Устройство для генерирования случайного сигнала с фрактальными свойствами
DEVICE FOR GENERATING RANDOM SIGNAL WITH FRACTAL PROPERTIES

Область техники
Изобретение относится к радиотехнике и предназначено для использования как в радиоизмерительной технике при моделировании различных радиоэлектронных систем и проведении высокоточных измерений малых значений физических величин, так и в радиосистемах различного назначения в качестве опорного генератора случайного сигнала, обладающего фрактальным характером распределения вероятностных свойств, в том числе в фрактальной радиоэлектронике, фрактальных системах связи, компьютерной технике, локации и т.д.
Цель изобретения - генерирование случайного сигнала с регулируемыми фрактальной размерностью и уровнем.
Поставленная цель достигается использованием в качестве источника электрического сигнала обратносмещенного перехода светодиода видимого излучения, свойства вероятностного распределения электрического сигнала которого изменяются регулированием значения напряжения, подаваемого на катод светодиода, при этом выходная величина сигнала всего устройства регулируется введенным регулятором уровня, для чего в качестве источника электрического сигнала используется источник фрактального сигнала, состоящий из светодиода видимого излучения, к катоду которого подключен регулируемый прецизионный источник постоянного напряжения, а к аноду - нагрузочный резистор, выходом источника фрактального сигнала является анод светодиода, к тому же между предварительным и главным усилителями вводится переменный резистор, своими постоянными выводами подключенный между выходом предварительного усилителя и общим проводом, а движком - к входу главного усилителя.
Описание аналогов
n
n
n
n
0
0
-1
n-1
n-1
Известен генератор фрактального сигнала, относящийся к области прикладной физики и предназначенный для разработки тестовых генераторов в метрологии фрактальных сигналов [1]. Генератор содержит N делителей частоты (где N>2), генератор сигнала типа "меандр" с коэффициентом заполнения 0,5, N полосовых фильтров, N усилителей, сумматор сигналов, при этом выход генератора сигнала типа "меандр" соединен с входами делителей частоты, выход каждого из которых через соответствующий полосовой фильтр соединен со входом соответствующего усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, выход которого соединен с соответствующим входом аналогового сумматора сигналов, причем коэффициенты деления β делителей частоты установлены в соответствии с выражением β=Aq, где n=1, 2, …, N; А - постоянная величина, А>1; q - постоянная величина, q>1. Центральная частота f полосовых фильтров удовлетворяет выражению f=Af, где f - частота генератора сигнала типа "меандр". Генератор вырабатывает сигнал в виде функции Вейерштрасса с заданной размерностью Хаусдорфа-Безиковича из диапазона 1<D<2.
К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата, относится то, что известный генератор сложен в реализации и эксплуатации, так как содержит многочисленные аналоговые блоки, а также генератор сигнала типа «меандр» и сумматор, требующие применения прецизионных радиокомпонентов и тщательной настройки.
Описание прототипа
Наиболее близким решением того же назначения по совокупности признаков является фотоприемное устройство с прямым детектированием, предназначенное для использования в волоконно-оптических системах передачи [2, с. 11-13, рис. 1.1]. Устройство содержит последовательно соединенные источник электрического сигнала, предварительный усилитель, главный усилитель и корректирующий фильтр.
Критика прототипа
К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, относится то, что устройство предназначено лишь для преобразования оптического сигнала в электрический и не обладает способностью генерировать сигнал с фрактальными свойствами.
Сущность изобретения
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в генерировании случайного сигнала с регулируемыми фрактальной размерностью и уровнем.
Указанная задача решается за счет достижения при осуществлении изобретения технического результата, который заключается в использовании в качестве источника электрического сигнала обратносмещенного перехода светодиода видимого излучения, свойства вероятностного распределения электрического сигнала которого изменяются регулированием значения напряжения, подаваемого на катод светодиода, при этом выходная величина сигнала всего устройства регулируется введенным регулятором уровня.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в качестве источника электрического сигнала используется источник фрактального сигнала, состоящий из светодиода видимого излучения, к катоду которого подключен регулируемый прецизионный источник постоянного напряжения, а к аноду - нагрузочный резистор, выходом источника фрактального сигнала является анод светодиода, к тому же между предварительным и главным усилителями вводится переменный резистор, своими постоянными выводами подключенный между выходом предварительного усилителя и общим проводом, а движком - к входу главного усилителя.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, позволил установить, что заявителем не обнаружены аналоги, характеризующиеся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, а определение из числа выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков, позволило определить совокупность существенных по отношению к техническому результату признаков в заявленном устройстве, изложенном в формуле изобретения.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «новизна» действующего законодательства.
Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию изобретательского уровня, заявителем проведен дополнительный поиск известных решений, с целью выявления признаков, совпадающих с признаками, отличительными от прототипа, результаты которого показали, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «изобретательский уровень» действующего законодательства.
Перечень чертежей
На фигуре представлена структурная схема устройства, реализующего предлагаемое изобретение, где 1 - источник фрактального сигнала; 2 - регулируемый прецизионный источник постоянного напряжения, 3 - светодиод; 4 - нагрузочный резистор, 5 - предварительный усилитель; 6 - переменный резистор; 7 - главный усилитель; 8 - корректирующий фильтр.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением указанного технического результата, заключаются в следующем.
В настоящее время, с развитием электронных технологий, появилась возможность формировать и передавать по кабелям или эфиру сигналы малой длительности, имеющие сложную временную зависимость, в том числе фрактальные сигналы. Фрактальные сигналы нашли широкое и разнообразное применение, что, в свою очередь, вызвало необходимость создания устройств, генерирующих фрактальные сигналы с регулируемыми вероятностными характеристиками.
По определению, фрактальными сигналами являются сигналы, спектры которых или временные реализации имеют самоподобную структуру, характеристики которой задаются множеством Кантора и повторяются для разных временных или частотных масштабов.
Светодиод, как и любой p-n-переход, пропускает ток в прямом направлении, а в случае приложения к нему обратного напряжения может перейти в режим пробоя. Для выявления фрактальности сигнала обратно смещенного светодиода была разработана и реализована измерительная установка. Авторами были проведены исследования с привлечением промышленно изготовленных светодиодов, сигнал которых обрабатывался с помощью компьютерного моделирования в среде MatLab.
Эксперименты выявили, что в большинстве светодиодов реализуется лавинный пробой, причем микроплазменного характера. Чаще всего пробой начинается вблизи дефектов кристалла - дислокаций, включений второй фазы, неоднородностей распределения легирующих примесей. Вблизи дислокации имеются области сжатия и расширения кристаллической решетки, что влияет на ширину запрещенной зоны. Кроме того, дислокации имеют свойство окружать себя примесями. Из-за этого концентрация примесей вблизи дислокации выше, а толщина обедненной области меньше, чем в «бездефектной» части кристалла. Это приводит к локальному уменьшению напряжения пробоя. Такие локальные области пробоя получили название микроплазм. Ток, протекающий через каждую микроплазму, носит характер коротких импульсов. Отдельные импульсы образуют «пачки» или «пакеты», появляющиеся и исчезающие в случайные моменты времени
Наиболее интересный режим - это режим, когда резкое увеличение тока и переход в насыщение еще не произошли, но через p-n-переход уже протекает небольшой ток в виде импульсов. С дальнейшим увеличением напряжения амплитуда импульсов практически не растет, но увеличивается длительность импульсов, и сокращаются паузы между ними. Это продолжается до тех пор, пока через светодиод не начинает течь практически постоянный ток [3].
До установления постоянного тока наблюдается микроплазменный шум. Шум этот имеет фрактальный характер: образованные множественными короткими импульсами «пачки» повторяют структуру отдельных импульсов. Это самоподобный (или самоаффинный) сигнал, а его размерность является дробной.
Особенностями микроплазменного шума являются наличие различных пауз между импульсами и длительности самих импульсов и фрактальный характер: «пачки» импульсов образованы множеством сходных по временной структуре отдельных импульсов.
Микроплазменный шум активно используется при создании генераторов шума в полосе частот до нескольких мегагерц. К тому же он может являться основой для создания физического генератора случайных сигналов с фрактальными свойствами. Основное преимущество такого генератора состоит в том, что образование и рассасывание микроплазм - подлинно случайный процесс.
В качестве критерия оценки фрактальности исследуемого временного ряда осциллограммы сигнала было выбрано вычисление фрактальной размерности D, которая определяется как отношение меры к размеру и рассчитывается по формуле
Таким образом, проведенные экспериментальные и теоретические исследования выявили, что светодиод, включенный в обратном направлении, является источником микроплазменного шума, обладающего фрактальными свойствами, а значит такой светодиод можно использовать в качестве источника сигнала в электронном генераторе фрактального сигнала. Причем фрактальная размерность D такого сигнала может меняться в зависимости от приложенного к его катоду постоянного напряжения. Более того, были определены кривые зависимости фрактальной размерности D от величины приложенного к светодиоду постоянного напряжения.
Структура предлагаемого устройства (фиг. 1) может быть разбита на несколько блоков. В более компактном виде генератор представляет собой источник фрактального сигнала и высокочувствительный, малошумящий усилитель, который содержит предварительный усилитель и главный усилитель, между которыми помещен регулятор уровня.
Источник 1 фрактального сигнала содержит источник 2 регулируемого прецизионного постоянного напряжения, положительное напряжение которого подается на катод светодиода 3, обеспечивая обратное смещение его p-n-перехода. Нагрузочный резистор 4 с сопротивлением много меньше выходного сопротивления обратно смещенного перехода светодиода обеспечивает работу светодиода 3 в режиме источника неизменного тока. Величину сопротивления нагрузочного резистора можно принять равной 1 кОм. Регулирование величины напряжения источника 2 позволяет изменять величину фрактальной размерности D сигнала.
Входным сигналом предварительного усилителя 5 является напряжение, образованное на резисторе 4 при прохождении тока, протекающего через обратно смещенный р-n-переход светодиода 3. Большое входное сопротивление предварительного усилителя 5 обеспечивает согласование с источником 1 фрактального сигнала для получения эффективной передачи энергии сигнала и высокого значения отношения сигнал/шум всего устройства. Так, например, входной каскад предварительного усилителя может быть выполнен по схеме эмиттерного повторителя.
Шумовые свойства предварительного усилителя 5 зависят от многих факторов: схемы реализации, внутреннего сопротивления источника сигнала, рабочей полосы частот, типа используемых в усилителе транзисторов, коэффициента шума транзистора первого каскада, выбора его рабочей точки, технологии изготовления. Для требуемого частотного диапазона шумовые параметры биполярного и полевого транзистора соизмеримы. При выборе типа транзисторов, используемых в схемах, следует предпочесть транзисторы малошумящие, высокочастотные.
В качестве регулятора уровня используется переменный резистор 6.
Главный усилитель 7 осуществляет усиление и понижение выходного сопротивления генератора, необходимое для работы устройства с внешними нагрузками. Выходной каскад усилителя 7 может быть выполнен по схеме эмиттерного повторителя. Корректирующий фильтр 8 компенсирует возникающие частотные искажения и может входить в схему главного усилителя 7.
Подготовка к работе предлагаемого устройства заключается в строгой установке требуемого значения выходного сигнала регулируемого прецизионного источника 1 постоянного напряжения, подаваемого на катод светодиода, что повлечет за собой установку желаемой величины фрактальной размерности D. При этом с помощью регулятора 6 уровня следует выставить на выходе устройства необходимое значение напряжения.
Заявляемое устройство простое в реализации и предоставляет возможность перехода к генерированию электрического сигнала с особыми вероятностными свойствами, носящими фрактальный характер.
Выше изложенное свидетельствует о том, что конкретизацией структуры источника фрактального сигнала и введением регулятора уровня сигнала достигается возможность генерирования случайного сигнала с регулируемыми фрактальной размерностью и уровнем.
Таким образом, указанные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующих условий:
- устройство, воплощающие заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для использования как в радиоизмерительной технике при моделировании различных радиоэлектронных систем и проведении высокоточных измерений малых значений физических величин, так и в радиосистемах различного назначения в качестве опорного генератора случайного сигнала, обладающего фрактальным характером распределения вероятностных свойств, в том числе в фрактальной радиоэлектронике, фрактальных системах связи, компьютерной технике, локации и т.д.;
- для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле, подтверждена возможность его осуществления с помощью выше описанных в заявке или известных до даты приоритета средств;
- устройство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение указанного технического результата.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «промышленная применимость» по действующему законодательству.
Литература
1. Патент на изобретение №2168848 РФ, МПК Н03В 29/00 (2006.01). Генератор фрактального сигнала / Кубасов Ю.Б., Макарова Н.Н., Дубинов А.Е.; заявитель и патентообладатель Российский федеральный ядерный центр - ВНИИ экспериментальной физики; Министерство РФ по атомной энергии. - №99118601/09, 27.08.1999. Опубл. 10.06.2001 (аналог).
2. Шевцов Э.А., Белкин М.Е. Фотоприемные устройства волоконно-оптических систем передачи [Текст]. - М.: Радио и связь, 1992. - 226 с. (с. 11-13, рис. 1.1 - прототип).
3. Скворцов Н.Н., Шашкина А.С. Самоорганизация лавинного пробоя в светодиодах. // Труды Восьмой Всероссийской конференции «Необратимые процессы в природе и технике». МГТУ им. Н.Э. Баумана, 27-29 января Москва, ч. II, с. 46-48.