Генератор шума

Генератор шума

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в малогабаритных передатчиках помех и в системах защиты информации для блокирования мобильной телефонной связи путем создания маскирующей помехи.

Известен широкополосный цифровой генератор шума (Россия, авторское свидетельство №2208289, МПК 7 Н 03 В 29/00; 2003 г.), содержащий тактовый генератор, регистр сдвига, сумматор по модулю 2, цепь запуска, усилитель мощности, умножительный диод и полосковую линию.

Недостатком указанного устройства является невозможность получения шумового сигнала на частотах свыше 2 ГГц из-за ограниченного быстродействия цифровых микросхем.

Известен генератор шумовых помех (Россия, авторское свидетельство №2220508, МПК 7 Н 04 К 3/00; 7 Н 03 В 29/00, 2003 г.), содержащий генератор высокочастотного сигнала, подключенный к входу усилителя мощности, работающего в нелинейном режиме и нагруженном на неавтономную динамическую систему в виде параллельного нелинейного колебательного контура, при этом параллельный нелинейный колебательный контур имеет амплитудно-частотную характеристику с гистерезисной областью.

Недостатками указанного устройства является невозможность получения шумового сигнала с широким и равномерным спектром по причине ограниченности гистерезисной области в амплитудно-частотной характеристике нелинейного параллельного контура.

Наиболее близким по технической сущности и достоверному положительному эффекту к заявленному решению является источник шума (Россия, авторское свидетельство №292209, МПК 7 Н 03 В 29/00, 1971 г.), содержащий n усилительных элементов и линию задержки, участки которой образуют внутрикаскадные обратные связи усилительных элементов, причем подключение усилительных элементов к линии задержки выполнено переменным.

Недостатком указанного устройства является зависимость параметров линии задержки от диапазона частот, что не позволяет получить шумовой сигнал на частотах свыше 100 МГц и полосой более 10 МГц.

Техническим результатом данного изобретения является повышение верхней границы генерируемого шума в широкой полосе частот при сохранении средней мощности шума и массогабаритных характеристик генератора шума.

Требуемый технический результат достигается тем, что в известный генератор шума, содержащий n усилительных элементов с переменным подключением, введены две объединенные многорезонансные колебательные системы, которые соединены между собой обратной связью, причем одна объединенная многорезонансная колебательная система подключена ко входам соответствующих усилительных элементов, а другая объединенная многорезонансная колебательная система - к выходам соответствующих усилительных элементов.

Для формирования шумового напряжения в требуемом диапазоне частот необходимо создать многочастотную генерацию независимых гармонических колебаний, а их составляющие просуммировать, при этом граничная частота и полоса генерируемого шума определяется параметрами объединенных многорезонансных колебательных систем и их переменное подключение к соответствующим усилительным элементам; средняя мощность и равномерность спектра шума - количеством и типом усилительных элементов; массогабаритные характеристики генератора - массогабаритными характеристиками объединенных многорезонансных колебательных систем.

На фиг.1 представлена структурная схема генератора шума, на фиг.2 - эквивалентная схема объединенной многорезонансной колебательно системы, на фиг.3 - фотография практической реализации генератора шума, на фиг.4 - спектрограмма шума практически реализованного генератора.

Генератор шума (см. фиг.1) состоит из n усилительных элементов 1.1, 1.n, соответствующие выходы которых подключены к первой объединенной многорезонансной колебательной системе 2.1, а соответствующие входы - к другой объединенной многорезонансной колебательной системе 2.2, которые соединены обратной связью 3, при этом подключение усилительных элементов к объединенным многорезонансным колебательным системам 2.1, 2.2 выполнено переменным, таким образом, что создаются условия многочастотной генерации на частотах .

Новым в реализации генератора шума является применение двух объединенных многорезонансных колебательных систем 2.1, 2.2.

Эквивалентная схема объединенной многорезонансной колебательной системы 2 представлена в виде электрической линии (коаксиальной, полосковой, волноводной) длиной L с волновым сопротивлением W, короткозамкнутой на концах (0, 0′), параллельно к которой с шагом ΔL в точках 1...р...n подключены п усилительных элементов 1.1....1.n (фиг.2).

Конструктивно объединенная многорезонансная колебательная система имеет вид замкнутого контура, точки линии 0, 0′ короткозамкнуты и имеют одинаковый потенциал.

Участки электрической линии L_i(ω_k+1-i), L_k+1-i(ω_i) по отношению к точке подключения усилительного элемента р можно рассматривать как два четвертьволновых короткозамкнутых отрезка, эквивалентных двум параллельным контурам с резонансными частотами ω_i, ω_k+1-i.

Для получения многочастотного резонанса в полосе частот параметры объединенной многорезонансной колебательной системы 2.1, 2.2, выведенные в ходе натурного эксперимента, определяются соотношениями

Наличие в генераторе n усилительных элементов 1.1...1.n и двух объединенных многорезонансных колебательных систем 2.1, 2.2, охваченных частотно-зависимой обратной связью 3, создают условия генерации k=2n - гармонических колебаний с шагом растройки по частоте .

Преимущество объединенной многорезонансной колебательной системы перед другими многорезонансными колебательными системами 2 в том, что количество генерируемых частот вдвое больше, чем усилительных элементов, система является объединенной, что позволяет одновременно производить суммирование генерируемых колебаний.

Наличие объединенных многорезонансных колебательных систем 2.1.2.2, n нелинейных усилительных элементов 1.1...1.n создают условия взаимной модуляции по амплитуде, частоте и фазе между независимыми гармоническими колебаниями и образованию в окрестностях частот ω_i, сопредельных спектров S(ω_i) с полосой частот Δω′_i, что теоретически подтверждается выводом центральной предельной теоремы: сумма достаточно большого числа (более 5) некоррелированных гармонических колебаний образует стационарный эргодический случайный процесс, близкий к нормальному (И.С.Гоноровский "Радиотехнические цепи и сигналы", М.: - Сов. радио, 1977 г, с.276).

Суммарный спектр шума имеет специфическую структуру, обладает свойством дельта-коррелированности со средней мощностью, равной сумме составляющих мощностей (С.И.Баскаков "Радиотехнические цепи и сигналы", М.: - Высшая школа, 1988 г., с.159).

Неравномерность огибающей суммарного спектра шума обусловлена изменением добротности резонансных систем для различных точек подключения усилительных элементов, а также определяется величиной расстройки частоты между сопредельными гармониками

Наиболее равномерный спектр и высокое качество шума получаются при величине расстройки частоты между соседними гармониками, соответствующей явлению "частичного захватывания" частоты (Д.П.Линде "Радиопередающие устройства", М.: - Энергия, 1974 г., с.77).

При частотах расстройки больше полосы частот смежных спектров Δω_i>Δω′_i в суммарном спектре образуются провалы.

При частотах расстройки меньше полосы частот "захватывания" в суммарном спектре наблюдаются значительные выбросы.

Коррекцию спектра шума от дискретного до сплошного можно осуществлять путем переменного подключения усилительных элементов 1.1...1.n к объединенным многорезонансным колебательным системам 2.1, 2.2, а в небольших пределах - изменением параметров обратной связью 3.

В зависимости от диапазона частот в качестве усилительных элементов 1.1...1.n можно применять биполярные и полевые транзисторы, а также усилительные элементы с отрицательным сопротивлением (диоды Ганна, тунельные), в качестве объединенной многорезонансной колебательной системы 2 - LC контура, резонаторы с распределенными параметрами в виде отрезков коаксиальных и полосковых линий, волноводов. Конкретный вариант реализации генератора шума зависит от требуемого диапазона частот, полосы спектра и мощности генерируемого шума.

Физическая реализуемость предлагаемого генератора шума подтверждена проведением натурного эксперимента. Генератор шума выполнен для метрового диапазона в полосе 100-250 МГц на усилительных элементах 1.1....1.6 - транзисторах КТ-911А, подключенных к объединенным многорезонансным колебательным системам 2 в виде двух замкнутых контуров из отрезков полосковых линий, обратная связь 3 - емкостная, отбор энергии выполнен по автотрансформаторной схеме (фиг.3).

Спектр генерируемого шума представлен на фотографии фиг.4. Спектральная плотность мощности шума составляет 0,02 Вт/МГц, неравномерность спектра шума - 20%.

Таким образом, предложенный генератор шума в сравнении с прототипом позволяет сформировать равномерный шумовой сигнал в любом радиочастотном диапазоне, в необходимой полосе частот при сохранении средней мощности шума и массо-габаритных характеристик, при этом граничная частота и полоса генерируемого шума определяется параметрами многорезонансных колебательных систем и их подключением к усилительным элементам; средняя мощность и равномерность спектра шума - количеством и типом усилительных элементов; массогабаритные характеристики генератора - массогабаритными характеристиками объединенных многорезонансных колебательных систем.

Генератор шума, содержащий n усилительных элементов с переменным подключением, отличающийся тем, что в него введены две объединенные многорезонансные колебательные системы, которые соединены между собой обратной связью, причем первая объединенная многорезонансная колебательная система подключена к выходам соответствующих усилительных элементов, а вторая объединенная многорезонансная колебательная система - ко входам соответствующих усилительных элементов.