Генератор шуму з автостохастичною модуляцією

1. Генератор шума с автостохастической модуляцией, включающий управляемый частотномодулируемый генератор и нелинейный осциллятор, соединенные последовательно, и цепь обратной связи между управляющим входом частотномодулируемого генератора и выходом нелинейного осциллятора, отличающийся тем, что нелиней ный осциллятор представляет собой пассивное нелинейное колебательное звено, а цепь обратной связи содержит последовательно включенные демодулятор колебаний пассивного нелинейного колебательного звена, фильтр нижних частот, фильтр верхних частот и усилитель. 2 Генератор по п.1, отличающийся тем, что пассивное нелинейное колебательное звено содержит связанные между собой нелинейные колебательные контуры. 3. Генератор по п.1, отличающийся тем, что пассивное нелинейное колебательное звено содержит осциллятор, образованный катушкой индуктивности и полупроводниковым диодом с р-п переходом. 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, например, в криоультразвуковых медицинских аппаратах и в аппаратах ультразвуковой микросварки с шумовым воздействием. Наиболее близкими по технической сущности ' и достигаемому техническому результату к заявляемому является автогенератор случайных сигналов, 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 час тоте автоколебательного блока. Автоколебания в этом генераторе обусловлены наличием в его составе двух автогенераторов: управляемого частотно модулируемого генератора и активного нелинейного осциллятора. Каждый из этих автогенераторов при автономной работе является генератором периодических колебаний с присущей ему собственной частотой. Стохастичность автоколебаний генератора 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 этого генератора 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 осциллятора, которая в свою очередь, близка к частоте управляемого частотно модулируемого генератора. Известно, что для эффективного изменения частоты модулируемого генератора частота управляющих колебаний должна быть существенно (не менее чем в СМ О 00 о> 10839 4-5 раз) ниже частоты его автоколебаний Инерционность перестройки управляемого частотно моду пируемого генератора приводит к тому, что действие сигнала обратной связи оказывается малоэффективным, и частота управляемого частотно модулируемого генератора изменяется в узкой окрестности собственной частоты, соответствующей отсутствию управляющего сигнала Поэтому энергетический спектр результирующих шумовых колебаний генератора-прототипа является узкополосным (ширина спектра составляет 5 10% от его средней частоты), и наблюдается существенное (более Юдб) превышение пиков над уровнем долин В основу изобретения поставлена задача создания генератора шума с автостохастической модуляцией, в котором новое выполнение нелинейного осциллятора и цепи обратной связи обеспечивает увеличение равномерности и ширины энергетического спектра генерируемого шума и возможность управления такими характеристиками спектра, как форма огибающей и плотность энергии, что максимально приближает качество генерируемого шума к эталонным (природным) источникам фильтрованного «белого» шума, а также улучшает технические характеристики приборов, создаваемых на основе таких генераторов Поставленная задача решается тем, что в генераторе шума с автостохастической модуляцией, содержащем управляемый частотно модулируемый генератор и нелинейный осциллятор, соединенные последовательно, и цепь обратной связи между управляющим входом управляемого частотно модулируемого генератора и выходом нелинейного осциллятора, согласно изобретению, нелинейный осциллятор представляет собой пассивное нелинейное колебательное звено, а цепь обратной связи содержит последовательно включенные демодулятор колебаний пассивного нелинейного колебательного звена, фильтр нижних частот, фильтр верхних частот и усилитель В заявляемом генераторе шума совокупность существенных признаков 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 демодулятора и усилителя создает положительную обратную связь между выходом и управляющим входом управляемого частотно модулируемого генератора и обеспечивает возникновение модуляционных автоколебаний Эти колебания преобразуются в хаотические пассивным нелинейным колебательным звеном, которому присуща гистерезисная динамическая неустойчивость В результате управляющие и выходные колебания управляемого частотно-модулируемого генератора становятся связанными стохастически Фильтры верхних и нижних частот в цепи обратной связи дают возможность изменять вид стохастической связи между входом и выходом управляемого частотно-модулируемого генератора и тем самым управлять характеристиками энергетического спектра генерируемых колебаний что ведет к увеличению равномерности и ширины энергетического спектра генерируемого шума Кроме того, изменением полосы пропускания фильтров верхних и нижних частот, а также коэффициента усиления усилителя цепи обратной связи можно целенаправленно управлять характеристиками шумового спектра генератора При этом следует отметить два частных случая выполнения предлагаемого генератора шума - выполнение пассивного нелинейного колебательного звена в виде связанных между собой нелинейных колебательных контуров позволяет за счет возрастания числа областей гистерезисной динамической неустойчивости ожидаемый технический результат - расширить равномерность и частотный диапазон хаотического отклика пассивного нелинейного колебательного звена, а, следовательно, и всего генератора шума, - выполнение пассивного нелинейного колебательного звена в виде осциллятора, образованного катушкой индуктивности и полупроводниковым диодом с р-n переходом позволяет за счет использования различия емкостных реактивных свойств диода при прямом и обратном смещении формировать шумовой сигнал в виде хаотической последовательности импульсов со случайно изменяющейся амплитудой, длительностью и интервалом следования импульсов и тем самым обеспечить важную прикладную форму проявления ожидаемого технического результата Графические материалы включают фиг 1 - структурная схема предлагаемого генератора, фиг 2 - условное обозначение частотно-модулируемого генератора для частного 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 - схема нелинейного колебательного звена (а) и частотные зависимости отклика звена (б) для частного случая его реализации в виде нелинейного LC - колебательного контура, фиг 4 - схема демодулятора (а) и его передаточная характеристика (б) для частного случая реализации демодулятора в виде амплитудного детектора 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 реализации усилителя в виде инвертирующего звена на операционном усилителе фиг 8 - вспомогательная схема генератора для анализа мало-сигнальных изменений энергетических величин в окрестности положения равновесия, фиг 9 - диаграммы Ламерея (а) и Найквиста (б), иллюстрирующие неустойчивость равновесного статического режима работы генератора фиг 10 - совокупная амплитудно-частотная характеристика фильтров нижних и верхних частот генератора, 10839 фиг. 11 - типовой вид энергетических спектров шума в различных сечениях структурной схемы генератора; фиг. 12 - частотная зависимость отклика нелинейного колебательного звена при выполнении в виде двух связанных колебательных контуров (а) и типовой вид энергетического спектра генерируемого шума для этого случая; фиг. 13 - схема нелинейного LD - колебательного звена (а), временная диаграмма выходного спектра генерируемого шума для этого случая (в); фиг. 14 - принципиальная схема предлагаемого генератора шума (пример конкретной реализации); фиг. 15 - энергетический спектр генерируемого предлагаемым генератором шума (пример конкретной реализации). Предлагаемый генератор шума с автостохастической модуляцией (фиг. 1) содержит управляемый частотно-модулируемый генератор 1 (ЧМ-генератор), нелинейный осциллятор, представляющий собой пассивное нелинейное колебательное звено 2 (нелинейное колебательное звено), последовательно включенные между собой демодулятор 3 колебаний нелинейного колебательного звена, 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 выходом нелинейного колебательного звена 2. В качестве элементов 1...6 генератора могут применяться любые известные в радиоэлектронике 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, при постоянном напряжении на управляющем входе (фиг. 2а) генерирует периодический сигнал U ] ], постоянной частоты for; при изменении управляющего воздействия частота генерируемых колебаний изменяется; в часгности, при гармоническом воздействии спектр колебаний S является двухполосным, симметричным, дискретным (фиг, 26); девиация частоты Af г определяется амплитудой управляющего воздействия и коэффициентом частотной чувствительности ЧМ-генератора; при случайном воздействии спектр колебаний сплошной; 2) пассивное нелинейное колебательное звено 2, реализация которого, в частности, обеспечивается LC контуром с нелинейным конденсатором (фиг. За, где символами U ^ , U ^ обозначены мгновенные значения входного и выходного напряжений звена), обладает гистерезисным частотным откликом (фиг. 36, где символами V w 3 . V H 3 обозначены амплитудные значения воздействия и отклика, а символом f - частота воздействия), причем параметры ч астотной за виси мости отклика, в частности, ширина петли гистерезиса, и ее частотный сдвиг относительно мало-сигнальной частоты foH3 зависят от амплитуды возбуждающего воздействия V * , ; на фиг. 36 представлены частотные зависимости отклика LC - контура с нелинейным конденсатором для двух значений амплитуды возбуждающего воздействия v « i \ • v «3 2 - причем V ^ } , > VJ/32 : при возбуждении звена частотно изменяющимся сигналом форма частотной зависимости отклика деформируется различным образом в зависимости от скорости изменения частоты воздействия [9]; зависимость частотного отклика от скорости изменения частоты, но безотносительно к амплитуде воздействия, проявляется также в линейных колебательных звеньях; 3) демодулятор 3, в качестве которого может применяться простейший диодный амплитудный детектор (фиг. 4а, где символами U ^ и U*)w обозначены мгновенные значения входного и выходного напряжений детектора), обеспечивает преобразование высокочастотного сигнала частоты fг = for + S Ь (t) в низкочастотный сигнал частоты F(t), с которой изменяется огибающая высокочастотного сигнала; амплитудный детектор реагирует на изменение текущего значения огибающей высокочастотного сигнала, поступающего от колебательного звена 2 (фиг. 46, где символами V д1, V))v/ обозначены значения огибающих входного и выходного напряжений детектора); в качестве демодулятора может использоваться также частотный детектор, реагирующий на изменение мгновенной частоты и амплитуды колебаний нелинейного колебательного звена 2; 4) фильтр нижних частот 4, который может быть реализован, вчастности, в виде низкочастотного RC-звена 1-го порядка или аналогичного звена на операционном усилителе (фиг. 5а, где символами U (і) фн4 (2) < U ф)і4 обозначены мгновенные значения входного и выходного напряжений фильтра), ограничивает прохождение сигналов высоких частот, выделенных демодулятором 3, не влияя на прохождение сигналов низких частот, что иллюстрируется амплитудно-частотной характеристикой фильтра (фиг. 56, где символами F и Нфм4 обозначены, соответственно, частота входного воздействия на фильтр и модуль его частотной характеристики); 5) фильтр верхних частот, который может быть реализован, в частности, в виде высокочастотного RC-звена 1-го порядка или аналогичного звена на операционном усилителе (фиг. 6а, где символами ' фвА " и фвА обозначены мгновенные значения входного и выходного напряжений фильтра), ограничивает прохождение сигналов низких частот, выделенных демодулятором 3, не влияя на прохождение сигналов высоких частот, что иллюстрируется амплитудно-частотной характеристикой (фиг. 66, где символами F и Нфв4 обозначены, соответственно, частота входного гармонического воздействия на фильтр и модуль его частотной характеристики); w 10839 6) усилитель 6, который может быть реализован, в частности, в виде инвертирующего усилительного звена на операционном усилителе (фиг (фиг 9а) линия 1 соответствует зависимости частоты ЧМ генератора от управляющего напряжения обозначены а линия 2 - зависимости выходного напряжения цепи обратной связи (усилителя 6) от частоты ЧМ-генератора 7а, где символами U U мжовенные значения входного и выходного напряжений усилитепя), обеспечивает усиление сигналов, выделенных демодулятором 7 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 статическом со стоянии работа генератора является равновесной Генератор ЧМ-колебаний 1 в этом состоянии генерирует периодические сигналы равновесной частоты for (фиг 2), которые, воздействуя на колебательное звено 2, вызывают периодический отклик той же частоты (фиг 3) На выходе демодулятора 3 периодические сигналы создают однополярное напряжение с огибающей Равновесному статическому режиму работы генератора соответствует пересечение линий в точке U ( 1 ) = 0, fг = for Отклонение от равновесной точки на величину V приводит к необратимому измнению fr и U , что означает утрату равновесия На диаграмме Найквиста (фиг 96) представлен годограф вектора передаточной функции разомкнутой цепи последовательно соединенных элементов 1 6 для малого сигнала в окрестности положения статического равновесия = А(п)+./В(п).где У ()х1 постоянной величины, которое фильтрами 4, 5 не передается и которому на выходе усилителя 6 соответствует на пряжение, равное нулю (фиг 7) Последнее означает, что управляющее напряжение на входе ЧМ-генератора 1 равно нулю, что соответствует условию его работы на частоте for Работа генератора основана на том, что равновесный статический режим его работы является частотно неустойчивым Частотная нестабильность генератора обусловлена двумя факторами 1 Цепь последовательно включенных элементов 1 6 является цепью преобразования величин различной разномерности, а именно, преобразования вида «напряжение - частота - напряжение», при этом ЧМ генератор 1 выполняет функцию преобразователя «напряжение - частота» а колебательное звено 2 и демодулятор 3 совместно выполняют функцию преобразователя «частота - напряжение» (в случае применения в качестве демодулятора детектора ЧМ-колебаний, последний выполняет функцию такого преобразователя самостоятельно) Связь между управляющим входом ЧМ-генератора и выходом усилителя 6 приводит к влиянию изменения частоты генератора fr на его входное напряжение U , что далее влияет на изменение его частоты (фиг 1) 2 Наличие в цепи обратной связи усилителя 6 означает, что малым по величине начальным (исходным) изменениям U , действие которых на фиг 8 учтено сигналом SV возникновение величина сигнала которого обратной связи изменение U^ 2 ) , превосходит (положительная обратная связь) начальное соответствует Sv Р В результате, возрастает, и частота fr необратимо изменяется На фиг 9 частотная неустойчивость генератора в статическом режиме показана двумя способами при помощи диаграммы Ламерея и при помощи диаграммы Найквиста На диаграмме Ламерея - частота малосигнального гармонического изменения управляющего сигнала U - комплексные амплитуды малосигнального изменения напряжений U , , U ; , A ( Q ) . B ( Q ) - действительная и мнимая части малосигнальной передаточной функции разомкнутой цепи Вследствие на личия в цепи элементов 1 6 усилителя 6 годограф вектора охватывает точку (1,0), а это означает неустойчивость положения равновесия Самопроизвольно возникающие изменения напряжения U ) и частоты fr колебаний ЧМ-генератора 1 означает самопроизвольное возникновение частотной модуляции Автостохастичность (динамический хаос) возникающей модуляции достигается вследствие применения в предлагаемом генераторе нелинейного колебательного звена 2 Известно, что отклик такого звена на детерминированное ЧМ-воздействие может быть хаотическим Последнее соответствует шумовому виду сигнала обратной связи, воздействующему на ЧМ генератор (фиг 1) Хаотическое в оздействие на ЧМ-генератор поддерживает предшествующий хаотический отклик цепи обратной связи В результате, в генераторе устанавливаются колебания с шумовой авто стохастической модуляцией, свойства которой определяются свойствами всех элементов цепи 1 6 - коэффициентом частотной чувствительности по управляющему напряжению и инерционностью ЧМ-генератора 1, - динамическими характеристиками (порядком, видом и коэффициентом нелинейности, добротностью) колебательного звена 2, - коэффициентом передачи демодулятора 3, - коэффициентом передачи и граничными частотами амплитудно-частотных характеристик фильтров нижних и верхних частот 5 и 4, - коэффициентом усиления усилителя 6 При этом влияние коэффициентов передачи 10839 элементов 1, 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 F