Генератор 1/f-шума

 

Изобретение относится к радиотехнике и связи и может быть использовано в измерительной технике при моделировании различных радиоэлектронных систем. Генератор 1/fγ-шума содержит генератор бинарной псевдослучайной последовательности, блок формирования управляющего n-разрядного сигнала, весовой n-разрядный сумматор, n блоков запоминания. Достигаемый технический результат - формирование шумового сигнала со спектральной плотностью мощности вида 1/fγ в задаваемом частотном диапазоне фиксированной ширины и произвольным значением индекса спектральной плотности мощности γ в пределах от 1 до 2. 1 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и связи и может быть использовано в измерительной технике при моделировании, разработке и настройке различных радиоэлектронных систем.

Известно несколько аналоговых способов формирования 1/fγ-шума (Хоровиц П. , Хилл У. Искусство схемотехники. М.: Мир, 1984, т.2, с.93; СССР, а.с. 1157642). В одних из них для получения необходимой спектральной зависимости вида S(f) = 1/fγ, где f - частота, γ - индекс спектральной плотности мощности 1≤γ<2, используется принцип низкочастотной фильтрации исходного сигнала со спектральной зависимостью вида S(f)=const (белого шума) в требуемом диапазоне. Действие другого типа генераторов основано на использовании в качестве первичного источника шума аналогового элемента, в котором шум характеризуется ярко выраженной спектральной плотностью мощности необходимого вида 1/fγ.

К недостаткам аналоговых способов генерации 1/fγ-шума относятся жесткая привязка свойств генерируемого сигнала к набору используемых компонентов, вследствие чего отсутствует возможность перестройки генератора на различные частотные диапазоны в широких пределах, варьирования индекса спектральной плотности мощности γ. При использовании метода низкочастотной фильтрации исходного сигнала с плоским спектром неотъемлемым свойством выходного шума является неравномерность его спектральной зависимости, т.е. наличие провалов на фиксированных частотах, количество и интенсивность которых определяется числом и шагом применяемых НЧ фильтров.

Известны также цифровые генераторы шума, работа которых основана на формировании бинарной псевдослучайной М-последовательности с дальнейшей аналоговой или цифровой фильтрацией для получения необходимых статистических свойств выходного сигнала. Цифровой способ генерации отличается высокой стабильностью работы и высокой степенью стохастичности в пределах большого периода времени, возможностью варьирования частотного диапазона и функции распределения сигнала. Один из способов формирования псевмогауссовых шумовых сигналов (СССР, а.с. 1665492) основан на одновременном формировании временной n-разрядной бинарной M-последовательности и управляющего n-разрядного бинарного сигнала, формировании из них многоразрядной последовательности импульсов путем поразрядного суммирования по модулю два и их последующем линейном суммировании. При этом управляющий сигнал представляет собой n-разрядный бинарный импульсный сигнал с минимальными уровнями боковых выбросов автокорреляционной функции. Устройство для осуществления способа формирования псевмогауссовых шумовых сигналов содержит генератор временной n-разрядной бинарной M-последовательности, состоящий из генератора тактовых импульсов, регистра сдвига и сумматора по модулю два, формирователь весовых коэффициентов, состоящий из n сумматоров по модулю два и блока формирования управляющего n-разрядного двухуровневою сигнала, а также линейный сумматор.

Основным недостатком известных цифровых генераторов шума можно считать отсутствие возможности формирования сигнала со спектральной зависимостью, отличной от S(f)=const в заданном диапазоне частот, что могло бы быть полезным при моделировании различных радиоэлектронных систем.

Техническим результатом изобретения является формирование шумового сигнала со спектральной плотностью мощности вида S(f) = 1/fγ в задаваемом частотном диапазоне фиксированной ширины и произвольным значением индекса спектральной плотности мощности γ в пределах от 1 до 2.

Способ получения шумового сигнала основан на формировании n псевдослучайных бинарных сигналов, у которых средние значения периодов переключении между состояниями подчиняются показательной зависимости аⁿ, где основание a - произвольное положительное небольшое число, n - порядковый номер псевдослучайного сигнала, дальнейшем весовом суммировании этих псевдослучайных бинарных сигналов и, при необходимости, низкочастотной фильтрации на выходе.

Технический результат изобретения достигается тем, что в генератор шумового сигнала дополнительно включен блок хранения информации, выполненный в виде набора n D-триггеров, а в блоке формирования управляющего n-разрядного бинарною сигнала использован логический элемент, на n выходах которого формируются бинарные импульсы с периодами T_n= аⁿ, например двоичный счетчик (здесь a=2).

На чертеже представлена структурная схема генератора для осуществления способа формирования шума с требуемой спектральной характеристикой. Устройство содержит блок формирования управляющего n-разрядного бинарного сигнала 1, состоящий из генератора тактовых импульсов 2 и двоичного n-разрядного счетчика 3, генератор бинарной псевдослучайной последовательности 4, состоящий из генератора тактовых импульсов 5, регистра сдвига 6 и сумматора по модулю два 7, блок хранения информации 8, состоящий из n D-триггеров 9₁.. .9_n, весовой сумматор 10 и фильтр нижних частот 11.

Сущность предлагаемого способа формирования шумового сигнала со спектральной зависимостью вида 1/fγ состоит в следующем. Шумовой сигнал представляет собой последовательность {а}, каждое из значений а_i, которого вычисляется по формуле (1) где n - количество слагаемых, x_ij - нормированные случайные величины с произвольным распределением по величине F(x), w_ij - весовые коэффициенты, значения которых определяются видом функции распределения F(x).

Чтобы получить необходимую спектральную зависимость шумового сигнала, необходимо, чтобы различные слагаемые x_ij сохраняли свое значение в течение определенного количества циклов вычислений Δi≤τ_j, при этом значения τ_j должны подчиняться показательному относительно j распределению с произвольным основанием b: τ_j = b^j. На спектральной плотности мощности величина параметра b влияет только на неравномерность частотной зависимости, т.е. на количество локальных неоднородностей на декаду частотного диапазона. При равенстве весовых коэффициентов w_ij в (1) независимо от b индекс спектральной плотности мощности будет постоянным γ=1.

Устройство, позволяющее осуществить генерацию 1/fγ-шума предлагаемым способом, работает следующим образом.

Тактовые импульсы с генератора 5 осуществляют сдвиг бинарных импульсов в регистре сдвига 6, на n выходах которого генерируется временная n-разрядная бинарная М-последовательность за счет обратной связи через сумматор 7. Псевдослучайные сигналы с n выходов регистра сдвига 6 поступают на информационные входы D-триггеров. Одновременно на входы синхронизации этих D-триггеров поступают управляющие импульсы с двоичного n-разрядного счетчика 3, при этом период переключений управляющих сигналов возрастает с увеличением номера разряда n как степень числа 2. Соответственно, частота импульсов на различных выходах счетчика 3 равна где f_такт - частота тактовых импульсов, поступающих на счетный вход счетчика 3 с генератора 2.

Таким образом, в соответствующие моменты времени в D-триггерах осуществляется фиксация псевдослучайных значений, непрерывно поступающих на вход блока хранения информации. С выходов D-триггеров псевдослучайные сигналы со средним периодом переключений для j-разряда, равным , поступают на вход линейного сумматора 10, на выходе которого формируется n-уровневый шумовой сигнал со спектральной плотностью мощности вида 1/fγ. Изменение весовых коэффициентов суммирования позволяет варьировать значение индекса спектральной плотности мощности γ в пределах от 1 до 2.

Максимальная частота диапазона, в котором спектральная плотность мощности имеет зависимость 1/fγ, устанавливается частотой тактового генератора f_такт. В предлагаемом устройстве она равна
Ширина частотного диапазона зависит от разрядности счетчика и количества используемых триггеров. Необходимую разрядность устройства можно определить по формуле

Для преобразования выходного дискретного многоуровневого сигнала в сигнал непрерывной формы на выходе необходимо использовать сглаживающий фильтр нижних частот 11, частота среза которого лежит выше максимальной частоты установленного диапазона. В случае равенства весовых коэффициентов w_ij шумовой сигнал на выходе устройства будет иметь распределение псевдогауссовой формы.

Формула изобретения

Генератор 1/fγ-шума, содержащий генератор бинарной псевдослучайной последовательности, выполненный на основе регистра сдвига с n выходами, на которых генерируется временная n-разрядная бинарная импульсная М-последовательность, блок формирования управляющего n-разрядного сигнала и весовой n-разрядный сумматор, отличающийся тем, что в него дополнительно введены n блоков запоминания, выполненных, например, на основе D-триггеров, при этом блок формирования управляющего сигнала выполнен в виде n-разрядного двоичного счетчика, на счетный вход которого подаются импульсы с тактового генератора, выходы n-разрядного двоичного счетчика соединены с соответствующими входами управления блоков запоминания, на информационные входы которых поступают сигналы с соответствующих выходов генератора бинарной псевдослучайной последовательности, а выходы всех блоков запоминания соединены с соответствующими входами весового n-разрядного сумматора, где f - частота, γ - индекс спектральной плотности мощности.

РИСУНКИ

Рисунок 1