Цифровой генератор хаотического сигнала

Авторы патента:

H03B29 - Генерирование токов и напряжений шумов

Владельцы патента RU 2472286:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского" (RU)

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в современных, помехозащищенных и конфиденциальных системах связи, в системах защиты информации для создания шумового сигнала, в контрольно-измерительных системах для измерения частотных характеристик, а также в системах кодирования для генерации случайных чисел и последовательностей. Задачей заявляемого технического решения является создание цифрового генератора хаотического сигнала, имеющего в отличие от прототипа истинно случайный характер выходного сигнала, при соблюдении схемотехнической простоты и сравнительно небольших конструктивных размеров. Требуемый технический результат достигается тем, что в устройство, состоящее из тактового генератора, N-разрядного регистра сдвига, сумматора по модулю два, цепи запуска, причем выход тактового генератора соединен с входом "С" регистра сдвига, выход m-го разряда которого соединен с первым входом сумматора по модулю два, второй вход которого соединен с выходом цепи запуска и начальной инициализации регистра сдвига, один из входов которой соединен с выходом последнего разряда регистра сдвига, вход "D" которого соединен с выходом сумматора по модулю два, дополнительно введены аналоговый хаотический генератор G1, регулируемый источник опорного напряжения и аналоговый компаратор DA1 уровня сигнала хаотического генератора с уровнем опорного сигнала, задаваемого регулируемым источником опорного напряжения, выполненным на потенциометре R1. 3 ил.

Известен широкополосный цифровой генератор шума, состоящий из тактового генератора, регистра сдвига, сумматора по модулю два и цепи запуска. Выход тактового генератора соединен с входом "С" регистра сдвига, выход n-го разряда которого соединен с первым входом сумматора по модулю два, второй вход которого соединен с выходом цепи запуска, вход которой соединен с выходом последнего разряда регистра сдвига, вход "D" которого соединен с выходом сумматора по модулю два. В генератор дополнительно введены последовательно соединенные усилитель мощности, умножительный диод и полосковая линия, при этом выход последнего разряда регистра сдвига соединен с входом усилителя мощности, выход которого через умножительный диод соединен с полосковой линией (Патент РФ №2208289, Н03В 29/00, опубл. 10.07.2003).

Известен также цифровой генератор шума, содержащий регистр сдвига, сумматор по модулю два, тактовый генератор, цепь запуска и низкочастотные пассивные фильтры (Мардер М., Федосов В. Цифровые генераторы шума. / Радио, 1990. №8, с.68-71).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению, принятым за прототип является цифровой генератор шума, который содержит восьмиразрядный (в общем случае - N-разрядный) регистр сдвига, сумматор по модулю два, тактовый генератор, цепь запуска и начальной инициализации регистра сдвига. При этом выход тактового генератора соединен с входом регистра сдвига, выход первого разряда регистра сдвига соединен с первым входом сумматора по модулю два, второй вход сумматора по модулю два соединен с выходом цепи запуска, один из входов которой соединен с выходом последнего разряда регистра сдвига, вход регистра сдвига соединен с выходом сумматора по модулю два. Существуют элементы, обеспечивающие также начальную инициализацию регистра сдвига ненулевым значением при включении питания, причем некоторые из них задают интервал времени, в течение которого происходит начальная инициализация (см. Андрианов В.И., Бородин В.А., Соколов А.В. "Шпионские штучки и устройства для защиты объектов информации». СПб.: Лань, 1996, с.146).

Недостатком прототипа, так же как и перечисленных выше аналогов, является псевдослучайный характер генерируемой хаотической последовательности цифровых импульсов, длительность которой зависит от числа разрядов регистра сдвига - N. Указанная зависимость приводит к усложнению генератора (увеличению числа разрядов регистра сдвига N) для достижения приемлемой длительности псевдослучайной последовательности.

Технической задачей заявляемого технического решения является создание цифрового генератора хаотического сигнала, имеющего в отличие от прототипа истинно случайный характер выходного сигнала, при соблюдении схемотехнической простоты и сравнительно небольших конструктивных размеров.

Требуемый технический результат достигается тем, что в цифровой генератор хаотического сигнала, содержащий тактовый генератор, N-разрядный регистр сдвига, сумматор по модулю два, цепи запуска и инициализации регистра сдвига, причем выход тактового генератора соединен с входом "С" регистра сдвига, выход m-го разряда которого соединен с первым входом сумматора по модулю два, второй вход которого соединен с выходом цепи запуска и инициализации, вход которой соединен с выходом последнего разряда регистра сдвига, вход "D" которого соединен с выходом сумматора по модулю два, согласно техническому решению дополнительно введены аналоговый хаотический генератор, регулируемый источник опорного напряжения и аналоговый компаратор уровня сигнала хаотического генератора с уровнем опорного напряжения с выхода регулируемого источника опорного напряжения, выполненного, в частности, в виде потенциометра. Выход аналогового хаотического генератора соединен с одним из входов аналогового компаратора, ко второму входу которого подсоединен выход регулируемого источника опорного напряжения, при этом выход аналогового компаратора соединен с одним из входов цепи запуска и инициализации, источник опорного сигнала и аналоговый компаратор уровня сигнала хаотического генератора с уровнем опорного напряжения позволяют апериодически инициализировать регистр сдвига случайным ненулевым значением и получить на выходе сдвигающего регистра хаотические наборы случайных последовательностей.

Заявляемое техническое решение отличается от прототипа наличием новых блоков: аналогового хаотического генератора, аналогового компаратора, регулируемого источника опорного напряжения (выполненного, в частности, в виде потенциометра) и их связями с остальными элементами схемы. Эти отличия позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию "новизна".

Требуемый результат достигается всей вновь введенной совокупностью существенных признаков, которые в известной патентной и научной литературе не обнаружены на дату подачи заявки. Следовательно, техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".

Предлагаемое решение поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена схема предлагаемого устройства. На чертеже приняты следующие обозначения: G - тактовый генератор; DD1…DD8(N) - регистр сдвига; D2 - сумматор по модулю два; D1, D3, R, С - цепь запуска и инициализации регистра сдвига; G1 - аналоговый хаотический генератор; DA1 - аналоговый компаратор; R1 - потенциометр, представляющий собой регулируемый источник опорного напряжения.

На фиг.2 и фиг.3 представлены эпюры сигналов в характерных точках устройства. Так, эпюрой а на фиг.2 представлен выходной сигнал примененного в устройстве хаотического генератора G1. Эпюра б на фиг.2 иллюстрирует сигнал, пропущенный через схему компаратора DA1, преобразованный в последовательность логических импульсов с хаотически меняющейся длительностью.

Управляющий аналоговый хаотический сигнал, поданный на вход 1 элемента D1, представлен эпюрой а на фиг.3. А на эпюре б фиг.3 показан выходной сигнал регистра сдвига, для достижения наглядности преобразованный в аналоговый с помощью цифроаналогового преобразователя. Этот сигнал обладает апериодическим случайным характером в результате воздействия управляющего сигнала, вид которого приведен на эпюре б фиг.2.

Согласно представленной на фиг.1 схеме выход тактового генератора G соединен с входом "С" регистра сдвига DD1…DD8(N), выход m-го разряда которого соединен с первым входом сумматора по модулю два D2, второй вход которого соединен с выходом цепи запуска D3, вход элемента D3 которой соединен с выходом последнего разряда регистра сдвига DD1…DD8(N), вход "D" которого соединен с выходом сумматора по модулю два D2. Ко второму входу элемента D3 цепи запуска и инициализации регистра сдвига подсоединен выход элемента D1 цепи запуска, формирующий импульс длительности τ~RC, величину которой определяют номиналы элементов R и С, подключенные к одному из входов элемента D1. К другому входу элемента D1 подсоединен выход аналогового компаратора DA1, сравнивающего аналоговый сигнал с выхода хаотического генератора G1, соединенного с одним из входов компаратора DA1, с опорным напряжением, поступающим на другой вход аналогового компаратора DA1 с выхода регулируемого источника опорного напряжения, выполненного на потенциометре R1.

Цифровой генератор хаотического сигнала работает следующим образом.

Регистр сдвига DD1…DD8(N), имеющий длину N бит, тактируется прямоугольными импульсами заданной частоты, подаваемыми с выхода тактового генератора G. С помощью сумматора по модулю два D2 на вход регистра подается последовательный сигнал, представляющий собой сумму по модулю два m-го и последнего разряда регистра DD1…DD8(N). Для вывода регистра сдвига DD1…DD8(N) из нулевого состояния при включении питания в схему введена цепь запуска и инициализации регистра сдвига (D1, D3, R, С) ненулевым значением, формирующая на своем выходе в момент включения питания сигнал логической единицы длительностью τ~RC, который подается на вход сумматора по модулю два D2. На выходе регистра сдвига DD1…DD8(N) формируются псевдослучайные последовательности импульсов, длительность и характер которых определяются выходным сигналом хаотического генератора G1, через компаратор DA1 и цепь запуска и инициализации, апериодически инициализирующим регистр сдвига DD1…DD8(N) случайным значением, отличным от нулевого.

Для достижения корректной работы цифрового генератора хаотического сигнала период повторяемости псевдослучайной последовательности T_N должен быть меньше или равен максимальной длительности инициализирующего импульса, формируемого компаратором DA1 из аналогового хаотического сигнала генератора G1 сравнением с уровнем опорного сигнала U₀, формируемого потенциометром R1.

Элемент D1 цепи запуска и инициализации регистра сдвига представляет собой логический вентиль "И", прозрачный по сигналу логической единицы на одном из его входов. При включении устройства конденсатор С не заряжен и удерживает на одном из входов вентиля D1 логический ноль на время зарядки собственной емкости через резистор R до значения логической единицы. За этот интервал времени τ~RC регистр сдвига DD1…DD8(N) инициализируется начальным ненулевым значением, а сигнал с выхода компаратора DA1 никак не влияет на работу устройства в целом. После того как напряжение на конденсаторе С достигает уровня логической единицы, вентиль D1 становится прозрачным для хаотического сигнала с выхода компаратора DA1, который апериодически прерывает работу регистра сдвига и инициализирует его новым случайным числом до достижения периода повторяемости псевдослучайной последовательности T_N.

Таким образом, на выходе регистра сдвига DD1…DD8(N) формируются неповторяющиеся псевдослучайные последовательности импульсов, длительность и характер которых случайным образом определяются выходным сигналом хаотического генератора G1. В качестве генератора G1 следует использовать, например, одну из схем генераторов динамического хаоса, хаотичность выходного сигнала которых строго доказана современными методами нелинейной динамики.

Для экспериментальной проверки заявляемого технического решения был разработан конкретный вариант цифрового генератора хаотического сигнала, аналогичный схеме фиг.1. В качестве хаотического генератора G1 был использован генератор на магнитоуправляемом двухполюснике с отрицательным дифференциальным сопротивлением, хаотичный характер выходного сигнала которого строго доказан.

Выходной сигнал примененного в устройстве хаотического генератора G1 приведен на эпюре а фиг.2. Поскольку этот сигнал аналоговый и не содержит постоянной составляющей, то, будучи пропущенным через схему компаратора DA1, в сравнении с уровнем опорного напряжения U₀ нулевой величины, он будет преобразован в последовательность логических импульсов с хаотически меняющейся длительностью, вид которых представлен на эпюре б фиг.2.

После заряда конденсатора С через резистор R на входе 2 элемента D1 устанавливается потенциал логической единицы, элемент D3 станет повторителем логического состояния выхода регистра и влиять на работу формирователя не будет. При поступлении на один из входов логического вентиля D3 типа «исключающее ИЛИ» или «сумматора по модулю два» логической единицы этот элемент станет инвертором логического состояния второго входа.

Таким образом, изменяя логическое состояние на входе элемента D3, можно изменять полярность сигнала в цепи обратной связи, а следовательно, и характер выходного сигнала. Изменяя управляющий сигнал хаотичным образом, можно получить на выходе сдвигающего регистра хаотические наборы случайных последовательностей.

Если на вход 1 элемента D1 подать управляющий хаотический сигнал, сформированный на выходе компаратора DA1 (эпюра а на фиг.3), то под его воздействием выходной сигнал регистра сдвига приобретает апериодический случайный характер (эпюра б на фиг.3).

Таким образом, управление регистром сдвига ограниченной разрядности с помощью хаотического генератора позволяет при ограниченных элементных ресурсах реализовать компактный цифровой генератор случайной последовательности, представляющей собой хаотический сигнал. В качестве хаотических генераторов с целью повышения стабильности в устройстве удобно использовать их современные реализации в интегральном исполнении.

Цифровой генератор хаотического сигнала, состоящий из тактового генератора, N-разрядного регистра сдвига, сумматора по модулю два, цепи запуска и инициализации регистра сдвига, причем выход тактового генератора соединен с входом "С" регистра сдвига, выход m-го разряда которого соединен с первым входом сумматора по модулю два, второй вход которого соединен с выходом цепи запуска и инициализации, вход которой соединен с выходом последнего разряда регистра сдвига, вход "D" которого соединен с выходом сумматора по модулю два, отличающийся тем, что в него дополнительно введены аналоговый хаотический генератор, регулируемый источник опорного напряжения и аналоговый компаратор уровня сигнала хаотического генератора с уровнем опорного напряжения, при этом выход аналогового хаотического генератора соединен с одним из входов аналогового компаратора, ко второму входу которого подсоединен выход регулируемого источника опорного напряжения, а выход аналогового компаратора соединен с одним из входов цепи запуска и инициализации регистра сдвига.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в качестве источника гиперхаотических электромагнитных колебаний. .

Генератор хаотического сигнала с постоянной амплитудой (варианты) // 2469460

Изобретение относится к устройствам и способам генерации хаотического сигнала, и может использоваться при конструировании приемопередающих устройств. .

Генератор хаотических колебаний // 2449461

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в качестве источника хаотических электромагнитных колебаний. .

Способ защиты системы обработки информации от побочных электромагнитных излучений, устройство для реализации способа и генератор шумового сигнала для реализации устройства // 2421917

Изобретение относится к области радиотехники и электроники и может быть использовано для защиты информации средств вычислительной техники от утечки информации. .

Генератор хаотических колебаний // 2421877

Способ генерации хаотических сверхвысокочастотных импульсов // 2421876

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в коммуникационных системах связи. .

Способ генерирования хаотических высокочастотных и сверхвысокочастотных широкополосных колебаний // 2420825

Изобретение относится к области радиофизики и СВЧ-электроники и предназначено для генерации высокочастотных (ВЧ) и сверхвысокочастотных (СВЧ) широкополосных хаотических колебаний разного уровня мощности.

Генератор хаотических колебаний // 2416144

Генератор хаотических колебаний // 2412527

Генератор хаотических колебаний // 2403672

Генератор хаотических колебаний // 2479105

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в качестве источника хаотических электромагнитных колебаний

Устройство формирования шумовой помехи // 2484577

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для неавтономного формирования шумовой помехи, создаваемой от внешнего управляющего сигнала, например, для создания тестовых шумовых сигналов в целях оценки помехоустойчивости радиоприемных устройств различного назначения

Электрически управляемый модулятор-калибратор миллиметрового диапазона длин волн // 2488941

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в качестве меры шумовой температуры при точных измерениях малых уровней шумовой температуры источников сигналов, а также для встроенного контроля в радиосистемах различного назначения

Генератор акустических шумов // 2493645

Изобретение относится к электронным устройствам и может быть использовано для защиты информации по акустическим каналам. Достигаемым техническим результатом является возможность формирования низкочастотного сигнала с расширенным частотным диапазоном и улучшенными характеристиками распространения. Генератор акустических шумов содержит блок управления, блок индикации, блок контроля, блок питания и заряда аккумулятора, аккумулятор, формирователь низкочастотного сигнала и исполнительный блок вращения, при этом формирователь низкочастотного сигнала выполнен в виде цилиндрического корпуса, на внутренней поверхности которого равномерно выполнены выступы, в корпусе соосно его оси установлен шток с возможностью вращения, на котором жестко закреплены одни концы несущих элементов, на других концах которых установлены первые контактные элементы с возможностью их поступательного перемещения вдоль несущих элементов и возможностью взаимодействия с выступами корпуса, на наружной поверхности корпуса равномерно установлены вторые контактные элементы с возможностью их взаимодействия с корпусом, причем шток формирователя низкочастотного сигнала кинематически соединен с исполнительным блоком вращения. 3 ил.

Генератор шумовых сигналов // 2519565

Изобретение относится к области радиотехники и электроники и может быть использовано для защиты информации средств вычислительной техники, автоматизированных рабочих мест, проводных линий связи от утечки информации в результате побочных электромагнитных излучений и наводок. Техническим результатом является расширение спектра выходного шумового сигнала в область низких и высоких частот, повышение равномерности спектральной плотности мощности шумового сигнала, возможность регулировки уровней шумовых сигналов. Генератор шумовых сигналов (ГШС) имеет два выхода, регулируемых по уровню сигнала. В качестве формирователя дополнительного шумового сигнала используют лавинно-пролетный шумовой диод с усилителем и переменным резистором регулировки уровня дополнительного шумового сигнала, а в качестве излучающего низкочастотного элемента используют катушку индуктивности с распределенными параметрами, которая позволяет формировать низкочастотную часть магнитной составляющей электромагнитного поля шумового сигнала. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Генератор хаотических колебаний // 2536424

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в качестве источника хаотических электромагнитных колебаний. Достигаемый технический результат - расширение возможностей электронной перестройки параметров генерируемого хаотического сигнала. Генератор хаотических колебаний содержит резистивный элемент, первый и второй двухполюсные элементы с емкостным сопротивлением, двухполюсный элемент с индуктивным сопротивлением и нелинейный усилитель тока. 1 з.п. ф-лы, 8 ил.

Генератор хаотических колебаний // 2540817

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в качестве источника хаотических электромагнитных колебаний. Достигаемый технический результат - расширение пределов регулирования параметров хаотического сигнала путем видоизменения конфигурации соответствующего ему хаотического аттрактора. Генератор хаотических колебаний содержит первый двухполюсный элемент с индуктивным сопротивлением, первый нелинейный преобразователь импеданса первого типа, второй двухполюсный элемент с индуктивным сопротивлением, двухполюсный элемент с емкостным сопротивлением, два резистора. 1 з.п. ф-лы, 24 ил.

Программно-управляемый генератор шумовых сигналов (пгшс) и устройство защиты информации на его основе // 2541932

Группа изобретений относится к области радиотехники и электроники и может быть использована для радиотехнической маскировки побочных электромагнитных излучений. Техническим результатом является расширение спектра выходного шумового сигнала в область высоких частот до 6000 МГц и повышение равномерности спектральной плотности мощности шумового сигнала за счет регулировки уровней шумовых сигналов в широких пределах. Генератор шумовых сигналов включает источник широкополосного шумового сигнала, сигналы с которого через широкополосные усилители и управляемые аттенюаторы поступают соответственно на фильтр нижних частот и на фильтр верхних частот, после чего через управляемые усилители и высокочастотные соединители поступают на систему контроля работоспособности, обеспечивая регулировку уровней шумовых сигналов. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Генератор фрактальных мельканий для биомедицинских исследований // 2549150

Изобретение относится к области медицинского приборостроения и может быть использовано в биомедицинских исследованиях. Технический результат заключается в обеспечении возможности изучения воздействия на параметры живого организма, в том числе на зрительные функции, неоднородной световой среды, имеющей свойство масштабной инвариантности во времени. Генератор состоит из внешнего источника питания с подключенным к нему микроконтроллером, к двум ножкам которого через соединенные Г-образно токоограничивающие заземляющие резисторы подключены два n-канальных полевых транзистора. К ним последовательно подключены два и три светодиода и ограничительные резисторы. Цепи стока транзисторов заземлены, генератор подключен напрямую к персональному компьютеру. Через него ШИМ-ножки входящего в генератор микроконтроллера программируются с возможностью изменения напряжения посредством включения и выключения диодов с обеспечением необходимой средней яркости от 0,1 до 100 кд/м2 для получения динамического фрактального "sweep" паттерна или дихотомического паттерна сдвоенных пачек мельканий. Длительность вспышек составляет от 0,1 до 1 мс, интервал между вспышками 0,1-1 мс, количество вспышек в одном вложении от 3 до 7, количество вложений от 2 до 6. 1 табл., 5 ил.

Генератор хаотических колебаний // 2549152

Изобретение относится к области электротехники, радиотехники и может быть использовано в качестве источника хаотических колебаний, при моделировании релейных систем автоматического управления и систем передачи информации, при исследовании помехоустойчивости различных систем. Технический результат - обеспечение моделирования сигналов, описываемых кусочно-линейными дифференциальными уравнениями, характеризующими возникающие периодические, квазипериодические и хаотические колебания. Генератор хаотических колебаний содержит два индуктивных элемента, два конденсатора, два резистора, полупроводниковый преобразователь напряжения, с помощью которого осуществляется регулирование характеристик генерируемых колебаний, и нагрузку. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.