ЦИФРОАНАЛОГОВЫЙ ГЕНЕРАТОР ШУМА

Название	ЦИФРОАНАЛОГОВЫЙ ГЕНЕРАТОР ШУМА
Разработчик (Авторы)	Чулков Валерий Александрович
Вид объекта патентного права	Изобретение
Регистрационный номер	2559719
Дата регистрации	10.08.2015
Правообладатель	Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенский государственный технологический университет"
Область применения (класс МПК)	H03B 29/00 (2006.01)

Описание изобретения

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 u∑ - напряжение в суммирующем узле 8, а Т - 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 ГПСЧ 2, который генерирует псевдослучайную последовательность максимальной длины общей продолжительностью

где n - число разрядов сдвигающего регистра 14 в ГПСЧ 2, fo - 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 тип точность воспроизведения шумовых характеристик возрастает. В частности, параметр n определяет границы энергетического спектра шума, который простирается от fo/(2n-1) до fo.

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.

Источники информации

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

2. Патент США 3749381, МПК Н03В 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 Н03В 29/00. Noise generator / Toshio Mishima. - №76083; заявл. 17.09.1979; опубл. 20.10.1981.

4. Патент США 5243303, МПК Н03В 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 Н03К 5/159. Генератор импульсов с нормированным фазовым шумом / №98107484/09; заявл. 24.04.1998; опубл. 20.07.1999.

8. Патент РФ №2303852, МПК Н03К 5/156. Имитатор джиттера / Чулков В.А. - №2005111473/09; заявл. 18.04.2005; опубл. 27.07.2007.

Формула изобретения

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.

Изобретение "ЦИФРОАНАЛОГОВЫЙ ГЕНЕРАТОР ШУМА" (Чулков Валерий Александрович) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога