МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ФОРМИРОВАТЕЛЬ ШУМОВОГО СИГНАЛА

Предлагаемая полезная модель относится к технике формирования радиосигналов и может быть использована при разработке и модернизации генераторов шума для маскирования побочных электромагнитных излучений и наводок (ПЭМИН), излучаемых техническими средствами обработки информации; станций помех линиям радиосвязи.
Известен генератор шума (Авторское свидетельство СССР на изобретение № 1123088 SU, МПК H03 B 29/00, Гиннятуллин Ф.А., Марченко Ю.Ф., опубл. 07 ноября 1984 г. Бюл. № 41), включающее полупроводниковый шумовой диод, первый и второй конденсаторы, резистор и транзисторный усилитель. Анод шумового диода соединен с первыми выводами первого и второго конденсаторов и вторым выводом резистора. Первый вывод резистора соединен с шиной источника отрицательного напряжения питания. Катод шумового диода и второй вывод первого конденсатора соединены с общей шиной. Второй вывод второго конденсатора соединен с входом усилителя. Усилитель подключен к шине источника отрицательного напряжения питания и общей шине. Выход усилителя является выходом устройства.
Признаками аналога, совпадающими с признаками заявляемого технического решения, является наличие первого и второго конденсаторов и резистора, где первый вывод первого конденсатора и второй вывод резистора соединены между собой, второй вывод первого конденсатора соединен с общей шиной, а первый вывод резистора соединен с шиной источника напряжения питания.
К недостаткам аналога можно отнести следующее. Генератор шума имеет один канал формирования шумового сигнала. Для построения многоканального генератора шума, обеспечивающего хорошую электромагнитную совместимость с другими устройствами, необходимо использовать N подобных генераторов шума, что приведет к неоправданно высокой потребляемой мощности многоканальным генератором шума. Кроме этого в генераторе шума второй конденсатор включен параллельно шумовому диоду. Этот конденсатор совместно с резистором образуют фильтр нижних частот, наличие которого приводит к подавлению высокочастотных спектральных составляющих шумового сигнала, что также ограничивает вожможности данного генератора шума по подавлению побочных электромагнитных излучений и наводок технических средств формирования, хранения и передачи информационных сигналов.
Известно устройство генерации шума (Авторское свидетельство СССР на изобретение № 1607073 SU, МПК H03 B 29/00, Архипова У.И., Баширова А.Г., Колин С.Е., Упецкий Я.С., опубл. 15 ноября 1990 г. Бюл. № 42), включающее N самостоятельных генераторов белого шума, N катушек индуктивности и N конденсаторов. Катушки индуктивности и конденсаторы, путем соединения первых выводов катушек индуктивности и первых выводов конденсаторов, образуют N последовательных колебательных контуров. Вторые выводы с первой до N-й катушек индуктивности соединены с выходами с первого до N-го генераторов шума. Вторые выводы конденсаторов с первого до N-го соединены с первым выводом резистора и образуют выход устройства. Второй вывод резистора соединен с общей шиной. Каждый из N генераторов шума на выходе формирует белый шум, который располагается в широком диапазоне частот. Наличие последовательных колебательных контуров, соединенных с выходами генераторов шума, в соответствии с их избирательностью, позволяет выделить спектральные составляющие шумового сигнала в заданной полосе частот. Далее эти спектральные составляющие шумовых сигналов суммируются, образуя шумовой сигнал на выходе устройства. Подобный подход позволяет обеспечить управление уровнями напряжений в заданных полосах частот, определяемых избирательностью колебательных контуров.
Признаками аналога, совпадающими с признаками заявляемого технического решения, является наличие N катушек индуктивности, N конденсаторов и резистора, где первые выводы каждого из N конденсаторов соединены с первыми выводами каждой из N катушек индуктивности соответственно.
К недостаткам аналога можно отнести следующее. Кождый из N генераторов шума формирует широкополосный шумовой сигнал, что приводит к неоправданно высокой потребляемой мощности устройством генерации шума с целью получения необходимой интенсивности спектральной плотности амплитуд шумового сигнала в диапазонах частот, определяемых избирательностями N последовательных колебательных контуров.
Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство радиомаскировки (Патент РФ № 2224376, МПК H03B 29/00, H04K 3/00, Безруков В.А., Иванов В.П., Лебедев М.Н., опубл. 20.02.2004). Это устройство имеет N буферных каскадов, на входы которых через разветвитель поступает шумовой сигнал с выхода генератора шума. Каждый буферный каскад имеет один транзистор n-p-n-типа, первый, второй и третий резисторы и первый, второй, третий и четвертый конденсаторы. Всего имеется N транзисторов, 3N резисторов и 4N конденсатаров. В каждом буферном каскаде второй вывод первого резистора, первый вывод второго резистора и второй вывод первого конденсатора соединены с базой транзистора. Первый вывод первого конденсатора соединен с выходом разветвителя. Коллектор транзистора соединен с вторым выводом второго конденсатора и является выходом устройства, шумовой сигнал с которого подается на излучатель. Первые выводы первого резистора, второго конденсатора и второй вывод четвертого конденсатора соединены с общей шиной. Первые выводы третьего резистора и третьего конденсатора соединены с эмиттером транзистора. Вторые выводы второго и третьего резисторов, и третьего конденсатора и первый вывод четвертого конденсатора соединены с шиной источника отрицательного напряжения питания. Каждый из излучателей, на которые подаются шумовые сигналы с выходов буферных каскадов, ориентирован на маскирование побочных электромагнитных излучений и наводок технических средств обработки, хранения и передачи информации. Это может быть эфир, цепи электропитания и заземления, телефония, охранная сигнализация и т. д. Это говорит о том, что на выходах всех буферных каскадов формируются шумовые сигналы в практически в одних и тех же широких частотных диапазонах.
Признаками прототипа, совпадающими с признаками заявляемого технического решения, является наличие N биполярных транзисторов n-p-n-типа, N+2 конденсатора и N+4 резистора, где вторые выводы N конденсаторов соединены с коллекторами N транзисторов, эти узлы соединения являются N выходами устройства, первые выводы N резисторов соединены с эмиттерами N транзисторов, вторые выводы N+1-го и N+2-го резисторов соединены с шиной источника отрицательного напряжения питания, первый вывод N+1-го резистора, второй вывод N+3-го резистора и второй вывод N+1-го конденсатора соединены между собой, первый вывод N+2-го резистора, второй вывод N+4-го резистора и второй вывод N+2-го конденсатора соединены между собой.
Прототипу свойственны следующие недостатки.
8
9
Прототип имеет N буферных каскадов, каждый из которых обеспечивает усиление широкополосного шумового сигнала в диапазоне частот от нескольких килогерц до одного ГГц. При этом каждый буферный каскад ориентирован на подачу шумового сигнала на свой излучатель: одновитковая рамочная антенна и четыре полосковых излучателя на основе связанных линий для наведения шумового сигнала в проводные линии электрических и телефонных сетей, линии пожарной и охранной сигнализации и т.д. Использовать напрямую в адаптивных многоканальных генераторах шума шумовых сигналов с выходов буферных каскадов для формирования шумовых сигналов в заданных более узких полосах частот не представляется возможным без дополнительных компонентных и энергетических затрат. Кроме того, наличие в буферных каскадах прототипа цепей (R и R) задания на постоянном токе напряжения смещения на базы транзисторов приводит к дополнительному потреблению мощности устройством. Так величина дополнительного тока, потребляемого буферными каскадами, будет равна:
к
21∍
где N – число каналов в генераторе шума; Ι– ток коллектора транзистора; h>>1
8
9
– коэффициент передачи базового тока при включении транзистора по схеме с общим эмиттером. Цифра 10 говорит о том, что ток делителя напряжения (R и R) при формировании напряжения смещения на базе транзистора в 10 раз больше тока базы транзистора.
Технический результат многоканального формирователя шумового сигнала заключается в формировании N узкополосных шумовых сигналов в заданных диапазонах частот при сниженном потреблении мощности.
Доказательство наличия причинно-следственной связи между заявляемой совокупностью признаков и достигаемым техническим результатом приводится далее.
Для достижения технического результата в известное устройство дополнительно введены: N катушек индуктивности, N+1-й и N+2-й биполярные транзисторы и источник тока.
1
N
1
N
N+1
N+2
1
N
N+1
N+2
N+3
N+4
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
Технический результат достигается тем, что в многоканальный формирователь шумового сигнала, содержащий N биполярных транзисторов (8, …, 8) n-p-n-типа, N+2 конденсатора (13, …, 13, 2 и 1) и N+4 резистора (9, …, 9, 4, 6, 3 и 5), где вторые выводы N конденсаторов (13, …, 13) соединены с коллекторами N транзисторов (8,…, 8), эти узлы соединения являются N выходами (16, …, 16) устройства, первые выводы N резисторов (9, …, 9) соединены с эмиттерами N транзисторов (8, …, 8), вторые выводы N+1-го 4 и N+2-го 6 резисторов соединены с шиной источника отрицательного напряжения питания 18, первый вывод N+1-го резистора 4, второй вывод N+3-го резистора 3 и второй вывод N+1-го конденсатора 2 соединены между собой, первый вывод N+2-го резистора 6, второй вывод N+4-го резистора 5 и второй вывод N+2-го конденсатора 1 соединены между собой, введены N катушек индуктивности (12, …, 12), N+1 – й 7 и N+2 – й 10 транзисторы n-p-n-типа и источник тока 11, причем первые выводы N конденсаторов (13, …, 13), первые выводы N катушек индуктивности (12, …, 12), коллектор N+1-го транзистора 7, первые выводы N+3-го 3 и N+4-го 5 резисторов соединены с шиной источника положительного напряжения питания 15, вторые выводы N катушек индуктивности (12, …, 12) подключены к узлам соединения вторых выводов N конденсаторов (13, …, 13) и коллекторов N транзисторов (8, …, 8), базы N транзисторов (8, …, 8) подключены к узлу соединения первого вывода N+1-го резистора 4, второго вывода N+3-го резистора 3 и второго вывода N+1-го конденсатора 2, вторые выводы N резисторов (9, …, 9) соединены с коллектором N+2-го транзистора 10, база N+2-го транзистора 10 соединена с общей шиной 17, база N+1-го транзистора 7 подключена к узлу соединения первого вывода N+2-го резистора 6, второго вывода N+4-го резистора 5 и второго вывода N+2-го конденсатора 1, первый вывод N+2-го конденсатора 1 является входом устройства 14, эмиттеры N+1-го 7 и N+2-го 10 транзисторов и первый вывод источника тока 11 соединены между собой, первый вывод N+1-го конденсатора 2 соединен с общей шиной 17, второй вывод источника тока 11 соединен с шиной источника отрицательного напряжения питания 18.
Сущность предлагаемого устройства поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлена схема электрическая принципиальная многоканального формирователя шумового сигнала.
На фиг. 2 представлены диаграммы спектральных составляющих шумового сигнала, сформированного по пяти каналам устройства с разносом центральных частот на 10 МГц.
На фиг. 3 представлены диаграммы спектральных составляющих шумового сигнала, сформированного по пяти каналам устройства с разносом центральных частот на 30 МГц.
Диаграммы, представленные на фиг. 2 и фиг. 3, получены моделированием схемотехнической реализации многоканального формирователя шумового сигнала (фиг. 1). Моделирование выполнено с использованием программы схемотехнического моделирования Micro-Cap 9.
1
N
N+1
N+2
1
N
N+1
N+2
1
N
N+1
N+2
N+3
N+4
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
Многоканальный формирователь шумового сигнала содержит N+2 биполярных транзисторов (8, …, 8, 8, 8) n-p-n-типа, N+2 конденсатора (13, …, 13, 2 и 1), N+4 резистора (9, …, 9, 4, 6, 3 и 5), N катушек индуктивности (12, …, 12) и источник тока 11. Первые выводы N+3-го и N+4-го резисторов, N катушек индуктивности (12, …, 12), N конденсаторов (13 … 13) и коллектор N+1-го транзистора 7 соединены с шиной источника положительного напряжения питания 15. Коллектора N транзисторов (8, …, 8) соединены с вторыми выводами N катушек индуктивности (12, …, 12) и N конденсаторов (13 … 13). Эти узлы соединения являются N выходами устройства (16, …, 16). Эмиттеры N транзисторов (8 … 8) соединены с первыми выводами N резисторов (9, …, 9). Вторые выводы N резисторов (9, …, 9) соединены с коллектором N+2-го транзистора 10. База N+2-го транзистора 10 соединена с общей шиной 17. Второй вывод N+3-го резистора 3, первый вывод N+1-го резистора 4 и второй вывод N+1-го конденсатора 2 соединены с базами N транзисторов (8, …, 8). Второй вывод N+4-го резистора 5, первый вывод N+2-го резистора 6 и второй вывод N+2-го конденсатора 1 соединены с базой N+1-го транзистора 7. Первый вывод N+2-го конденсатора 1 является входом устройства 14. Эмиттеры N+1-го 7 и N+2-го 10 транзисторов соединены с первым выводом источника тока 11. Первый вывод N+1-го конденсатора 2 соединен с общей шиной, вторые выводы N+1-го резистора 4, N+2-го резистора 6 и источника тока 11 соединены с шиной источника отрицательного напряжения питания 18.
Работает многоканальный формирователь шумового сигнала следующим образом.
На постоянном токе делитель напряжения, выполненный на N+2-м 6 и на N+4-м 5 резисторах, устанавливает на базе N+1-го транзистора 7 потенциал близкий к потенциалу общей шины 17. В этом случае ток источника тока 11 будет делиться практически пополам на токи эмиттеров N+1-го 7 и N+2-го 10 транзисторов:
ит
где Ι– ток источника тока.
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
Ток коллектора N+2-го транзистора 10 делится на N токов эмиттеров N транзисторов (8, …, 8). Делитель напряжения, выполненный на N+1-м 4 и N+3-м 3 резисторах, определяет напряжение смещения на базах N транзисторов (8, …, 8). Это говорит о том, что на базах этих транзисторов поддерживается одинаковый потенциал. N резисторов (9, …, 9), включенных в эмиттерные цепи N транзисторов (8, …, 8), обеспечивают равенство токов каждого из N транзисторов (8, …, 8). Напряжение смещения на базах N транзисторов (8, …, 8) выбирается таким, чтобы напряжения на коллекторе N+2-го транзистора 10 было бы больше напряжения на базе этого же транзистора, что исключит работу этого транзистора в режиме насыщения и соответственно обеспечит работу устройства на высоких частотах.
1
N
В коллекторные цепи N транзисторов (8, …, 8) включены колебательные контура, каждый из которых настроен на свою резонансную частоту и при этом обладает своей избирательностью.
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
При подаче шума, по свойствам близкого к белому шуму, на вход 14 многоканального формирователя шумового сигнала в коллекторной цепи N+2-го транзистора 10 происходит изменение тока в соответствии с изменениями шумового сигнала на входе устройства 14. Этот ток, включающий спектральные составляющие входного сигнала, протекая через N резисторов (9, …, 9), распределяется между эмиттерами N транзисторов (8, …, 8). В коллекторных цепях N транзисторов (8, …, 8) появляются переменные токи, включающие спектральные составляющие шумового сигнала, который прикладывается к входу устройства 14. За счет избирательных свойств колебательных контуров, являющихся нагрузочными элементами N транзисторов (8, …, 8), происходит формирование усиленного напряжений шумовых сигналов на выходах (16, …, 16) устройства, где центральные частоты шумового сигнала равны резонансным частотам колебательных контуров, а спектральный состав шумовых напряжений определяется избирательностями колебательных контуров.
Для примера на фиг. 2 представлены диаграммы спектральных составляющих шумового сигнала, где обеспечен разнос резонансных частот колебательных контуров на 10 МГц, а на фиг. 3 – разнос резонансных частот колебательных контуров составляет 30 МГц.
1
N
1
N
Шумовой сигнал, прикладываемый к входу устройства 14, близок к белому шуму. Это говорит о том, что его среднее значение (математическое ожидание) равно нулю. Соответственно на переменном токе суммарные изменения токов базы N транзисторов (8, …, 8) также будет стремиться к нулю. Это говорит о том, что дополнительный ток (1) может быть существенно снижен. Кроме этого, наличие N+1-го конденсатора 2, за счет заряда, накапливаемого в нем, обеспечивает постоянство потенциала баз N транзисторов (8, …, 8) на переменном токе, что также способствует снижению мощности, потребляемой многоканальным формирователем шумового сигнала.
Таким образом, в многоканальном формирователе шумового сигнала обеспечивается формирование N узкополосных шумовых сигналов в заданных диапазонах частот при сниженном потреблении мощности.