ЦИФРОАНАЛОГОВЫЙ ГЕНЕРАТОР ШУМА
DIGITAL-TO-ANALOGUE NOISE GENERATOR

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
o
o
o
n
где n - число разрядов сдвигающего регистра 14 в ГПСЧ 2, f - 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 f/(2-1) до f.
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.