Ргфнч и Нфмч обозначены, соответственно, частота входного воздействия на фильтр и модуль его частотной характеристики); 5) фильтр верхних частот 5, который может быть реализован, в частности, на операционном усилителе (фиг. 6а, где символами U^ 4 ( 1 ) , ифвч'21 обозначены мгновенные значения входного и выходного напряжений фильтра), ограничивает прохождение сигналов низких частот, поступающих с вентиля 3, не влияя на прохождение сигналов высоких частот, что иллюстрируется амплитудночастотной характеристикой фильтра (фиг. 66, где символами РГфвч и Нфеч обозначены, соответственно, частота входного воздействия на фильтр и модуль его частотной характеристики); 6) усилитель 6, который может быть реализован, в частности, в виде инеертирующего'усилительного звена на операционном усилителе (фиг. 7а, где символами и/ 1 1 и U y ( 2 ) обозначены мгновенные значения входного и выходного напряжений усилителя), обеспечивает усиление сигналов, поступивших с вентиля 3 и прошедших через фильтры верхних и нижних частот, что иллюстрируется его амплитудно-частотной характеристикой (фиг. 76, где символами F и Н у обозначены, соответственно, частота входного гармонического воздействия на усилитель и модуль его частотной характеристики). В целом, взаимосвязь входных и выходных величин элементов генератора в направлении обхода контура определяется соотношениями Urt2) = Um,cos(27ifor + SUy'2)); (1) U P ( 2 ) =L p (U f ( 2 ) ); = Up 1(Up ); ' В СТОРОНУ более НИЗКИХ ЧЭСТОТ F ПО Мврв увеличения U my ' 2) . В предлагаемом генераторе выходные колебания и в вентиля 3 после прохождения через фильтры 4, 5 и усилитель 6 подаются на вход управляемого ЧМ-генераторз 1. Таким образом, переменная Umy(2\ а также пропорциональное ей значение девиации частоты fD, взятые как входные переменные разомкнутой цепи генератора, отображаются в новые значения Umyt2\ fo, причем отображения последования (2) 2 ҐІ , ( Umy ID (10} вследствие немонотонности зависимостей (9) и влияния коэффициента К усилителя (6) на размах колебания, согласно теории динамических систем Ї9, 10] могут быть хаотическими На фиг. 11 неустойчивость колебаний в предлагаемом генераторе иллюстрируется диаграммой Ламерея для отображения последовзния девиации частоты Точка пересечения fB0 функции отображения = G(fD) 01) и прямой fo = ID, является неустойчивой, и при выходе из положения равновесия вследствие действия естественных флуктуации 8 fo в генераторе устанавливается хаотический режим, которому соответствует хаотическое исследование f D -> %. Механизм хаотического отображения относится к сценарию удвоения периода колебаний (сценарию Фейгенбаума) [9, 10]. Кроме изменения девиации частоты, в предполагаемом генераторе имеет место изменение частоты колебаний F (фиг. 10, а). Эти изменения дополняют деаиационные, вследствие чего хаотичность колебаний является более сложной, чем это иллюстрируется диаграммой фиг. 11. Вследствие действия обоих факторов в генераторе устанавливаются колебания с шумовой автостохастической модуляцией, свойства которой определяются свойствами всех элементов цепи 1...6 (фиг. 1), а именно1 - коэффициентом частотной чувствительности управляемого ЧМ-генератора 1; - динамическими характеристиками линейного резонатора 2. - коэффициентом передачи вентиля 3; - коэффициентом передачи и граничными частотами амплитудно-част отных характеристик фильтров нижних и верхних частот 5, 4; - коэффициентом усиления усилителя Є При этом влияние коэффициентов передачи 1, 2, 3, 4, 5, 6 на свойства генератора является мультипликативным, и уменьшение одного из них может быть восполнено увеличением другого. Специфическую роль играет совокупная полоса пропускания фильтров 4, 5. определяемая граничными частотами Ргфмч, Ргфвч (фиг. 8, где символом F обозначен модуль нормированной совокупной частотной характеристики фильтров нижних и верхних частот). Эти элементы передают в пределах своей полосы пропускания шумовой сигнал, поступающий после прохождения через усилитепь 6 на управляющий вход ЧМ-генератора. Соответственно разность частот AF = F - F (12) определяет ширину энергетического спектра модулирующего шума и существенно влияет на динамику шумовой частотной перестройки ЧМ-генератора. Типовой вид нормированных энергетических спектров N шумовых колебаний в ВЧ и НЧ полосах генератора представлен на фиг. 12, (линия 1 соот-' ветствует выходному сигналу ЧМ-генератора, линия 2 - выходному сигналу резонатора, линия 3 выходному сигналу усилителя). Примером реализации предлагаемого изобретения может служить генератор шума с автостохастической модуляцией, принципиальная схема которого изображена на фиг. 13 (стандартные цепи литания и коррекции микросхем опущены). Генератор выполнен с использованием интегральной элементной базы, при этом - управляемый ЧМ-генератор включает интегральные микросхемы DD1. DD2; - резонатор - интегральные операционные усилители (ОУ) DA5. DA6, DA7, DA9; - фильтр низких частот - ОУ 0А8; - фильтр верхних частот - ОУ DA4; - усилитель - DA3. Основой управляемого ЧМ-генератора служит генератор, управляемый напряжением, типа К531ГГ1 в стандартном включении (DD1). Микросхема DD2 типа 170АП2 является вспомогательной и преобразует однополярный выходной сигнал генератора D01 в деухпопярный той же частоты. Частота колебаний ГУН определяется емкостью конденсатора С1 и напряжением на управляющем входе 2 Напряжение, снимаемое с резистора R1, подается на управляющий вход микросхемы DD1. На этот же вход через разделительный конденсатор С2 поступает и управляющее напряжение с выхода усилителя. Выходное напряжение управляемого ЧМ-генератора через регулируемый делитель напряжения, выполненный на резисторе R5. поступает на вход резонатора. Амплитуда сигнала на входе резонатора выбирается из условий работы ОУ на линейной части амплитудных характеристик и полного использования их динамического диапазона. Осциллятор представляет собой синтезированную модель RLC-колебательного контура, выполненную на ОУ. Такое его выполнение вызвано возможностью достижения широкого диапазона регулировок частоты и добротности. Осциллятор включает в себя последовательно вк 27534 люченные сумматор и два интегратора {ОУ DA5, DA7, DA9 соответственно), охваченные двумя ветвями обратной связи. Первая ветвь обратной связи задает резонансную частоту резонатора f, частота регулируется подстроечным резистором R14. Вторая ветвь выполнена на инвертирующем усилителе (ОУ DA6), она определяет добротность эвена. Цепь обратной связи генератора, включающая вентиль (диод VD1 и резистор нагрузки R25), фильтры нижних и верхних частот (фильтры 2-го порядка со скоростью изменения частотных характеристик 40 дБ/дек, выполненные соответственно на ОУ DA8 и DA4 с навесными элементами) и усилитель (инвертирующий усилитель на ОУ DA3), включена между выходом ОУ DA9 и управляющим входом управляемого ЧМ-генератора Все элементы цепи обратной связи выполнены по стандартным схемам. Коэффициент передачи цели обратной связи регулируется посредством потенциометра R6. Возможность генерирования шумовых колебаний рассматриваемым генератором с автостохастической модуляцией была проверена в широком диапазоне изменения параметров резонатора. В частности, при применении радиоэлементов, номиналы которых указаны на фиг. 13, и стандартных напряжениях питания были получены следующие результаты по ширине и равномерности энергетического спектра шума на выходе ЧМ-генератора (фиг. 14, линия 1 соответствует выходному сигналу ЧМ-генератора, линия 2 - выходному сигналу усилителя) Ширина энергетического спектра шума по -уровню -5 д8 относительно максимального значе. ния составляет не менее 60% относительно среднего значения частоты на указанном уровне. Основными техническими результатами предлагаемого изобретения являются высокие равномерность и ширина энергетического спектра при увеличенной максимально возможной частоте диапазона, в котором осуществим генератор шума Сопутствующие полезные свойства изобретения состоят в возможностях простых регулировок среднего значения частоты и ширины энергетического спектра шума, осуществления генератора в широком диапазоне частот - от звуковых и инфразвуковых до верхних частот радиотехнического спектра при одновременном упрощении его схемы и конструкции. Фиг. 1 А О 8 Фиг. 2 27534 ff и и\ a Фиг. 3 rW a\ II m a .5 cz F ГФВЧ 27534 Фиг. 8 і 2 * 3 • Фиг. 9 Фиг. 10 Фиг. 11 27534 /V і Фиг. 12 Фиг. 13 27534 2.5і 5 V f КГц отнел Фиг. 14 Тираж 50 ею. Відкрите акціонерне товариство «Патент» УкраТна, 66000, м. Ужгород, в/п, Гагаріна, 101 (03122)3-72-89 (03122)2-57-03 10