Генератор шуму з автостохастичною модуляцією

Генератор шуму з автостохастичною*модуляцією, що містить керований частотно-модульований генератор (далі ЧМГ), лінійний резонатор та ланцюг зворотнього зв'язку між керуючим входом ЧМГ та резонатором, виконаний в вигляді послідовно включених венгиля, фільтра низьких частот, фільтра високих частот та підсилювача, який відрізняється тим, що до нього додатково введені другий резонатор, підключений до виходу ЧМГ паралельно першому, другий вентиль, підключений до виходу другого резонатора, та суматор, який включено між виходами першого та другого вентилів та входом фільтра низьких частот, причому перший та другий резонатор симетрично розстроєні по частоті відносно власної частоти ЧМГ, напрямки пропускання сигналів першого та другого вентилів протилежні, а підсилювач є інвертуючим. Винахід відноситься до галузі радіотехніки, зокрема створення систем широкосмугового зв'язку, та може бути використаний при створенні генераторів шуму, призначених для досліджень та випробувань автоматичних систем, імітації' перешкод, а також для генераторів шуму, що використовують в медицинській та технологічній практиці. Для запропонованого винаходу існує два аналоги, які являють собою генератори хаотичних коливань радіочастотного діапазону та відносяться до класу автономних кільцевих коливальних систем [1,2]. Обидва генератори являють собою сукупність замкнених в кільце трьох елементів: частотно-модульованого генератора (далі - ЧМГ), нелінійного елемента та ланцюга зворотного зв'язку Ланцюг зворотного зв'язку виконано у вигляді послідовно включених фільтрів низьких частот та підсилювача Смуга частот модульованих коливань на вході ЧМГ, визначається граничною частотою зрізу фільтра низьких частот. Вхідні коливання ЧМГ перетворюються в частотно-модульовані коливання та збуджують нелінійний елемент, передаточна характеристика якого нелінійна. Один з генераторів в якості нелінійного елемента використовує частотний дискримінатор, а другий - фазовий дискримінатор. В першому генераторі частотно-модульовані коливання збуджують частотний дискримінатор, передаточна'характеристика якого в широкому діапазоні керуючих напруг є нелінійною. Сукупність ЧМГ та частотного дискримінатора створює нелінійну ланку, еквівалентну безінерційному елементу в генераторах з інерційною затримкою [3]. В другому генераторі хаотичних коливань в якості нелінійного елемента використовується фа?овий дискримінатор, на два входи якого надходять сигнал частотно-модульованих коливань від ЧМГ та сигнал опорного коливання (для випадку автономності дії генератора частота опорних коливань дорівнюється власній частоті ЧМГ). а на виході визначається сигнал, фаза якого визначається як синус різниці фаз вхідних сигналів Сукупність ЧМГ та фазового дискримінатора створює в генераторі нелінійну ланку. Загальною рисою хаотичних коливань, які створюються генераторами з частотним та фазовим дискримінаторами, є те. що вони відносяться до типу коливань які визначаються як «подвійний завиток» [4] При таких типах коливань енергетичний спектр хаотичних коливань нерівномірний, а симетрія спектру, відносно власної частоти ЧМГ є неконтрольованою. Найбільш близький за технічною сутністю та результатом дії, що досягається, до запропонованого генератору шуму є обраний в якості прототипу генератор шуму з автостохастичною модуляцією [5,6.7]. Прототип являє собою автономну кільцеву систему, що містить керований ЧМГ, осцилятор та ланцюг зворотного зв'язку між керуючим входом ЧМГ та осцилятором, причому осцилятор є лінійним резонатором, а ланцюг зворотного зв'язку виконано у вигляді послідовно включених вентиля, фільтра низьких частот, фільтра високих частот та підсилювача. Взаємодія елементів генератора призводить до утворення системи з О ю со О) 35104 частотно-нестійкими динамічними властивостями та з стохастичним коливальним процесом, що самопідтримується Смуга частот модульованих коливань на вході ЧМГ визначається частотами зрізу фільтрів ЧМГ перетворює сигнали з області низьких частот в область ВІДПОВІДНИХ ВИСОКИХ частот ВХІДНІ коливання ЧМГ перетворюються в частотномодульовані коливання та збуджують ЛІНІЙНИЙ резонатор Відгук резонатора пов'язаний зі зміною модулюючого збудження непінмно, причому при збільшені швидкості зміни частоти нелінійність відгуку стає суттєвою Іншими словами ЛІНІЙНИЙ резонатор у поєднанні з вентилем та збуджуючим в ньому коливаннями ЧМҐ має нелінійні динамічні властивості Фільтри високихта низьких частот ланцюга зворотного зв'язку дають МОЖЛИВІСТЬ змінювати коливання керованого ЧМГ та лінійного резонатора і тим самим керувати їхніми динамічними нелінійними властивостями від яких залежить енергетичний спекгр генерованою шуму В порівнянні з аналогами в цілому це забезпечує рівномірність шумового спектру хаотичних сигналів, але в результаті несиметричності збуджєнья резонатора відносно власної частоти ЧМГ обумовлює несиметричність спектрів хаотичних сигналів В основу винаходу покладена задача створення генератора шуму з автостохастичною модуляцією що дає можливість створення широкосмугових сигналт з покращеним симетричним спектром Це поліпшує технічні характеристики засобів, створюваних на основі таких генераторів Поставлена задача вирішується гим, що в генератор шуму з аатостохасгичною модуляцією, що містить керований ЧМГ, лінійний резонатор та ланцюг зворотної а зв"язку *ліж керованим входом ЧМГ та резонатором, виконаний в вигляде послідовно включених вентиля фільтра низьких частот, фільтра високих частот та підсилювача, додатково включено другий резонатор, підключений до виходу ЧМГ паралельно першому, другий вентиль, підключений до виходу другого резонатора, та суматор, включений між виходами першого та другого вентиля та входом фільтра низьких частот, причому перший та другий резонатори симетрично розстроєні по частоті відносно власної частоти ЧМГ, напрямки пропускання сигналів першого та другого вентиля протилежні, а підсилювач є інвертуючим Завдяки включенню додатгоаих елементів до генератора якісно змінюється сутність його роботи в порівнянні з прототипом В запропонованому генератор» шуму поєднання ЧМГ, двох симетрично розстроєних резонаторів, двох вентмлів, напрямки пропускання яких різні, та суматора, який складає ВИХІДНІ сигнали вентилів, створює очікуваний технічний результат - забезпечує симетричність енергетичного спектру хаотичних сигналів ВІДПОВІДНО винаходу два резонатори симетрично розстроєні по частоті відносно власної частоти ЧМГ в різні сторони (вверх та вниз) ив частоту порядку їх смуги пропускання s амплітудно-чао тотні характеристики (АЧХ) та фазово-частотні характеристики (ФЧХ) резонаторів близькі по формі. Вхідні коливання ЧМГ перетворюються в частотно модульовані коливання та збуджують симетрично розстроєні лінійні резонатори Відгук кожного резонатора пов'язаний Із зміною частотно-модульо ваного збудження симетрично ВІДПОВІДНО власної частоти ЧМГ Наявність в ланцюзі зворотного зв'язку фільтра низьких частот, фільтра високих частот га підсилювача забезпечує модуляційні автоколивання Смуга частот, в якій знаходиться спектр вхідних модулюючих коливань ЧМГ, визначається частотами зрізу фільтрів В цілому це веде до досягнення необхідного технічного результату - забезпечує можливість створення симетричного енергетичного спектру хаотичних сигналів відносно власної частоти ЧМГ Порівняльний аналіз »з прототипом показує, що запропонований генератор шуму з автостохастичною модуляцією відрізняється новим виконанням ланцюга нелінійного підсилювача в генераторі, що свідчить про ВІДПОВІДНІСТЬ заявленому засобу критерію винаходу "новизна" Взаємозв'язок елементів запропонованого генератора, що призводять до створення хаотичних коливань із симетричним енергетичним спектром відносно власної частоти ЧМГ, а також технічний результат, якого досягнуто завдяки цьому в сучасній техніці невідомі Це забезпечує ВІДПОВІДНІСТЬ заявленому засобу критерію "винахідницький рівень" Графічні матеріали включають - фіг 1 - структурна схема запропонованого генератора, - фіг 2 - передаточна характеристика частотно-модупьованого генератора, - фіг 3 - типовий вигляд передаточно* характеристики резонаторів та низькочастотного ланцюга генератора, - фіг 4 - структурна схема запропонованого генератора шуму з розімкненим колом іворотного зв'язку, - фіг 5 - функції Бесселя 1-го, 2-го, 3-го та 4го порядку (для пояснення дп запропонованого ге. нератора), - фіг 6 - спектр коливань ЧМГ при гармонічній модуляції - фіг 7 - ФЧХ та АЧХ резонаторів генератора, гармоній відгуку ЧМГ Jo, Ji (у випадку гармонмного впливу), - фіг 8 - векторні діаграми, що ілюструють зміну вектора зворотного сигналу при малих значеннях індексу частотної автомодуляци, - фіг 9 - векторні діафеїми, що ілюструють зшну вектора зворотного сигналу при великих значеннях індексу частотної автомодуляцП, - фіг 10 - зворотне відображення, типу "тент", фіг 11 - приклад послідовносте хаотичних відображень назворотному відображенні типу "тент", - фіг 12 - залежність розмаху вихідного сигналу V m в«д розмаху вхідного сигналу V m для двох значень частоти, що відрізняються в 2 рази ії2 = — Ц , де ЛІНІЯ 1 - залежність при £1 О». 2 - залежність при ] • фіг 13 - часова реалізація сигналу на вході ЧМГ, - фіг 14 - гістограми частоти розподілу миттєвих значень хаотичної напруги, створюваної запропонованим генератором з автостбхастичною модуляцією, 35104 -фіг 15 - гістограми частоти розподілу мит-» ієвих значень випадкових значень чисел з нормапьним законом розподілу, створюваних сучасною системою математичних розрахунків, - фіг 16 - енергетичний спектр сигналу на виході ЧМГ Запропонований генератор шуму з автостохастичною модуляцією (фіг 1) включає керований частотно-модульований генератор 1 (далі - ЧМГ). два симетрично розстроєних резонатори 2, 3, вентилі 4, 5, суматор 6, на вхід якого поступають сигнали з виходу вентилів 4,5, фільтр низьких частот 7, фільтр високих частот 8 та підсилювач 9. Елементи 1-6 являють собою нелінійний підсилювач. Всі елементи схеми 7-9 являють собою інерційний ланцюг Взаємозв'язок вхідних та вихідних величин елементів генератора при розімкненому колі зворотнього зв'язку у напрямку обходу контуру визначається співвідношеннями. Sv); (1) vp», = Lpi(v r ); (2) Урн = Pp2(Vr); (3) (4) (5) (6) = V чується у запропонованому винаході завдяки двом чинникам* 1) врахуванню властивостей симетрії та антисиметрії фазово-частотного спектра коливань ЧМГ; 2) специфіці частотних та нелінійних властивостей резисторно-вентильних ланок, одну з яких для забезпечення симетрії введено додатково у порівнянні з прототипом Сутність обох чинників зводиться до наступного [8]. Миттєва частота ЧМГ 1 (фіг 1,4) уиаспідок дії на нього керуючої напруги v змінюється відносно його власного значення згідно з співвідношенням супроводжується зростанням І Врв (t) |, що при І Врв (t) І < І Apg (t) І призводить до зростання розмаху зворотного сигналу кільцевого зворотнього зв'язку. У випадку протилежної нерівності і В р в (t) і < І Ар, (t) І. яка настає при збільшенні пц внаслідок різниці залежностей JO(ITH), Ji(nrif) (фіг.5). зміна обвідної визначається обертанням вектора А ^ (!) А гармонічних коливання зворотнього сигналу v мають місце при т і ) і при п> =2.45 обвідна стає незмінною, а зворотний сигнал перетворюється в 0. 35104 В цілому зворотне відображення розмаху вхідного сигналу ЧМГ має немонотонну форму (фіг 10), яка близька до відображення типу «тент» [9] Положення пікової точки відображення зі зростанням коефіцієнта підсилення Л підсилювача 9 зміщується вгору вздовж осі V m . Точка перетину Р зворотного відображення та лінії Ламерея OQ відповідає рівноважному стану генератора Положення точки Р на спадаючій ДІЛЬНИЦІ зворотного відображення відповідає хитливій рівновазі, і коливання генератора стають хаотичними, причому хаос полягає в випадковій зміні розмаху коливань (фіг. 11) Другий нелінійний ефект полягає в тому, що еідгук резонаторів 2,3 при їх перезс тройці залежить від розмаху зміни частоти ЧМГ 1 та швидкосте частотної перезстройки резонаторів [10] Результат динаміки перезстройки резонаторів полягає в залежності розмаху зворотного сигналу « , Vm не тільки від розмаху вхідного сигналу Vm, але і від частоти цього сигналу : V m = f(Vm, Q), (39) причому меншій швидкості перезстройки відповідає більший розмах відгуку. На фіг. 12 цей ефект ілюструється залежностями Vm від Vm для двох значень частоти £2, що відрізняються в 2 рази О?=— ПП з збільшенням розмаху Vm меншій частоті перезстройки відповідають більш високі значенА ня Vm . Можливості математичного аналізу цього нелінійного ефекту обмежені крайніми випадками малої та високої швидкості перезстройки, але якісно він виявляється в широкому діапазоні зміни частот [6,7]. Сумісна дія обох нелінійних ефектів призєодить до хаотичної зміни розмаху та частоти коливань вхідного впливу ЧМГ v. При збільшенні коефіцієнта підсилення А підсилювача 9 квазігармон'ічні коливання постійної частоти , яким відповідає зворотне відображення фіг. 11 втрачають стійкість Втрата стійкості призводить до хаотичних змін Vm, розмах яких з зростанням А збільшується. При цьому з'являються субгармонічні частоти коливань частоти U, найбільш інтенсивними з яких є коливання частоти • [11]. & Субгармонічні коливання викликають відгук на свій вплив, який є інтенсивним, але він все одно закінчується у часі, оскільки умови для їх безупинного підтримання в кільцевому ланцюзі не виконуються В цілому процес коливань є турбулентним і характеризується сумісною зміною розмаху та частоти коливань в усіх перетинах кільцевої системи. При цьому хаотичні коливання локалізуються в різноманітних смугах частот: (1) низькочастотних широкосмугових коливань в сумісній смузі пропускання фільтрів 7, 8; (2) смугові хаотичні коливання в смугах пропускання резонаторів 2, 3, (3) широкосмугові ЧМ-коливамня ЧМГ 1, які можуть охоплювати смугу до 2-4-х октав з середньою частотою, рівною власній частоті ЧМГ (йог). Симетрія енергетичного спектра хаотичних коливань ЧМГ відносно його власної частоти, що складає позитивний ефект винаходу, є результатом симетричного розподілу миттєвих значень зворотного сигналу v кільцевої системи на вході ЧМГ 1 відносно рівноважного 0-го рівня. Симетричний розподіл є наслідком гармонійності малосигнапьного зворотного сигналу, яка відповідає співвідношенням (33), (34). Аналітичне обгрунтування симетричності хаотичного зворотного сигналу недоступне, проте математичне моделювання свідчить, що воно має місце. Схемотехнічним чинником, з якого виникає симетрія, є наявність сукупності симетрично включених елементів (двох резонаторів, двох вентилів та суматора) замість одного резонатора та вентиля з прототипі. Для прикладу реалізації робота запропонованого генератора шуму була перевірена за допомогою комп'ютерного моделювання, при цьому використовувалась його структурна схема фіг. 1,4. В якості параметрів системи обирались власна частота ЧМГ 1 fOri добротність резонаторів 2.3Q, розет рій резонаторів 2,3 відносно власної частоти ЧМГ частота зрізу 2я фільтрів низької' 7 та високої 8 частоти (FH та FB відповідно), та коефіцієнт %=SA яким враховується мультціплікат^вна дія чутливості S та коефіцієнта підсилення А Можливість генерування шумових коливань з симетричним спектром була перевірена в широкому діапазоні зміни параметрів. Так діапазон параметрів, в якому проводились досліджений генератора обирались для с, від 0 до 20, для ДГР від 250 Гц до 1250 Гц. для Q від 25 до 50. В якості фільтрів низьких 7 та високих 8 частот обирались фільтри Баттеворта 2-го порядку. Для фільтрів частота FH обиралась такою, аіоб була меншою Fn приблизно в 3-5 разів Далі приводяться отримай» результати моделювання, які відповідають наступним конкретним значенням параметрів f0r~5Q00 Гц, Q=25, Afp=500 Гц, FH =200 Гц, Fe=600 Гц та £=5. На фіг, 13 показана часове реалізація миневих значень напруги на вході ЧМГ 1, яка показує, що вони мають випадковий вигляд, а на фіг, 14 показана гістограма частоти розподілу hist миттєвих значень напруги цієї реалізації. Для порівняння з цією гістограмою на фіг. 15 показана гістограма частоти випадкових значень чисел з нормальним законом розподілу vf0orm, створюваних функцією morm сучасної системи математичних розрахунків MathCad 7.0 Рю на персональному комп'ютері Вигляд фіг. 14 СВІДЧИТЬ про те, що він наближається до ідеального Иа фіг 16 показано енергетичний спектр сигналу радіочастотного спектру нз аиході ЧМГ 1, на якому можливо побачити, що частоти відносно власної частоти ЧМГ 1 розміщені також симетрично. Параметри генератора шуму обирались у відповідності з параметрами ДІЙСНО існуючих стандартних елементів, які використовуються в сучасній радіоелектроніці, з їхню роботу повністю описано s [12]. Так, базою для керованого ЧМГ 1 може служити генератор, керований напругою, типу К531ГП в стандартному включенні, резонатори 2,3 • являють собою модель RLC-коливального контуру, яка може бути виконана на операційних 35104 підсилювачах [13]; підсилювач 9, інвертори 4,5 та. суматор 6 виконуються за стандартними схемами. а їхню роботу описано в {14]. Основними технічними рєзультаіами запропонованого винаходу є симетричність енергетичного спектру. Супутні корисні властивості винаходу полягають у можливостях простого керування шириною енергетичного спектру шуму. Джерела інформації": 1. V.P. Ponomarenko, S.F. Zaulin and V.V. Ma» trosov, The Oscillations Regimes in the Nonlinear Multistable Systems with the Frequency and Phase Control. -Proc. NOES'95: 3 r d Int. Specialist Workshop on Nonlinear Dynamics of Electronic Systems. Dublin, Ireland, 28 - 29 July, 1995. - pages 107-110. 2. G.Kolumban, B.Vizan, Nonlinear Dynamics and Chaotic Behavior of the Analog Phase-Locked Loop. - Proc. NDES'95: 3( L МФ 9*-«! Of* 1 ч o* • си y • 1 4 '• S 35104 Фіг. 8 Фіг. 9 л л: 2 1 ~ з А іі rr ІІІНІІі Iff т"'І|іПЬ7ГіТйДІН гс /.._ ^ а Фіг. 10 o.os -ід Фіг. 11 1 1 • 0.06 1 004 / ^ 0.02 к, 1 05 ! Фіг. 12 10 15 . 19 уґ 91 '-НФ миош. г с D го 90 I I 10 J Л L (00 $00 И і ito .J. О 1 іріг " (10 jjuu £00 10 и * - ft О Zl I L. I I 35104 ФІГ. 16 Тираж 50 екз. Відкрите акціонерне товариство «Патент» Україна, 88000, м. Ужгород, вул. Гагаріна, 101 (03122)3-72-89 (03122)2-57-03 12