ГЕНЕРАТОР ХАОТИЧЕСКОГО СИГНАЛА С ПОСТОЯННОЙ АМПЛИТУДОЙ (ВАРИАНТЫ)
GENERATOR OF CHAOTIC SIGNAL WITH PERMANENT AMPLITUDE (VERSIONS)

Изобретение относится к области радиоэлектроники, а более конкретно к устройствам и способам генерации хаотического сигнала, и может использоваться при конструировании приемопередающих устройств.
Наиболее распространенным является метод генерации хаотического сигнала с постоянной амплитудой (фазового хаоса), при этом суть метода заключается в преобразовании амплитудного хаоса. На вход ГУНа (генератора, управляемого напряжением) подается сигнал с хаотической амплитудой, на выходе генерируются хаотические колебания с постоянной амплитудой и хаотически меняющейся фазой. В этом случае необходимо иметь источник колебаний с хаотической амплитудой.
Другое решение заключается в использовании цепи ФАЛ (фазовой автоподстройки) с нелинейным элементом. Громоздкость ФАЛ является основным недостатком, ограничивающим широкое использование таких схем.
Третье решение - цифровые методы генерации. Их недостаток - низкая частота генерируемого сигнала.
Наиболее близким аналогом настоящего изобретения является решение, известное из патента RU 2307451 [1] "Устройство и способ для генерации хаотического сигнала с постоянной амплитудой", которое было выбрано в качестве прототипа.
В указанном патенте предложено устройство хаотического сигнала с постоянной амплитудой (см. Фиг.1), которое содержит массив генераторов сигнала треугольной формы (ГСТФ), сформированный из n индивидуальных ГСТФ, где n больше единиц; сумматор сигналов; регулятор амплитуды суммарного сигнала; регулятор среднего значения сигнала, обеспечивающего возможность управления средней частотой; синусоидальный ГУН. Способ получения хаотического сигнала с постоянной амплитудой, раскрытый в [1], характеризуется следующими операциями: генерируют совокупность сигналов треугольной формы с симметричными передним и задним фронтами; суммируют эту совокупность сигналов в единый композитный сигнал, состоящий из участков с линейным изменением напряжения; устанавливают требуемую амплитуду композитного сигнала путем приложения управляющего напряжения; устанавливают среднее значение частоты композитного сигнала путем приложения управляющего напряжения; с помощью полученного композитного сигнала осуществляют хаотическое изменение частоты синусоидального ГУН.
Задача, решаемая настоящим изобретением, заключается в создании упрощенной конструкции устройства для генерации хаотического сигнала с постоянной амплитудой, способного эффективно функционировать в разных диапазонах частот.
Технический результат (в первом варианте) достигается за счет разработки устройства генерации хаотического сигнала с постоянной амплитудой, состоящего из двух генераторов; тактируемого усилителя считывания, производящего выходные сигналы в кодировке «с возвратом к нулю»; логического элемента ИЛИ; по меньшей мере, двух инверторов, при этом выходы генераторов подключены к входам усилителя считывания, два выхода усилителя считывания подключены к входам логического элемента ИЛИ, который подключен к входу первого инвертора, выход которого через, по меньшей мере, один дополнительный инвертор подключен к входу синхроимпульса усилителя считывания, а выход первого инвертора подключен к выходной цепи.
По сравнению с прототипом [1], в схеме настоящего изобретения используются только один относительно сложный компонент, такой как усилитель считывания. Ни к чувствительности усилителя, ни к его скорости срабатывания не предъявляется высоких требований. Входные генераторы (осцилляторы), содержащиеся в предлагаемой схеме, обладают высоким уровнем фазовых шумов.
Для функционирования устройства имеет смысл, чтобы длительность периода генераторов была гораздо ниже, чем задержка выхода усилителя считывания.
Устройство генерации хаотического сигнала в одной из реализаций первого варианта дополнительно содержит фильтры, выполненные с возможностью обеспечения необходимой спектральной полосы выходного сигнала.
При реализации устройства по первому варианту имеет смысл выполнять генераторы в виде кольцевых генераторов.
Также при реализации устройства по первому варианту имеет смысл, чтобы генераторы представляли собой генераторы синусоидального напряжения одинаковой частоты и амплитуды.
Согласно другой реализации первого варианта генераторы представляют собой генераторы синусоидального напряжения разной частоты.
Технический результат достигается также за счет разработки второго варианта устройства генерации хаотического сигнала с постоянной амплитудой, состоящего из одного генератора, выполненного с возможностью снимать два сигнала со сдвигом по фазе относительно один другого; тактируемого усилителя считывания, производящего выходные сигналы в кодировке «с возвратом к нулю»; логического элемента ИЛИ; по меньшей мере, двух инверторов, при этом выходы генератора подключены к входам усилителя считывания, два выхода усилителя считывания подключены к входам логического элемента ИЛИ, который подключен к входу первого инвертора, выход которого через, по меньшей мере, один дополнительный инвертор подключен к входу синхроимпульса усилителя считывания, выход первого инвертора подключен к выходной цепи.
Заявленное по второму варианту устройство может дополнительно содержать фильтры для обеспечения необходимой спектральной полосы выходного сигнала.
Согласно другой реализации второго варианта устройства генерации хаотического сигнала генератор может представлять собой кольцевой генератор на инверторах.
Для лучшего понимания заявленного изобретения далее приводится его подробное описание с соответствующими чертежами.
Фиг.1. Прототип.
Фиг.2. Схема заявляемого устройства для генерации хаотического сигнала по первому варианту.
Фиг.3. Временная диаграмма усилителя считывания.
Фиг.4. Выходной спектр устройства для генерации хаотического сигнала.
Фиг.5. Схема заявляемого устройства для генерации хаотического сигнала по второму варианту.
Заявляемое по первому варианту устройство для генерации хаотического сигнала (Фиг.2) состоит из тактируемого усилителя 1 считывания, двух генераторов (осцилляторов) 2.1 и 2.2, логического элемента 3 ИЛИ, по меньшей мере, двух инверторов или буферов 4.1 и 4.2 и выходной цепи 5.
Усилитель 1 считывания должен удовлетворять следующему условию: он должен производить выходные сигналы в кодировке «с возвратом к нулю». Такие усилители считывания широко известны из уровня техники (например, усилитель считывания, раскрытый в патенте США 5,668,765) [2]. В заявляемом изобретении имеет смысл использовать, например, зарядовый усилитель считывания (см. Дунаева М.А. Новый зарядовый усилитель считывания // Радиолокация и связь. - 2010. - №10 - С.81-86) [3]. Его временные диаграммы представлены на Фиг.3. Задержка выходного сигнала усилителя считывания обратно пропорционально зависит от разности напряжений входных сигналов.
Входные генераторы 2.1 и 2.2 должны удовлетворять следующему условию. Длительность периода генераторов 2.1 и 2.2 должна быть существенно меньше, чем задержка выходного сигнала усилителя 1 считывания (задержка от строба синхроимпульса до переключения выходного сигнала). Генераторы 2.1 и 2.2 могут обладать высоким уровнем фазового шума. Согласно одной из реализации генераторы 2.1 и 2.2 могут быть одинаковой частоты. В общем случае частоты генераторов 2.1 и 2.2 различные.
Выходы генераторов 2.1 и 2.2 соединяются с двумя соответствующими входами усилителя 1 считывания.
Два выхода усилителя 1 считывания подключены к соответствующим входам логического элемента 3 ИЛИ. Выход логического элемента 3 ИЛИ подключен к входу первого инвертора 4.1, выход которого через, по меньшей мере, один дополнительный инвертор 4.2 подключен к входу синхроимпульса усилителя 1 считывания. Выход первого инвертора 4.1 подсоединен к выходной цепи. Инверторы 4.1 и 4.2 предназначены для усиления сигнала после логического элемента 3 ИЛИ.
Большая разность напряжений входных сигналов усилителя 1 считывания приводит к меньшей задержке выходного сигнала. Меньшая разность напряжений входных сигналов усилителя ведет к большей задержке срабатывания 1 усилителя. Разница между самой низкой и самой большой задержкой больше, чем период входного генератора. Другими словами, незначительные ошибки фазы высокочастотного входного сигнала приводят к хаотическим колебаниям на выходе системы.
Цепи обратной связи и выход устройства для генерации хаотического сигнала могут дополнительно содержать фильтры для обеспечения необходимой спектральной полосы выходного сигнала.
Работа устройства для генерации хаотического сигнала основана на нелинейной зависимости задержки выходного сигнала зарядового 1 усилителя считывания от дифференциального сигнала на входах. Схема устройства для генерации хаотического сигнала состоит из усилителя 1 считывания, логического элемента 3 ИЛИ, двух кольцевых генераторов 2.1 и 2.2. Выходные сигналы усилителя 1 считывания работают в противофазе во время фазы считывания, во время инициализации на обоих выходах устанавливается нулевое значение (Фиг.3). То есть результат логического сложения выходных сигналов может использоваться в качестве синхроимпульса усилителя 1 считывания.
Время, за которое дифференциальное напряжение в узлах усилителя достигает напряжения полного перепада, обратно пропорционально дифференциальному напряжению на входах усилителя считывания:
вх
где А и В - постоянные, δ - дифференциальное напряжение на входах усилителя считывания, V - амплитуда входного сигнала. V - значение напряжения на одном из входов усилителя считывания.
1
2
Пусть на входы усилителя 1 считывания подается напряжение с генераторов 2.1 и 2.2 синусоидального напряжения одинаковой частоты и амплитуды. Моментальная фаза первого генератора 2.1 складывается из линейно изменяющегося со временем слагаемого ω·t, где ω - частота генератора, t - время слабо меняющегося со временем слагаемого φ. Моментальная фаза второго генератора 2б - ω·t+φ.
Тогда дифференциальное напряжение на входах усилителя 1 считывания равно:
,
Подставим выражение (2) в (1):
Теперь обратимся к системе, изображенной на Фиг.3. Выходные сигналы с усилителя 1 считывания собираются по ИЛИ, и через некоторую задержку Т подаются на вход синхроимпульса усилителя считывания. То есть период получившегося цикла равен: Т+τ.
Учитывая, что сравнение входных напряжений усилителем 1 считывания происходит только по отрицательному фронту синхроимпульса, то для периода цикла будем иметь:
0
где Т - константа.
Можно показать, что рекурсивное выражение (3) описывает процесс, который при определенных, реализуемых на практике параметрах является хаотическим.
Выходной спектр устройства для генерации хаотического сигнала представлен на Фиг.4.
Согласно второму варианту выполнения заявленного изобретения (Фиг.5), вместо двух генераторов одинаковой частоты может быть использован или один генератор с фазовращателем, или генератор (обозначен позицией 2 на Фиг.5) с конструктивной возможностью снимать два сигнала со сдвигом по фазе относительно один другого (например, кольцевой генератор на инверторах Граф Р.Ф., Шиите В. Энциклопедия электронных схем. Т.7. Часть II. - М. Наука.: 2000. 407 с.) [4].
Предпочтительный вариант реализации заявляемого изобретения выполняется на основе КМОП (комплементарной логики на транзисторах металл-оксид-полупроводник).
В заявляемом устройстве может быть использован любой усилитель, удовлетворяющий следующим условиям: он должен производить выходные сигналы в кодировке «с возвратом к нулю». Задержка выхода усилителя должна зависеть от разности напряжений входных сигналов.
Заявляемое изобретение может быть использовано в системах беспроводной передачи данных, в системах кодирования данных.