Цифроаналоговый генератор шума



Цифроаналоговый генератор шума
Цифроаналоговый генератор шума

 


Владельцы патента RU 2549174:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенский государственный технологический университет" (RU)

Изобретение относится к электронной технике и может использоваться для генерирования шумового напряжения с заданными статистическими характеристиками. Технический результат: повышение точности воспроизведения статистических характеристик шума, расширение его энергетического спектра. Цифроаналоговый генератор шума содержит тактируемый опорным генератором генератор псевдослучайных чисел в качестве источника исходного цифрового шума, группой смежных выходов нагруженный на множество идентичных управляемых генераторов тока, у которых выходы объединены узлом суммирования, а объединенные вторые входы через фильтр подключены к выходу компаратора, к суммирующему узлу подключены также выходной буферный блок, преобразователь эффективного значения напряжения, выходом присоединенный к одному входу компаратора, у которого второй вход связан с зажимом опорного напряжения. 2 ил.

 

Изобретение относится к электронным схемам и может быть использовано для генерирования шумового напряжения с заданными статистическими характеристиками.

Для генерирования шумоподобных сигналов применяются аналоговые и цифровые устройства. Аналоговым устройствам, включающим обычно первичный источник шума, усилитель и фильтр [1], свойствен ряд недостатков, главным из которых является нестабильность параметров шума при изменении питающего напряжения и температуры среды. Указанного недостатка позволяют избежать устройства, в которых в качестве исходного цифрового шума используется генератор псевдослучайных чисел (ГПСЧ). Если продолжительность реализации шумового процесса не превышает длительности цикла ГПСЧ, то его характеристики приближаются к характеристикам совершенно случайного процесса.

Известны цифроаналоговые генераторы шума [2-4], включающие последовательно соединенные ГПСЧ, цифроаналоговый преобразователь и фильтр. Известные устройства обладают стабильностью характеристик и не требуют регулировок. Однако закон распределения напряжения шума в них отличается от нормального, а наличие в структуре операционных усилителей ограничивает энергетический спектр генерируемого шума.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является выбранный за прототип кольцевой генератор шума с заданным спектром по патенту US 4855944, 8.08.1989 [5]. Схема прототипа состоит из тактируемого опорным генератором ГПСЧ и узла взвешенного суммирования на основе операционного усилителя, входные весовые резисторы которого подключены к соответствующим разрядным выходам ГПСЧ. Благодаря соответствующему выбору сопротивлений входных резисторов узел суммирования реализует необходимую для получения равномерного спектра «белого» шума функцию фильтра с конечной импульсной характеристикой.

Недостатки устройства-прототипа связаны со специфическим исполнением суммирующего узла и заключаются в ограниченном энергетическом спектре генерируемого шума, жестких требованиях к точности и соотношению сопротивлений весовых резисторов, что препятствует интегральному воплощению устройства, а также в отличии от нормального закона распределения шумового напряжения.

Цель настоящего изобретения состоит в повышении точности воспроизведения статистических характеристик шума, расширении его энергетического спектра и снижении требований к точности компонентов устройства.

Это достигается тем, что в устройство, содержащее тактируемый опорным генератором ГПСЧ и узел суммирования, дополнительно введены множество управляемых генераторов тока, каждый из которых имеет два входа, компаратор, преобразователь эффективного значения напряжения, выходной буферный блок и фильтр. При этом первые входы управляемых генераторов тока присоединены к соответствующим разрядным выходам ГПСЧ, а выходы подключены к узлу суммирования, выходному буферному блоку и входу преобразователя эффективного значения напряжения. Кроме того, в схему введен компаратор, выход которого через фильтр соединен с объединенными вторыми входами всех управляемых генераторов тока, его первый вход - с зажимом опорного напряжения, а второй вход - с выходом преобразователя эффективного значения напряжения.

На фиг. 1 изображена функциональная схема предлагаемого цифроаналогового генератора шума. На фиг. 2 представлен вариант исполнения управляемого генератора тока и схема подключения множества управляемых генераторов тока к суммирующему узлу.

Схема устройства (фиг. 1) состоит из опорного генератора 1, нагруженного на ГПСЧ 2, группа смежных разрядных выходов которого подключена к первым входам соответствующих управляемых генераторов 3…7 тока, выходы которых объединены в узле суммирования 8, представляющем собой в данном варианте исполнения резистор. С узлом суммирования 8 соединены также входы выходного буферного блока 9 и преобразователя 10 эффективного значения напряжения, своим выходом связанного с одним входом компаратора 11, у которого другой вход присоединен к зажиму 12 опорного напряжения. Выход компаратора 11 через фильтр 13 нижних частот подключен к объединенным вторым входам управляемых генераторов 3…7 тока.

ГПСЧ построен на сдвигающем регистре 14 с обратной связью по входу последовательной записи через вентиль 15 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, входы которого подключены к выходам определенных разрядов сдвигающего регистра 14. В данном варианте осуществления использован 7-разрядный сдвигающий регистр 14, а входы вентиля 15 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ соединены с первым и седьмым разрядными выходами регистра.

Буферным блоком 9 в зависимости от области применения устройства может служить масштабный усилитель либо аттенюатор. Буферный блок 9 может быть также снабжен фильтрующим звеном для устранения высокочастотной составляющей спектра шума, связанного с его ступенчатой формой.

Преобразователь 10 эффективного значения напряжения в его классическом осуществлении, ориентированном на произвольную форму преобразуемого напряжения, выполняет вычисления по известной формуле

где uΣ - напряжение в суммирующем узле 8, а T - период усреднения. Если статистические свойства преобразуемого напряжения известны, то можно указать коэффициенты пропорциональности, связывающие его пиковое, среднее и эффективное значения. Для гауссовского процесса пиковое значение теоретически бесконечно, а эффективное значение равно его среднеквадратическому отклонению. В измерительной практике для гауссова шума «пик-фактор» - предельное отношение пикового напряжения к среднеквадратическому, при котором нет ощутимых потерь в точности, устанавливают в переделах 3…5. Это дает основания для упрощения схемы преобразователя, которая с учетом однополярности формируемого в суммирующем узле 8 напряжения может быть выполнена в виде простейшего усредняющего фильтра.

Каждый из идентичных управляемых генераторов 3…7 тока, состав которых и схема подключения к суммирующему узлу показаны на фиг. 2, в данном варианте осуществления содержит дифференциальный переключатель тока на транзисторах 16, 17 и управляемый источник тока на транзисторе 18 с эмиттерным резистором 19. При этом база транзистора 16 служит первым входом 20 управляемого генератора тока, коллектор транзистора 17 - его выходом 21, а база транзистора 18 - вторым входом 22, который является общим для всех управляемых генераторов 3…7 тока. Базы транзисторов 17 в них соединены с общей цепью базового смещения в виде делителя напряжения из резисторов 23, 24, устанавливающего пороговый уровень переключения. Группа входов 25 управляемых генераторов 3… 7 тока служит для присоединения к разрядным выходам ГПСЧ 2. Суммирующий узел 26, к которому подключены выходы всех управляемых генераторов 3… 7 тока, соединен с общей шиной через резистор 27, выполняющий, по сути, преобразование суммарного тока в напряжение.

Появление сигнала на первом входе 20 управляемого генератора 3… 7 тока приводит к включению тока, значения токов всех управляемых генераторов тока равны и определяются значением напряжения, поступающего на их вторые входы 22 от компаратора 11 через фильтр 13 нижних частот. Фильтр 13 нижних частот необходим для преобразования импульсных сигналов компаратора 11 в постоянное управляющее напряжение.

Принцип действия цифроаналогового генератора шума в соответствии с настоящим изобретением основан на использовании того общеизвестного факта, что сумма смежных разрядов ГПСЧ обладает биномиальным распределением, которое при достаточном числе разрядов приближается к нормальному распределению [6]. Данный принцип использован в ряде устройств для воспроизведения джиттера цифровых сигналов данных, например [7, 8].

Цифроаналоговый генератор шума работает в следующем порядке.

Опорный генератор 1 снабжает тактовыми импульсами ГГКСЧ 2, который генерирует псевдослучайную последовательность максимальной длины общей продолжительностью

где n - число разрядов сдвигающего регистра 14 в ГПСЧ 2, f0 - частота опорного генератора 1. На смежных выходах группы разрядов ГПСЧ образуется цифровой код из нулей и единиц, причем общее количество единиц в этом коде при достаточно большом количестве разрядов n ГПСЧ можно считать совершенно случайным. Число m выходов ГПСЧ, участвующих в формировании ступенчатого напряжения шума, определяет количество его ступеней. С увеличением параметров m и n точность воспроизведения шумовых характеристик возрастает. В частности, параметр n определяет границы энергетического спектра шума, который простирается от до f0.

Наличие единицы на определенном выходе ГПСЧ 2 приводит к включению связанного с ним управляемого генератора тока из их множества 3…7, токи включенных генераторов складываются в узле 8 суммирования, в результате чего на резисторе этого узла образуется ступенчато изменяющееся шумовое напряжение, обладающее статистическими свойствами исходного цифрового шума ГПСЧ 2. Указанное шумовое напряжение поступает на буферный каскад 9, с помощью которого приводится к заданному уровню и одновременно освобождается от связанных со ступеньками высокочастотных составляющих спектра.

Сформированное в суммирующем узле 8 напряжение поступает также на вход преобразователя 10 эффективного значения напряжения, уровень которого сравнивается далее в компараторе 11 с опорным напряжением на зажиме 12. Импульсные сигналы компаратора 11 сглаживаются фильтром 13 нижних частот и поступают на объединенные вторые входы управляемых генераторов 3…7 тока, корректируя их токи в направлении компенсации выявленного компаратором 11 рассогласования. В результате действия такой цепи отрицательной обратной связи уровень шума в суммирующем узле 8 поддерживается неизменным, что позволяет регламентировать интенсивность шума на выходе буферного блока 9 в единицах эффективного значения напряжения.

Цитированные источники

1. Бобнев М.П. Генерирование случайных сигналов. - М.: Энергия, 1971.

2. Патент США 3749381, МПК H03B 29/00. Wideband digital pseudo-gaussian noise generator. / James R. Young. - №745155; заявл. 17.01.1985; опубл. 14.10.1986.

3. Патент США 4296384, МПК H03B 29/00. Noise generator. / Toshio Mishima. - №76083; заявл. 17.09.1979; опубл. 20.10.1981.

4. Патент США 5243303, МПК H03B 29/00. Pseudo-random noise signal generator. / Yasumoto Murata et al. - №826937; заявл. 29.01.1992; опубл. 7.09.1993.

5. Патент США 4855944, МПК G06V 1/00. Noise generator with shaped spectrum. / Billy D. Hart. - №94250; заявл. 4.09.1987; опубл. 8.08.1989.

6. Корн Г. Моделирование случайных процессов на аналоговых и аналого-цифровых машинах. - М.: Мир, 1968.

7. Патент РФ №2133552, МПК H03K 5/159. Генератор импульсов с нормированным фазовым шумом. / №98107484/09; заявл. 24.04.1998; опубл. 20.07.1999.

8. Патент РФ №2303852, МПК H03K 5/156. Имитатор джиттера. / Чулков В.А. - №2005111473/09; заявл. 18.04.2005; опубл. 27.07.2007.

Цифроаналоговый генератор шума, содержащий тактируемый опорным генератором генератор псевдослучайных чисел и узел суммирования, отличающийся тем, что в него введены множество управляемых генераторов тока, первые входы которых присоединены к соответствующим разрядным выходам генератора псевдослучайных чисел, а выходы - к узлу суммирования, выходному буферному блоку и входу преобразователя эффективного значения напряжения, а также компаратор, выходом соединенный через фильтр с объединенными вторыми входами всех управляемых генераторов тока, первым входом - с зажимом опорного напряжения, а вторым входом - с выходом преобразователя эффективного значения напряжения.



 

Похожие патенты:

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.

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.

Группа изобретений относится к области радиотехники и электроники и может быть использована для радиотехнической маскировки побочных электромагнитных излучений.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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

Изобретение относится к электронным схемам и может быть использовано для генерирования шумового напряжения с заданными статистическими характеристиками. Технический результат: повышение точности воспроизведения статистических характеристик шума, расширение его энергетического спектра. Цифроаналоговый генератор шума содержит тактируемый опорным генератором генератор псевдослучайных чисел , узел суммирования, множество управляемых генераторов тока, выходной буферный блок, преобразователь эффективного значения напряжения, компаратор, фильтр . 2 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в качестве источника хаотических электромагнитных колебаний. Технический результат заключается в обеспечении генерирования хаотического сигнала, содержащего чередующиеся хаотические колебания двух различных типов - нерегулярно повторяющиеся короткие импульсы со случайной амплитудой и фазой и перемежающиеся с ними цуги затухающих высокочастотных осцилляций, имеющие случайную фазу и продолжительность. Генератор хаотических колебаний содержит первый и второй двухполюсные элементы с емкостным сопротивлением, двухполюсный элемент с индуктивным сопротивлением, резистор, нелинейный преобразователь импеданса и линейное устройство с отрицательным сопротивлением. 7 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в радиолокации и гидролокации, в измерительной технике, в системах связи, а также для формирования тестовых и маскирующих сигналов в аудиометрии. Техническим результатом изобретения является формирование произвольной амплитудно-частотной характеристики выходного сигнала. Цифровой синтезатор шумовых сигналов содержит датчик длины псевдослучайной последовательности 1, датчик кода начальной частоты 2, блок сумматоров 3 по модулю два, первый 4 и второй 7 коммутаторы, регистр сдвига 5, преобразователь кодов 6, первый 11 и второй 8 блоки вычисления амплитуды, блок вычисления фазы 9, генератор тактовых импульсов 10, перемножитель 12, цифроаналоговый преобразователь 13 и фильтр нижних частот 14, а также необходимые связи между ними. 1 н.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в качестве источника гиперхаотических электромагнитных колебаний. Достигаемый технический результат - расширение возможностей видоизменения хаотического аттрактора при работе генератора в гиперхаотическом режиме. Генератор хаотических колебаний содержит первый и второй двухполюсные элементы с емкостным сопротивлением, первый и второй двухполюсные элементы с индуктивным сопротивлением, резистор, нелинейный преобразователь напряжение-ток и устройство с отрицательным сопротивлением. 1 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение может быть использовано в радиоизмерительной и имитационной аппаратуре, предназначенной, в частности, для определения коэффициента шума различных устройств и их калибровки. Устройство содержит блок съема выходного сигнала (1), связанный с цепью источника электропитания (2), подсоединенной к узлу коммутации (3), работающему в режиме случайного замыкания его электродов. Узел коммутации (3) состоит из двух электродов (4 и 5), входящих в процессе работы в контакт с токопроводящим слоем принудительно перемещающейся металлизированной пленки (6). Первый электрод (4) выполнен в виде ролика, свободно вращающегося вокруг своей оси, а второй электрод (5) - в виде точечного контактора. Генерирование выходных сигналов происходит за счет коммутации источника электропитания постоянного либо переменного тока (2) электродами узла коммутации (3). При подаче напряжения на электроды (4 и 5) происходит замыкание цепи через металлизированный слой пленки. Из-за разницы площадей контакта электродов с поверхностью пленки плотность тока вблизи точечного контакта второго электрода ( 5) во много раз больше плотности тока вблизи первого электрода. При достижении плотности тока значения, превышающего критическое, происходит искровой пробой токопроводящего слоя пленки, следствием чего является мгновенное размыкание цепи. Из-за объективно имеющей место неравномерности толщины токопроводящего слоя пленки очаги его разрушения возникают в хаотично расположенных участках с минимальной толщиной. Технический результат - повышение эффекта стохастичности частотных характеристик электромагнитного излучения и увеличение ширины полосы излучаемых частот. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Наверх