Способ генерирования электромагнитных шумовых колебаний

 

СПОСОБ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ШУМОВЫХ КОЛЕБАНИЙ, основанный на многократном усилении части сигнала, ответвляемого с выхода нелинейно1 о усилителя через цепь обратной связи на вход нелинейного усилителя, отличающийся тем, что,с целью увеличения ширины спектра и улучшения качества шумовых колебаний, часть сигнала многократно усиливают в режиме непрерьшного нарастания изменения амплитуды - сигнала с инкрементом за время одного обхода сигналом цепи обратной связи, определяемым условием и задерживают его при каждом обходе цепи обратной связи на время Т 1MF , / крутизна амплитудной хагде рактеристики нелинейного усилителя в рабочей точке ( X - амплитуда сигнала на входе, нелинейного усилителя :/ - амплитуда сигнала на выходе нелинейного усилителя); А крутизна зависимости амп литудно зависимого набега фазы сигнала на выходе нелинейного усилителя от амплитуды входного сигнала в рабочей точкеi коэффициент преобразования фазовой модуляции в амплитудную-, модуль коэффициента пере/3 Ьд гд дачи цепи обратной связи; Т время задержки цепи обч ратной СВЯЗИ, &э л AF Полоса пропускания цепи обратной связи.

СОЮЗ ООВЕТСНИХ

Р ИФЛНОПН

РЕСПУЬЛИН

5735 А

0Ю (ll) 3(59 Н 03 В 29 00

ГОСИН СТВЕИИЫЙ КОМИТЕТ СОС

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬПЪ И

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕ

Н ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Мь,;,,..

f с

/ и задерживают его при каждом обходе цепи обратной связи на время

Т )>1/aF, где . у — крутизна амплитудной хаХ рактеристики нелинейного усилителя в рабочей точке (Х вЂ” амплитуда сигнала на входе. нелинейного усилителя, у — амплитуда сигнала на выходе нелиней. ного усилителя); ф — крутизна зависимости ампI х литудно зависимого набега фазы сигнала на выходе нелинейного усилителя от амплитуды входного сигнала в рабочей точке;

Кф — коэффициент преобразования фазовой модуляции в амплитудную;

p - модуль коэффициента пере" дачи цепи обратной связи;

Т вЂ время задержки цепи обратной связи;

BF — полоса пропускания цепи обратной связи. (21) 3523601/18-09 . (62) 984513/09 (22) 29. 12. 82, (23) 22.06.67 (46) 23. 11.84. Бюл. N 43 (72) Е.А.Мясин, В.Я.Кислов и Е.В.Богданов (71) Ордена Трудового Красного

Знамени институт радиотехники и электроники АН СССР

{53) 621.373.43(088.8) (56) .1. Тетерич Н.М. Генераторы шума. M. — Ë.; Госэнергоиздат, 1961, с. 14 (прототип). (54)(57) СПОСОБ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ЭЛЕКТ-, РОИАГНИТНЬИ ШУМОВЫХ КОЛЕБАНИЙ, основанный на многократном усилении части сигнала, ответвляемого с выхода нелинейного усилителя через цепь обратной связи на вход нелинейного усилителя, о т л и ч а ю ш и и с я тем, что,с целью увеличения ширины спектра и улучшения качества шумовых колебаний, часть сигнала многократно усиливают в режиме непрерывного нарастания изменения амплитуды. сигнала с инкрементом за время одного обхода сигналом цепи обратной связи, определяемым условием

/ь >2 3

1 1 125735

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано при создании источников шума для измереI ний в любом участке диапазона длин волн, включая световой. 5

Известен способ генерирования электромагнитных шумовых колебаний, основанный на многократном усилении части сигнала, ответвляемого с выхода нелинейного усилителя через цепь обратной связи на вход нелинейного усилителя (13.

Однако в известном способе генерирования электромагнитных шумовых колебаний увеличение полосы частот шумового сигнала имеет принципиальные ограничения и, кроме того, параметры шумового сигнала при увеличении поло" сы частот становятся отличными от параметров гауссового шума, т.е. ухудшается его качество, Цель изобретения — увеличение ширины спектра и улучшение качества шумовых колебаний.

Поставленная цель достигается тем,>5 что при способе генерирования электромагнитных шумовых колебаний, основанном на многократном усилении части сигнала, ответвляемого с выхода нелинейного усилителя через цепь об- 30 ратной связи на вход нелинейного усилителя, часть сигнала многократно усиливают в режиме непрерывного на" растания изменения амплитуды сигнала с инкрементом за время одного об- З5 хода сигналом цепи обратной связи, определяемым условием

>2АЗ

40 и задерживают его при каждом обходе цепи обратной связи на время Т» f/äF где — крутизна амплитудной ха- 45

Х рактеристики нелинейного усилителя в рабочей точке (х — амплитуда сигнала на входе нелинейного усилителя, ч — амплитуда сигнала 50 на выходе нелинейного усилителя);

Ф вЂ” крутизна зависимости ампХ литудно зависимого набега фазы сигнала на выходе не- 55 линейного усилителя от амплитуды входного сигнала в рабочей точке;

"4 — коэффициент преобра зов ания фазовой модуляции в амплитудную;

9 — модуль коэффициента передачи цепи обратной связи;

Т вЂ” время задержки цепи обратной связи;

d — полоса пропускания цепи обратной связи.

На фиг. 1 представлена структурная электрическая схема генератора, реализующего предлагаемый. способ; на фиг. 2 — эквивалентная схема опе|раций (преобразований), совершаемых над сигналом в процессе одного обхода кольца цепи обратной связи (ОС) генератора; на фиг. 3 — нелинейная амплитудная характернстикл нелинейного усилителя, пересекаемая линией обратной связи, на примере которой иллюстрируется возникновение амплитудной стохастической неустойчивости в результате нелинейного растягивающего преобразования малых изменений амплитуды в процессе многократного усиления сигнала.

Генератор, реализующий предлагаемый способ генерирования электромагнитных шумовых колебаний, содержит линейный 1 и нелинейный 2 усилители, которые представляют собой лампы бегущей волны.(ЛБВ) и названы так условно в соответствии с тем режимом, в котором они работали . линейный усилитель 1 - в режиме почти линейного усиления, нелинейный усилитель 2 - в существенно нелинейном режиме за насыщением на падающем участке амплитудной характеристики, т.е. на участке характеристики с отрицательной крутизной. Именно в этом случае генератор превращается в генератор шума, в котором отсутствуют какие-либо дополнительные внешние источники шумового сигнала, необходимые в известном устройстве, а режим генерации электромагнитных шумовых колебаний осуществляется эа счет собственной динамики автоколебательной системы.

Способ генерирования электромагнитных шумовых колебаний заключается в следующем.

Проследим сначала за преобразованием сигнала в процессе его однократного прохождения от входа нелинейного усилителя 2 до его выхода, затем через цепь ОС, включающую в

1125 з себя линейный усилитель 1, вновь на вход нелинейного усилителя 2.

Для лучшего понимания картины происходящих при этом явлений структурную электрическую схему реального генератора (фиг. 1) преобразуем в эквивалентную схему (фиг. 2), в которой выделим отдельно все линейные и нелинейные преобразования сигнала, исходя из свойств ЛБВ. t0

ЛБВ в нелинейном режиме работы имеет как нелинейную амплитудную характеристику (АХ), т.е. выходной сигнал амплитуды есть нелинейная функция от амплитуды х входного сигнала, так и нелинейную характеристику амплитудно зависимого набега фазы Ф(х), который практически равен нулю (или постоянен) на линейном участке АХ и имеет существенную 20 зависимость от амплитуды входно.го сигнала в области нелинейного ,участка АХ. -Эти свойства ЛБВ, как :впрочем и любого нелинейного усилителя, могут быть выделены в виде 25 отдельного блока нелинейного преобразования сигнала (х1е (на эк, ю (x) вивалентной схеме генератора (фиг. 2), Кроме этих нелинейных свойств в эквивалентной схеме должны быть учтены 30 .линейные свойства ЛБВ: коэффициент линейного усиления Ч .линейного усилителя 1, задержка сигнала в результате длительного взаимодействия бе-. гущей электромагнитной волны с элект-З5 ронным потоком, не зависящая в линейном режиме от амплитуды входного сигнала Х, и неравномерность частотной характеристики в,диапазоне частот, занимаемом спектром шума и однознач- 40 но определяемом полосой пропускания цепи обратной связи д F . Поскольку уже выделена нелинейная задержка в виде нелинейного преобразования его фазы, как Ф (x I то можно объединить 45 задержку сигнала в нелинейном усилителе 2 и ее линейную часть, не зависящую от амплитуды входного сигнала в нелинейном усилителе 2, а также задержку сигнала в элементах тракта 50 генератора в виде одного общего линейного преобразования над сигналом— задержку его на время Т .

Можно также объединить коэффициент линейного усиления и коэффи- 55 циент передачи пассивного соединительного тракта цепи ОС у в общее ,линейное преобразование с коэффици735 4 ентом передачи цепи ОС 8 . И, наконец, неравномерность частотной характеристики ЛБВ, т.е. зависимость коэффициента передачи от частоты Ч = (ы), а также Э.=у(ы) приводит к необходимости введения еще одной характеристики — линейного преобразования фазовой модуляции, которая определяет изменение частоты генерации в ампли-; тудную, учитываемого некоторым коэффициентом КФА,а зависимости Ч= — Y(u3 и g = у(м) можно не рассматривать. Поэтому преобразование есть просто модуль коэффициента передачи цепи ОС и учитывает только преобразование амплитуды. Таким образом, эквивалентная схема генератора, т.е. тех преобразований, которые необходимо произвести над сигналом (фиг. 2), состоит из нелинейного блока преобразования амплитуды (х1 и фазы Ф(х) сигнала и включенных последовательно с ним блока линейного преобразования амплитуды сигнала преобразования его фазовой модуля— ции в амплитудную КФ„и блока задержки сигнала на время Т .

Очевидно, что замкнутая цепь, состоящая из замедляющей структуры, пронизываемой электронным потоком, и отрезка внешней цепи ОС, обладает при соответствующей полосе пропускания рядом выделенных собственных частот, для которых выполняется условие положительной обратной связи и укладывается целое число длин волн вдоль цепи. Это обычно приводит к воз. буждению системы таким образом, что в установившемся режиме получается дискретный спектр с линиями, соответствукяцими этим собственным частотам.

Однако, как оказалось, тот или иной спектр получается в процессе установления колебаний, и в зависимости от того, при каких условиях этот процесс протекает, можно получать на выходе системы либо дискретный, либо сплошной (непрерывный) энергетический спектр с полосой, равной полосе пропускания системы а Р . Согласно предлагаемому способу генерирования электромагнитных шумовых колебаний за счет собственной динамики колебательной системы (фиг. 2) получения сплошного энергетического спектра можно достичь с помощью особого нелинейного режима, суть которого состоит в том, что при достижении насыщения

Э 11 нелинейный усилитель 2 работает в режиме сильной зависимости фазы электромагнитной волны от уровня входной мощности, что в генераторе, представленном на фиг. 1, соответствует расположению рабочей точки на падающем участке амплитудной характеристики.

В реальном генераторе Фот или иной режим генерации достигается в результате изменения напряжения электропитания электродов ламп (источники на фиг. 1 не показаны). Для лучшего объяснения возникновения того или иного режима генерации удобнее воспользоваться эквивалентной схемой генератора (фиг. 2) и проследить за изменением его состояний в результате изменения единственНого параметра, а именно линейного параметра р.

При этом есть два эквивалентных пути рассмотрения. Первый из них предполагает, что при заданном значении 3(/3„, p p и т.д.) мгновенно (импульсно) включаются активные элементы генератора и рассматривается установление его стационарного состояния, начиная с нарастания флюктуаций системы от уровня начальных шумов, в процессе многократных циркуляций сигнала по цепи ОС, Второй путь предполагает, что рассматривается переход от одного состояния непрерывно работающей системы s другое состояние в результате плавного изменения коэффициента передачи цели ОС р, т.е. изменение его значения „ до значения р р и т.д.

Для лучшего изложения сути предлагаемого способа удобнее использовать второй пыть.

Пусть рабочая точка генератора лежит иа падающем участке амплитудной характеристики нелинейного усилителя 2 (фиг. 3). Дадим бесконечно малое приращение Лx амплитуде х на входе нелинейного усилителя 2. Для простоты ие будем рассматривать воздействие амплитудно зависимого сдвига фазь. на амплигуду сигнала, что соответствует отсутствию зависимости ф = ф(х) и вычеркиванию из эквивалентной схемы (фиг. 2) блока Кф .

Тогда на выходе нелинейного усилителя 2 получаем сигнал с амплитудой .У + и ф, который можно з аписать в о

1 виде у + у „4х . После преобразо вания в элементе З амплитуда на

P Ур + У ) ° Поскаль. ку задержка сигнала на амплитуду не действует, ее передаточная функция имеет вид е ", то на вход

5 нелинейного усилителя 2 прикодит сигнал у а + p У 4 х . Следователь к но, на вход HeJINHeHHoro усилителя? приходит сигнал с амплитудой хр +

+ (ЬУх4Х

10 Если новое приращение амплитуды //З> 4Х / > 4X /, то в процессе I многократных обходов замкнутого контура генератора оно нарастает во вре. мени, т.е. растягивается с инкремен15 том /рч1х1/. Это условие имеет вид

tr"l l > (1)

Если pУ„ (1, то положение рабочей точки является устойчивым, а возникшее случайное изменение амплитуды ах уменьшается в процессе многократных обходов замкнутой цепи ОС. Такое преобразование сигнала является сжимающим. Выполнение условия (1) означает, что в системе нарушается условие устойчивого существования сигнала с постоянной амплитудой. При малой степени нелинейности, т.е. когда jp II ) 1, 30 в автогенераторе мажет возникнуть режим гармонической автомодуляции амплитуды с простым двухтактным циклом. Последнее означает, что в системе возникла новая неустойчивость, и, как ее следствие, новая частота Я, связанная с периодическим характером изменения амплитуды сигнала при многократных обходах им цепи ОС. Период этого нового колебания связан с длительностью T обхо40 да сигналом кольца ОС простым соотношением т.е. равен двойному времени обхода кольца ОС.

Таким образом, спектр сигнала состоит из трех спектральных линий и занимает полосу частот 2Я. Отсюда видно, что "раскачка" неустойчивости возможна только в том случае, если полоса пропускания систеiMbl удовлетворяет условию (3)

Таким образом, для возникновения второй частоты в системе, т.е. развития автомодуляционной неустойчивости

1125735 амплитуды, с двухтактным циклом ее изменения, необходимо одновременное выполнение условий (!) и (3). Можно показать, что при дальнейшем увеличении р и соответственно произведе- 5

1 ния / 6> х1 /. спектр сигнала непрерывно усложняется и становится непрерывным, а сигнал, генерируемый системой, стохастическим (шумовым).

Для достижения этого режима необходи- 1О мо, чтобы произведение рч„, было больше 2-3. . Для конкретных систем значение этой величины определяется значением произведения и FT . Итак, необходимо, 15 чтобы выполнялось условие (ъ „ > 2-3 (4)

На фиг. 3 представлен пример такого преобразования амплитуды сигнала,, где видно, что малое начальное возмущение амплитуды в рабочей точке„ соответствующей выполнению укаэанного условия, непрерывно увеличивается (растягивается) на всю область возможных значений входных и выходных амплитуд сигнала.

Еаким образом, в режиме генерации шумовых колебаний над сигналом осуЗО ществляют многократное нелинейное растягивающее преобразование, при котором величина изменения сигнала лх на малом интервале времени увеличивается (растягивается) в сред-З5 нем с течением времени в процессе многократных циркуляций сигнала по кольцу цепи ОС, и, следовательно, обеспечивают преимущественное усиление спектральных составляющих малой амплитуды по сравнению со спектральными составляющими с большой амплитудой. В рассмотренном случае обеспечивается преимущественное усиление составляющих спектра автомодуляции по отношению к частоте сигнала.

Поскольку реально в любом нели- . нейном усилителе, в том числе и ЛБВ, амплитудные преобразования одновременно сопровождаются и фазовыми, то нелинейное преобразование сигнала. ХЕ",в общем случае имеет вид

М - Ч(хне, вместо инкремента

l(3x l малые изменения амплитуды х нарастают с инкрементом

Р 2+ К ф! 2 для которого обеспечние условия непрерывного нарастания (растягивания) их записывается в виде

>2-3 . (5)

Таким образом, условия (S) и (3) есть необходимые и достаточные усло1 вия возникновения режима стохастичес кой амплитудно-фазовой неустойчивости.

Этот режим ввиду того, что нерегулярные изменения фазы сигнала эквивалентны нерегулярным изменениям задержки цепи ОС, получил название режима нелинейной флюктуирующей задержки.

Наличие фазовой нелинейности Ф(х) существенно облегчает образование стохастического:режима генерации и улучшает качество генерируемого шумового сигнала. Это происходит блаt гдаря тому, что в результате фаэовой модуляции спектр сигнала существенно расширяется и энергия более равномерно распределяется по спектру.

При наличии фазовой нелинейности, даже в случае отсутствия амплитудного инкремента (= 0), возможно образование в системе автогенератора стохастического режима (режима нелинейной флюктуирующей задержки) за счет нелинейного изменения фазы сигнала на выходе блока нелинейного преобразования сигнала. При этом амплитудная модуляция на входе этого блока (фиг. 2), необходимая для обеспечения нелинейного растягивающего преобразования изменений амплитуды, осуществляется в линейном элементе Кф за счет обратного (по отношению к нелинейному) преобразования фазовой модуляции сигнала в амплитудную. В этом случае величина инкремента нарастания мальм изменений амплитуды должна удовлетворять условию л Фх р»-3 (6)

Для реализации преимуществ, обусловленных фазовой модуляцией (облегчение возникновения стохастиче ского режима генерации, увеличение широкополосиости и качества шумового сигнала), необходимо увеличивать полосу пропускания системы Д F.. по отноше9 1 125735 1О. нию к условияю (3), т.е. необходимо ме многих сооственных частот, нх обеспечить селективного выделения не происходит. (7) аким образом, иэ-эа того,что в неТ

При этом время корреляции генерируе- линейной системе выполняются одно5 временно условия (5) и (7), в резульЭ ко р тате растягивающего нелинейного пре.определяющее время перекачки энергии образования реализуется режим нелимежду его составляющими, оказывается нейной флюктуирующей задержки, обесмного меньше времени Т задержки печиванщий генерацию электромагнитсигнала в кольце ОС. Поэтому, несмот-1О ных шумовых колебаний с широким ря на наличие в этом случае в систе- спектром и высоким качеством, Фиг.2

1125735

Составитель Н.Матвиенко

Техред g.Kóçüìà Корректор Н.Король

Редактор И.Николайчук

Филиал ППП "Патент", г.Ужгород, ул.Проектная, 4

Заказ 8556/43 ТИраж 861 Подписное „

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, R-35, Раушская наб., д. 4/5