Генератор шумовых сигналов

 

Изобретение относится к области радиотехники и электроники и может найти применение для защиты средств вычислительной техники от утечки информации в результате побочных электромагнитных излучений. Задачей изобретения является расширение спектра выходного сигнала при одновременном повышении равномерности спектральной плотности мощности и устойчивости режима генерации шумового сигнала. Сущность изобретения состоит в том, что генератор шумовых сигналов, содержащий установленные в корпусе-экране первый и второй взаимосвязанные автогенераторы, первую и вторую несимметричные полосковые линии НПЛ и первый конденсатор, дополнительно содержит третью НПЛ, второй и третий конденсаторы, первый, второй и третий резисторы, при этом каждый из автогенераторов выполнен на двух транзисторах по двухтактной схеме с общим эмиттером, первая, вторая и третья НПЛ выполнены в виде трехзаходной спирали Архимеда, базы первых транзисторов первого и второго автогенераторов и базы вторых транзисторов первого и второго автогенераторов соединены попарно и подключены к начальному участку первой НПЛ, коллекторы транзисторов первого и второго автогенераторов подключены к начальным участкам соответственно второй и третьей НПЛ, концы второй и третье НПЛ соединены и через второй резистор подключены к положительному вводу источника питания, соединенному через третий резистор с концом первой НПЛ, первый конденсатор включен между второй и третьей НПЛ, второй и третий конденсаторы включены между первой и третьей НПЛ. 2 ил.

Изобретение относится к области радиотехники и электроники и может найти применение для защиты средств вычислительной техники (ВТ) и радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) от утечки информации в результате побочных электромагнитных излучений, а также в измерительной технике.

Эффективным способом предотвращения утечки информации из средств ВТ и РЭА является активная радиотехническая маскировка побочных электромагнитных излучений с помощью генераторов шумовых сигналов.

Важнейшими требованиями, предъявляемыми к генераторам шумовых сигналов такого рода, являются: широкополостность спектра выходного сигнала, диктуемая широкополостностью побочных электромагнитных излучений; высокая равномерность спектральной плотности мощности шума; устойчивость режима генерации шума; высокий кпд; малые габариты и масса.

Известные из литературы генераторы шумовых сигналов не удовлетворяют комплексу перечисленных требований.

Известен генератор шумовых сигналов с запаздывающей обратной связью [1, рис.9.101] содержащий ЛБВ в качестве нелинейного активного элемента, резонансный фильтр и линию задержки (ЛЗ). Такой генератор имеет большие габариты и массу. Для его питания необходим специальный источник питания, также отличающийся большими габаритами и массой. Эти недостатки препятствуют широкому применению генераторов данного типа.

Более перспективными и более привлекательными с точки зрения габаритов и массы, а также в других отношениях являются полупроводниковые генераторы шумовых сигналов.

Известен генератор шумовых сигналов [2] содержащий соединенные в кольцо нелинейный преобразователь, ЛЗ и полосовой фильтр, при этом нелинейный преобразователь выполнен в виде многокаскадного усилителя с внутри- и межкаскадными цепями обратной связи через участки ЛЗ, которая выполнена многоотводной из LC-звеньев.

К недостаткам данного генератора можно отнести небольшой кпд, неустойчивость режима генерации шумовых сигналов при изменении напряжения питания, плохую равномерность спектра.

Известен также генератор шумовых сигналов [3] содержащий источник накачки в виде управляемого по частоте автоколебательного блока, первую катушку индуктивности, генератор, состоящий из элемента с отрицательным сопротивлением и LC-колебательного контура, образованного второй катушкой индуктивности и нелинейным конденсатором, а также элемент связи. В данном устройстве за счет обеспечения управления частотой автоколебательного блока по случайному закону достигается определенное улучшение равномерности спектра. Однако устройство является узкополостным и не может быть эффективным при использовании с целью предотвращения утечки информации от средств ВТ и РЭА.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и совокупности существенных признаков является генератор шумовых сигналов по изобретению [4] выбранный в качестве прототипа. Этот генератор содержит [4, фиг.2] первый и второй взаимосвязанные автогенераторы соответственно с первой и второй несимметричными кольцеобразными микрополосковыми линиями, конденсатор обратной связи, микрополосковую линию выхода с разделительным конденсатором. Каждый из автогенераторов выполнен на одном биполярном транзисторе.

К недостаткам прототипа следует отнести: сравнительно узкий спектр выходного сигнала, ограниченный снизу из-за недостаточной широкополостности колебательной системы; относительно невысокую равномерность спектральной плотности мощности шумового сигнала; невысокую устойчивость режима генерации шумового сигнала при изменении напряжения питания.

Задача изобретения расширение спектра выходного сигнала при одновременном повышении равномерности спектральной плотности мощности и устойчивости режима генерации шумового сигнала при изменении напряжения питания.

Задача решается тем, что генератор шумовых сигналов, содержащий установленные в корпусе-экране 1-й и 2-й взаимосвязанные автогенераторы с 1-й и 2-й несимметричными полосковыми линиями НПЛ, 1-й конденсатор, дополнительно содержит 3-ю НПЛ, 2-й и 3-й конденсаторы, 1-й, 2-й и 3-й резисторы, при этом каждый из автогенераторов выполнен на двух транзисторах по двухтактной схеме с общим эмиттером, 1-я, 2-я и 3-я НПЛ выполнены в виде трехзаходной спирали Архимеда, базы первых транзисторов и базы вторых транзисторов первого и второго автогенераторов соединены попарно и подключены к начальному участку 1-й НПЛ, соединенному с 1-м выводом 1-го резистора, 2-й вывод которого соединен с корпусом, коллекторы транзисторов 1-го и 2-го автогенераторов подключены к начальным участкам соответственно 2-й и 3-й НПЛ, концы 2-й и 3-й НПЛ соединены и через 2-й резистор подключены к положительному вводу источника питания, соединенному через 3-й резистор с концом 1-й НПЛ, 1-ый конденсатор включен между 2-й и 3-й НПЛ, 2-й и 3-й конденсаторы включены между 1-й и 3-й НПЛ, а выходом генератора служит любая точка 2-й и 3-й НПЛ.

Технический результат изобретения состоит в многократном расширении спектра выходного сигнала при одновременном повышении равномерности спектральной плотности мощности шумового сигнала и устойчивости режима генерации шумового сигнала при изменении напряжения питания. В частности, перекрытие по диапазону в предлагаемом устройстве составляет 100000 раз в сравнении с 8 у прототипа.

Достижение указанного технического результата можно объяснить увеличением в предлагаемом генераторе числа степеней свободы по сравнению с прототипом благодаря выполнению НПЛ в виде трехзаходной спирали Архимеда, витки которой индуктивно связаны друг с другом, соединению коллекторов двух пар транзисторов автогенераторов с базами через НПЛ и конденсаторы обратной связи и подключению колебательной системы к источнику питания через ограничительный резистор. В результате этого образуется сложная динамическая колебательная система со сверхглубокой положительной обратной связью и большим количеством колебательных контуров с разными резонансными частотами и хаотическим изменением этих частот, а также фаз начала и срыва высокочастотных колебаний. Спектр выходного сигнала такой системы является практически сплошным в широкой полосе частот, а спектральная плотность мощности имеет высокую равномерность.

Большое число степеней свободы определяет, вместе с тем, и более высокую устойчивость режима генерации шумового сигнала при изменении напряжения питания.

На фиг. 1 изображена электрическая схема предлагаемого устройства; на фиг.2 его амплитудно-частотная характеристика (АЧХ).

Заявляемое устройство содержит (фиг.1): корпус-экран 1; первый и второй взаимосвязанные двухтактные автогенераторы, выполненные по схеме с общим эмиттером соответственно на транзисторах 2, 3 и 4, 5 с первой НПЛ a₁b₁c₁d₁e₁, второй НПЛ a₂b₂c₂d₂e₂ и третьей НПЛ a₃b₃c₃d₃e₃; первый конденсатор 6 обратной связи, включенный между второй и третьей НПЛ; второй 7 и третий 8 конденсаторы обратной связи, включенные между первой и третьей НПЛ; первый резистор 9, один вывод которого подключен к начальному участку a₁b₁ первой НПЛ, а другой соединен с корпусом; второй резистор 10, один вывод которого соединен с положительным вводом 11 источника питания, а другой вывод с концами второй и третьей НПЛ; третий резистор 12, включенный между концом первой НПЛ и положительным вводом 11 источника питания; блокировочный конденсатор 13, включенный между положительным 11 и отрицательным 14 вводами источника питания; разделительные конденсаторы 15 и 16 для снятия выходных сигналов через регулятор выходного уровня на переменных резисторах 17 и 18.

Первая, вторая и третья НПЛ образуют трехзаходную спираль Архимеда, при этом базы первых транзисторов 2, 4 и базы вторых транзисторов 3, 5 первого и второго автогенераторов соединены попарно и подключены к начальному участку первой НПЛ соответственно в точках b₁ и a₁, коллекторы транзисторов 2 и 3 первого автогенератора подключены к начальному участку a₂b₂ второй НПЛ, коллекторы транзисторов 4 и 5 второго автогенератора подключены к начальному участку a₃b₃ третьей НПЛ, концы e₂ и e₃ второй и третьей НПЛ соединены друг с другом и подключены к выводу резистора 10. Блокировочный конденсатор 13 может быть установлен в источнике питания. Разделительный конденсатор 13 может быть установлен в источнике питания. Разделительные конденсаторы 15, 16 и регулятор уровня шумового сигнала на резисторах 17 и 18 показаны на фиг. 1 в качестве примера возможного выполнения устройства съема выходного сигнала генератора. Выходом генератора, в принципе, может служить любая точка второй и третьей НПЛ.

Каждая из НПЛ выполнена в виде витка и, следовательно, представляет собой индуктивность. Благодаря расположению в непосредственной близости друг от друга все три НПЛ оказываются индуктивно взаимосвязанными. Конденсаторы 6 8 определяют электрическую связь между НПЛ, причем эти конденсаторы, с одной стороны, обеспечивают обратную связь, а с другой являются конденсаторами колебательных контуров. В результате образуется сложная колебательная система с большим количеством колебательных контуров и степеней свободы, обусловливающая сверхглубокую жесткую положительную обратную связь в схеме автогенераторов. В колебательную систему входит также распределенная емкость между НПЛ и корпусом. К источнику питания колебательная система подключена через резистор 10, т.е. она является не чисто реактивной, а с потерями.

В основе работы предлагаемого устройства лежит принцип прерывистой генерации высокочастотных колебаний, повторяющихся с низкой частотой. Первопричиной стохастического поведения системы являются естественные флуктуации начальных условий возникновения высокочастотных колебаний, амплитуда которых за счет эффекта сверхрегенеративного усиления получает значительное приращение, но не достигает стационарного значения, определяемого нелинейностью активных элементов, поскольку энергия в оба автогенератора поступает от одного источника питания через общий резистор 10, ограничивающий ток активных элементов. С насыщением активных элементов и зарядом конденсаторов колебательных контуров имеет место резкое уменьшение тока через эти элементы, после чего, благодаря глубокой положительной обратной связи, происходит разряд конденсаторов колебательных контуров через индуктивности этих контуров, что приводит к ударному возбуждению колебательных контуров. Из-за индуктивной связи НПЛ этот процесс распространяется на все колебательные контуры и каждый из них создает высокочастотные колебания на частоте, определяемой параметрами этого контура. Благодаря большому числу степеней свободы динамический режим работы генератора характеризуется хаотическим изменением резонансных частот колебательных контуров и фаз начала и окончания высокочастотных колебаний, что определяет как расширение спектра выходного сигнала, так и повышение равномерности спектральной плотности мощности шумового сигнала. Большое число степеней свободы обеспечивает одновременно и высокую устойчивость режима генерации шумового сигнала при изменении напряжения питания.

Опытный образец устройства был выполнен на печатной плате из двухстороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм с использованием серийных элементов (транзисторов, конденсаторов, резисторов). Несимметричные полосковые линии в виде печатных проводников из меди имели ширину 2,5 мм. Корпус-экран изготовлен из металла и имеет габариты 75 х 100 х 15 мм.

График АЧХ опытного образца (фиг.2) показывает, что предлагаемое устройство обеспечивает перекрытие по диапазону 100000 раз при высокой равномерности спектра.

Режим генерации шумового сигнала остается устойчивым при изменении напряжения питания в пределах 3,5 7 В.

Промышленная осуществимость изобретения видна из описания предлагаемого устройства в статике и динамике и подтверждается фактом изготовления и успешного испытания опытного образца с достижением указанного технического результата.

Литература 1. Неймарк Ю. И. Ланда П.С. Стахостические и хаотические колебания. М. 1987 г.

2. Авт. св. СССР N 292209, кл.H 03 B 29/00, опубл. 06.01.71 г.

2. Авт. св. СССР N 1555804, кл. H 03 B 29/00, опубл. 08.04.90 г.

2. Авт. св. СССР N 1806439, кл.H 03 B 29/00, опубл. 30.03.93 г.

Формула изобретения

Генератор шумовых сигналов, содержащий установленные в корпусе-экране первый и второй взаимосвязанные автогенераторы с первой и второй несимметричными полосковыми линиями, первый конденсатор, отличающийся тем, что он дополнительно содержит третью несимметричную полосковую линию, второй и третий конденсаторы, первый, второй и третий резисторы, при этом каждый из автогенераторов выполнен на двух транзисторах по двухтактной схеме с общим эмиттером, первая, вторая и третья несимметричные полосковые линии выполнены в виде трехзаходной спирали Архимеда, базы первых транзисторов первого и второго автогенераторов и базы вторых транзисторов первого и второго автогенераторов соединены попарно и подключены к начальному участку первой несимметричной полосковой линии, соединенному с первым выходом первого резистора, второй вывод которого соединен с корпусом, коллекторы транзисторов первого и второго автогенераторов подключены к начальным участкам соответственно второй и третьей несимметричных полосковых линий, концы второй и третьей несимметричных полосковых линий соединены и через второй резистор подключены к положительному вводу источника питания, соединенному через третий резистор с концом первой несимметричной полосковой линии, первый конденсатор включен между второй и третьей несимметричными полосковыми линиями, второй и третий конденсаторы включены между первой и третьей несимметричными полосковыми линиями, а выходом генератора может служить любая точка второй и третьей несимметричных полосковых линий.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2