Генератор шуму

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в качестве источника шумовых напряжений и токов. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является транзисторный генератор шума, содержащий транзистор, катушку индуктивности, которая включена между базой транзистора и. общей шиной, конденсатор, первый вывод которого подключен к общей шине, источник тока, который подключен параллельно конденсатору, нелинейный элемент, первый вывод которого соединен с коллектором транзистора, а второй вывод нелинейного элемента подключен к шине питания источника питания. Структурно этот генератор состоит из двух функциональных частей: автосто хастического генератора, обеспечивающего со здание первичного шумового сигнала, и нелинейного детерминированного преобразователя первичного сигнала, обеспечивающего расширение его энергетического спектра. Детерминированность преобразования приводит к высокой неравномерности энергетического спектра первичного шумового сигнала в спектре широкополосного выходного сигнала генератора. В основу изобретения поставлена задача усовершенствования генератора шума, в котором путем преобразования случайным образом первичного шумового сигнала нелинейным осциллятором обеспечивается увеличение равномерности энергетического спектра генерируемого шума и за счет этого достигается возможность формирования мощного шумового сигнала, близкого по своим свойствам к шумовым сигналам маломощных естественных источников шумов. Поставленная задача решается тем, что в генератор шума, содержащий транзистор, первую катушку индуктивности, которая включена между базой транзистора и общей шиной, конденсатор, первый вывод которого подключен к общей шине, источник тока, который подключен параллельно конденсатору, нелинейный элемент, первый вывод которого соединен с коллектором транзистора, а второй вывод нелинейного элемента подключен к шине литания источника питания, согласно изобретению, введена вторая катушка индуктивности, которая подключена параллельно нелинейному элементу, второй вывод конденсатора подключен к эмиттеру транзистора, а нелинейный элемент выполнен в виде р-n перехода. Кроме того, в генераторе шума с выходным шумовым сигналом в виде хаотической последовательности биполярных импульсов второй вывод нелинейного элемента подключен к шине питания источника питания через введенный дополнительный нелинейный элемент, параллельно которому подключена введенная третья катушка индуктивности, при этом нелинейный элемент и дополнительный нелинейный элемент выполнены в виде р-n переходов полупроводниковых диодов, которые включены встречно. В генераторе шума с повышенной мощностью выходного шумового сигнала нелинейный элемент выполнен в виде р-n перехода дополнительного транзистора, тип проводимости которого противоположен типу проводимости транзистора, при этом, база дополнительного транзистора соединен с коллектором транзистора, эмиттер дополнительного транзистора подключен к шине питания источника питания, а коллектор дополнительного транзистора подключен к общей шине. Совокупность существенных признаков заявляемого изобретения способствует преобразованию первичного шумового сигнала нелинейным осциллятором случайным образом, что обеспечивает увеличение равномерности энергетического спектра генерируемого шума и за счет этого достигается возможность формирования мощного шумового сигнала, близкого по своим спектральным свойствам к шумовым сигналам маломощных естественных источников шумов. На чертежах представлены электрические схемы предлагаемого генератора шума: фиг. 1 - генератор шума с однополярным выходным напряжением; на фиг. 2 - генератор шума с биполярным выходным напряжением; на фиг. 3 - генератор шума с повышенной мощностью выходного сигнала. На фиг. 4 изображен график энергетического спектра шума предлагаемого генератора. Генератор шума (фиг. 1) содержит транзистор 1, первую катушк у индуктивности 2, конденсатор 3, источник тока 4, вторую катушку индуктивности 5, полупроводниковый нелинейный элемент 6, выполненный в виде р-n перехода полупроводникового диода, шину 7 питания источника питания, общую шин у 8, вы ходную клемму 9. Генератор подразделяется на две функциональные части: 1) автостохастический генератор хаотически изменяющегося тока, который включает транзистор 1, первую катушку индуктивности 2, конденсатор 3, источник тока 4, шину 7 питания источника питания и общую шину 8; 2) стохастический преобразователь, который включает вторую катушку индуктивности 5 и полупроводниковый нелинейный элемент 6, выполненный в виде р-n перехода полупроводникового диода, образующие диссипативный нелинейный колебательный контур (нелинейный осциллятор). Генератор шума, в котором обеспечивается генерирование шума с биполярным выходным напряжением (фиг. 2), дополнительно содержит в составе стохастического преобразователя второй нелинейный диссипативный колебательный контур (второй нелинейный осциллятор), включающий третью катушку 10 индуктивности и дополнительный нелинейный элемент 11, выполненный в виде р-n перехода второго полупроводникового диода, причем диоды 6 и 11 включены встречно. Выполнение стохастического преобразователя первичного хаотического сигнала в виде двух последовательно включенных нелинейных осцилляторов обеспечивает создание выходного шумового сигнала в виде хаотической последовательности биполярных импульсов, вместо однополярных, что имеет место при выполнении стохастического преобразователя в виде одного нелинейного осциллятора. В генераторе шума с повышенной мощностью выходного сигнала (фиг. 3) в качестве нелинейного элемента стохастического преобразователя применен р-n переход дополнительного транзистора 12, эмиттер и база которого выполняют функции, аналогичные эмиттеру и базе диода 6 на фиг. 1. Дополнительный транзистор 12 по типу проводимости противоположен транзистору 1. Предлагаемый генератор шума (фиг. 1) работает следующим образом. При включении питания в автостохастическом генераторе вследствие наличия отрицательной активной составляющей входной проводимости между базой транзистора 1 и общей шиной 8 возбуждаются квазигармонические стартовые колебания с частотой wo = h 21э , (1) L 1C где h21э - статический коэффициент передачи базового тока в схеме с общим эмиттером транзистора 1, L1 индуктивность первой катушки индуктивности 2, С - емкость конденсатора 3. По мере нарастания амплитуды колебаний транзистор 1 начинает работать в режиме с отсечкой и квазигармонические колебания протекающих через его электроды токов сменяются колебаниями с автоограничением, в течение интервалов которого изменения токов и напряжений в первой катушке индуктивности 2 и на конденсаторе 3 происходит независимо. Инжекционная нелинейность коллекторного и базового токов транзистора 1 в течение активных этапов его работы совместно с упомянутой независимостью изменения электрических величин в течение интервалов отсечки приводят к тому, что колебания токов и напряжений транзистора 1 являются автостохастическими. Изменения коллекторного тока транзистора 1 представляют собой хаотическую импульсную последовательность (ХИП) со случайным изменением амплитуды, длительности и интервалов следования импульсов. Энергетический спектр колебаний коллекторного тока имеет неравномерность около 5 дБ и локализован в диапазоне частот шириной около октавы с верхней граничной частотой, близкой к wо . В стохастическом преобразователе импульсы коллекторного тока транзистора 1, протекая в направлении, противоположном направлению прямого прохождения тока р-n перехода диода 6, вызывают запирание р-n перехода и заряд его барьерной емкости С пер. Последующий разряд этой емкости через вторую катушк у индуктивности 5 завершается отпиранием р-n перехода диода 6 и протеканием в контуре осциллятора тока прямого смещения р-n перехода, в течение которого напряжение на второй катушке индуктивности 5 равно напряжению прямого смещения диода Uпp и близко к постоянной величине. Действие этого напряжения на вторую катушк у индуктивности 5 приводит к тому, что ток в ней убывает по величине, а затем изменяет направление, вызывая совместно с коллекторным током транзистора 1 запирание р-n перехода диода 6. Вследствие малой величины напряжение Uпp по сравнению с пиковым напряжением на диоде, до которого заряжается барьерная емкость его р-n перехода при обратном смещении, напряжение между полюсами осциллятора имеет импульсную форму с длительностью импульсов tи » p L 2Спер , (2 ) где L2 - индуктивность второй катушки индуктивности 5, Спер - барьерная емкость р-n перехода диода 6. Накопление избыточных зарядов в базе прямосмещенного диода 6, необходимость их экстракции при запирании р-n перехода диода, а также нелинейность барьерной емкости Спер р-n перехода, которая проявляется при его запирании, приводят к тому, что колебания осциллятора являются хаотическими с изменяющимися амплитудой, длительностью следования импульсов и паузами между импульсами. Равномерность энергетического спектра выходного шумовогосигнала генератора определяется совместно стохастическими свойствами его автоколебательной и осцилляторной функциональных частей. Хаотичность колебаний автостохастического генератора дополняется статистически от них независимым хаотическим преобразованием в осцилляторной части (ХИП, создаваемая автоколебательной частью, перемешивается осцилляторной частью). По сравнению со спектром автоколебательной части ширина спектра выходных колебаний генератора возрастает не менее чем на по рядок. Расширение спектра в область низких частот обусловлено тем, что хаотически изменяющаяся пауза между импульсами ХИП осциллятора может превышать паузу между импульсами ХИП коллекторного тока транзистора 1 более чем в три раза, а расширение спектра в область высоких частот - тем, что импульсы напряжения на диоде 6 имеют длительность, меньшую длительности импульсов коллекторного тока транзистора 1 в 2...3 раза, причем изменение длительности импульсов на диоде является хаотическим. Для иллюстрации ширины и равномерности энергетического спектра генерируемого шума предлагаемого на фиг. 1 генератора на фиг. 4 представлена спектрограмма его выходного сигнала, соответствующая применению в качестве его полупроводниковых элементов транзистора типа КТ3102 и варикапа типа KB 102A (масштаб по оси ординат - линейный). В генераторе шума с биполярным выходным напряжением (фиг. 2) вследствие эквивалентности транзистора 1 по своим нагрузочным свойствам источнику тока колебания в первом и втором осцилляторах происходят независимо, и работа первого осциллятора, содержащего вторую катушку индуктивности 5 и нелинейный элемент (диод) 6, не отличается от рассмотренной выше при описании генератора с однополярным выходным напряжением (фиг. 1). Работа введенного второго осциллятора, содержащего третью катушк у индуктивности 10 и дополнительный нелинейный элемент (диод) 11, сводится к следующему: коллекторный ток транзистора 1, протекая в прямом направлении через р-n переход второго диода 11, создает между электродами диода напряжение Uпp, которое вызывает в третьей катушке индуктивности 10 ток, приводящий в течение пребывания транзистора 1 в режиме отсечки к запиранию р-n перехода второго диода 11. Заряд барьерной емкости р-n перехода второго диода 11 и последующий ее разряд через третью катушку индуктивности 10 приводит к возникновению между полюсами второго осциллятора хаотической последовательности импульсов, положительной относительно общей шины 8 полярности. Обеспечение биполярности выходного напряжения достигается благодаря сложению напряжений, возникающих между полюсами первого и второго осцилляторов; при этом статистическая независимость хаотических процессов в осцилляторах увеличивает основной эффект стохастического преобразования - уменьшает неравномерность энергетического спектра генерируемого шума. В генераторе шума с повышенной мощностью выходного сигнала (фиг. 3) вследствие противоположности типов проводимости транзистора 1 и дополнительного транзистора 12 подключение эмиттера транзистора 12 к шине питания 7, а коллектора - к общей шине 8 обеспечивает усилительный режим работы транзистора 12 при протекании его базового тока. Хаотические колебания базового тока транзистора 12, обусловленные взаимодействием его эмиттерного р-n перехода и второй катушки индуктивности 5, приводят, к хаотическим колебаниям коллекторного тока, которые, вследствие усилительных свойств транзистора 12 превышают изменения базового тока соответственно значению коэффициента передачи базового тока в схеме с общим эмиттером h21э. Повышение мощности выходного шумового сигнала достигается благодаря одновременному использованию вентильных и усилительных свойств транзистора 12.