ФОРМИРОВАТЕЛЬ ШУМОВОГО СИГНАЛА

Предполагаемая 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.
ш
0
0
0
Известно устройство формирователя модуляционных шумовых сигналов (Куприянов А.И. Радиоэлектронная борьба / А.И. Куприянов. - М.: Вузовская книга, 2013, с. 124, рис. 6.7), включающее амплитудный модулятор, который формирует амплитудно-модулированный сигнал и генератор шума. На первый вход амплитудного модулятора подается гармонический сигнал. Выход генератора шума соединен со вторым входом амплитудного модулятора, на который подается шумовой сигнал ξ(t). Выход амплитудного модулятора является выходом устройства. В формирователе модуляционных шумовых сигналов осуществляется модуляция гармонического сигнала шумовым сигналом. В результате этой модуляции формируется шумовой сигнал, включающий верхнюю боковую полосу (ƒ>ƒ, где ƒ - частота изменения гармонического сигнала, а ƒ - текущая частота) и нижнюю боковую полосу (ƒ<ƒ).
Признаками аналога, совпадающими с признаками заявляемого технического решения, является наличие амплитудного модулятора и генератора шума.
0
0
ш.н
0
ш.н
ш.н
К недостаткам аналога можно отнести следующее. При модуляции гармонического сигнала шумовым сигналом появляется функциональная связь фаз спектральных составляющих на верхних и нижних боковых полосах. В связи с этим боковые полосы в спектре шумового сигнала на выходе амплитудного модулятора оказываются коррелированными (Куприянов А.И. Радиоэлектронная борьба / А.И. Куприянов. - М.: Вузовская книга, 2013, с. 125, 4 абзац). В соответствии с этим существует принципиальная возможность для эффективной защиты от подобного шумового сигнала. Кроме этого можно отметить и другие недостатки, свойственные данному формирователю модуляционных шумовых сигналов: во-первых, сильная неравномерность спектральной плотности амплитуд шумового сигнала в окрестности частоты ƒ гармонического сигнала, что следует из спектрограммы амплитудно-модулированного сигнала (Основы теории радиоэлектронной борьбы / Под ред. Н.Ф. Николенко - М.: Военное издательство, 1987. - с. 111, рис. 6.3, б); во-вторых, в шумовом сигнале на выходе формирователя модуляционных шумовых сигналов в диапазоне частот от ƒ-ƒ до ƒ+ƒ будут отсутствовать спектральные составляющие шума (ƒ - низшая частота, на которой имеется спектральная составляющая шума на выходе генератора шума), что обусловлено принципом формирования амплитудно-модулированных сигналов; в-третьих, отсутствует регулировка ширины спектра шумового сигнала на выходе амплитудного модулятора, что снижает электромагнитную совместимость подобного устройства.
Известно устройство для создания помех радиолокационным станциям (Патент 2217874 RU, МПК H04K 3/00, Блохин В.П. (РФ), Володин А.В. (РФ), Дятлов А.П. (РФ), Поляниченко В.П., опубл. 27 ноября 2003 г.). В этом устройстве формирователь шумового сигнала включает балансный модулятор, являющийся разновидностью амплитудного модулятора, в выходном сигнале которого отсутствует спектральная составляющая несущего колебания, и генератора шума. На первый вход балансного модулятора с выхода усилителя высоких частот поступает гармонический сигнал, а на второй вход балансного модулятора поступает шумовой сигнал. С выхода балансного модулятора снимается шумовой сигнал, полученный модуляционным способом и имеющий ширину спектра достаточную для подавления сигнала радиолокационной станции.
Признаками аналога, совпадающими с признаками заявляемого технического решения, является наличие балансного модулятора и генератора шума.
0
0
ш.н
0
ш.н
ш.н
К недостаткам аналога следует отнести следующее. В результате модуляции гармонического сигнала шумовым сигналом существует функциональная связь фаз спектральных составляющих верхней и нижней боковых полос амплитудно-модулированного сигнала. Это приводит к тому, что боковые полосы в спектре шумового сигнала на выходе балансного модулятора оказываются коррелированными (Куприянов А.И. Радиоэлектронная борьба / А.И. Куприянов. - М.: Вузовская книга, 2013, с. 125, 4 абзац). В соответствии с этим существует принципиальная возможность для эффективной защиты от подобного шумового сигнала. Кроме этого можно отметить и другие недостатки, свойственные данному формирователю модуляционных шумовых сигналов: во-первых, сильная неравномерность спектральной плотности амплитуд шумового сигнала в окрестности частоты ƒ гармонического сигнала, что следует из спектрограммы амплитудно-модулированного сигнала (Основы теории радиоэлектронной борьбы /Под ред. Н.Ф. Николенко - М.: Военное издательство, 1987. - с. 111, рис. 6.3, б); во-вторых, в шумовом сигнале на выходе формирователя модуляционных шумовых сигналов в диапазоне частот от ƒ-ƒ до ƒ+ƒ будут отсутствовать спектральные составляющие шума (ƒ - низшая частота, на которой имеется спектральная составляющая шума на выходе генератора шума), что обусловлено принципом формирования амплитудно-модулированных сигналов; в-третьих, отсутствует регулировка ширины спектра шумового сигнала на выходе амплитудного модулятора, что снижает электромагнитную совместимость подобного устройства.
Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к заявляемому является формирователь шумового сигнала (Патент на полезную модель 193698, МПК Н03В 29/00, H04K 3/00, Землянухин П.А. (РФ), Очиров Ц.В., опубл. 11.11.2019 Бюл. №32). Формирователь шумового сигнала включает генератор шума, амплитудный модулятор, первую цепь избирательную по частоте, вторую цепь избирательную по частоте, блок задания уровня шумового сигнала и аналоговый сумматор. Выход генератора шума соединен с первыми входами первой цепи избирательной по частоте и второй цепи избирательной по частоте, выход первой цепи избирательной по частоте соединен с первым входом амплитудного модулятора и со входом блока задания уровня шумового сигнала, выход второй цепи избирательной по частоте соединен со вторым входом амплитудного модулятора, выход блока задания уровня шумового сигнала соединен с первым входом аналогового сумматора, выход амплитудного модулятора соединен со вторым входом аналогового сумматора, выход аналогового сумматора является выходом формирователя шумового сигнала, вторые входы первой и второй цепей избирательных по частоте являются соответственно первым и вторым входами формирователя шумового сигнала для подачи сигналов управления центральными частотами первой и второй цепей избирательных по частоте. С выхода формирователя шумового сигнала снимается шумовой сигнал, полученный модуляционным методом.
Признаками прототипа, совпадающими с признаками заявляемого технического решения, является наличие первого амплитудного модулятора, генератора шума, первой цепи избирательной по частоте, второй цепи избирательной по частоте и аналогового сумматора.
Прототипу свойственны следующие недостатки.
При формировании шумового сигнала с применением модуляционного метода (используется амплитудная модуляция) несмотря на то, что в качестве несущего колебания и модулирующего сигнала используются узкополосные (квазигармонические) шумовые сигналы, которые формируются первой и второй цепями избирательными по частоте, происходит снижение амплитуд спектральных составляющих шумового сигнала в окрестности центральной частоты шумового сигнала, играющего роль несущего колебания. В прототипе для преодоления этого недостатка использован блок задания уровня шумового сигнала, который передает шум с выхода первой цепи избирательной по частоте на первый вход аналогового сумматора. Это позволяет наложить спектральные составляющие шума, поступающего с выхода первой цепи избирательной по частоте, на спектральные составляющие шумового сигнала, полученного в процессе амплитудной модуляции, и частично решить проблему по выравниванию амплитуд спектральных составляющих шумового сигнала на выходе формирователя шумового сигнала. Однако ширина спектра шума на выходе первой цепи избирательной по частоте фиксирована и определяется добротностью первой цепи избирательной по частоте. Это приводит к тому, что на выходе формирователя шумового сигнала на частотах близких к центральной частоте первой цепи избирательной по частоте будет частично наблюдаться снижение амплитуд (неравномерность спектра) спектральных составляющих шумового сигнала. Эта неравномерность амплитуд спектральных составляющих шумового сигнала будет сильно проявляться с ростом центральной частоты шума на выходе второй цепи избирательной по частоте (управление шириной спектра на выходе формирователя шумового сигнала), поскольку в этом случае спектральные плотности амплитуд нижней и верхней боковых полос амплитудно-модулированного сигнала будут отодвигаться от центральной частоты несущего колебания, поступающего на первый амплитудный модулятор с выхода первой цепи избирательной по частоте.
Технический результат формирователя шумового сигнала заключается в повышении линейности спектральной плотности амплитуд шумового сигнала в заданном и регулируемом диапазоне частот, в котором осуществляется формирование шумового сигнала, с увеличением ширины спектра шумового сигнала на выходе устройства.
Доказательство наличия причинно-следственной связи между заявляемой совокупностью признаков и достигаемым техническим результатом приводится далее.
Для достижения технического результата в известное устройство дополнительно введены: третья цепь избирательная по частоте и второй амплитудный модулятор.
Технический результат достигается тем, что в формирователь шумового сигнала, содержащий генератор шума 1, первую цепь избирательную по частоте 2, вторую цепь избирательную по частоте 3, первый амплитудный модулятор 5 и аналоговый сумматор 6, где выход генератора шума 1 соединен с первыми входами первой цепи избирательной по частоте 2 и второй цепи избирательной по частоте 3, выход первой цепи избирательной по частоте 2 соединен с первым входом первого амплитудного модулятора 5, выход второй цепи избирательной по частоте 3 соединен с вторым входом первого амплитудного модулятора 5, выход первого амплитудного модулятора 5 соединен с вторым входом аналогового сумматора 6, выход аналогового сумматора 6 является выходом 9 устройства, второй вход первой цепи избирательной по частоте 2 является первым входом 7 устройства и служит для подачи сигнала управления центральной частотой первой цепи избирательной по частоте 2, второй вход второй цепи избирательной по частоте 3 является вторым входом 8 устройства и служит для подачи сигнала управления центральной частотой второй цепи избирательной по частоте 3, введены третья цепь избирательная по частоте 10 и второй амплитудный модулятор 4, причем первый вход третьей цепи избирательной по частоте 10 соединен с выходом генератора шума 1, выход третьей цепи избирательной по частоте 10 соединен с первым входом второго амплитудного модулятора 4, второй вход второго амплитудного модулятора 4 соединен с выходом второй цепи избирательной по частоте 3, выход второго амплитудного модулятора 4 соединен с первым входом аналогового сумматора 6, второй вход третьей цепи избирательной по частоте 10 является третьим управляющим входом 11 и служит для подачи сигнала управления центральной частотой третьей цепи избирательной по частоте 3.
Сущность предлагаемого устройства поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлена схема электрическая структурная формирователя шумового сигнала.
На фиг. 2 представлены диаграммы спектральных составляющих сигналов на выходах второй цепи избирательной по частоте (фиг. 2, а), первой цепи избирательной по частоте (фиг. 2, б), третьей цепи избирательной по частоте (фиг. 2, в) и на выходе формирователя шумового сигнала (фиг. 2, г).
Диаграммы, представленные на фиг. 2, получены моделированием одного из возможных вариантов схемотехнической реализации формирователя шумового сигнала (фиг. 1). Моделирование выполнено с использованием программы схемотехнического моделирования Micro-Cap 9.
Формирователь шумового сигнала содержит генератор шума 1, первый амплитудный модулятор 5, второй амплитудный модулятор 4, первую цепь избирательную по частоте 2, вторую цепь избирательную по частоте 3, третью цепь избирательную по частоте 10 и аналоговый сумматор 6. Выход генератора шума 1 соединен с первыми входами первой цепи избирательной по частоте 2, второй цепи избирательной по частоте 3 и третьей цепи избирательной по частоте 10, выход первой цепи избирательной по частоте 2 соединен с первым входом первого амплитудного модулятора 5, выход второй цепи избирательной по частоте 3 соединен со вторыми входами первого амплитудного модулятора 5 и второго амплитудного модулятора 4, выход третьей цепи избирательной по частоте 10 соединен с первым входом второго амплитудного модулятора 4, выход первого амплитудного модулятора 5 соединен с вторым входом аналогового сумматора 6, выход второго амплитудного модулятора 4 соединен с первым входом аналогового сумматора 6, выход аналогового сумматора 6 является выходом 9 устройства. Второй вход первой цепи избирательной по частоте 2 является первым входом 7 устройства и служит для подачи сигнала управления центральной частотой первой цепи избирательной по частоте 2. Второй вход второй цепи избирательной по частоте 3 является вторым входом 8 устройства и служит для подачи сигнала управления центральной частотой второй цепи избирательной по частоте 3. Второй вход третьей цепи избирательной по частоте 10 является третьим входом 11 и служит для подачи сигнала управления центральной частотой третьей цепи избирательной по частоте 10.
Работает формирователь шумового сигнала следующим образом.
01
02
03
01
02
03
01
1
2
3
В генераторе шума 1 формируется «белый шум» в диапазоне частот от очень низких до частот, превышающих частоты работы заявляемого формирователя шумового сигнала. С выхода генератора шума 1 «белый шум» поступает на входы первой цепи избирательной по частоте 2, второй цепи избирательной по частоте 3 и третьей цепи избирательной по частоте 10. В качестве первой цепи избирательной по частоте 2, второй цепи избирательной по частоте 3 и третьей цепи избирательной по частоте 10 могут быть использованы, например, последовательный или параллельный колебательные контура. Резонансные частоты первой цепи избирательной по частоте 2, второй цепи избирательной по частоте 3 и третьей цепи избирательной по частоте соответственно равны ƒ, ƒ и ƒ, где ƒ>ƒ, ƒ>ƒ. Добротности этих цепей избирательных по частоте соответственно равны Q, Q и Q.
Тогда диапазон частот, в котором по уровню 0,707 будут выделяться спектральные составляющие шумового сигнала первой цепью избирательной по частоте 2, будет равен:
Диапазон частот, в котором по уровню 0,707 будут выделяться спектральные составляющие шумового сигнала второй цепью избирательной по частоте 3, будет равен:
Для третьей цепи избирательной по частоте 10 диапазон частот, в котором по уровню 0,707 будут выделяться спектральные составляющие шумового сигнала, будет равен:
max.1
min.1
Соответственно для первой цепи избирательной по частоте 2 по уровню 0,707 максимальная и минимальная частоты (ƒ и ƒ) работы равны:
max.1
01
1
min.1
01
1
ƒ=ƒ+Δƒ; ƒ=ƒ-Δƒ.
max.2
min.2
Для второй цепи избирательной по частоте 3 по уровню 0,707 максимальная и минимальная частоты (ƒ и ƒ) работы равны:
max.2
02
2
min.2
02
2
ƒ=ƒ+Δƒ; ƒ=ƒ-Δƒ.
max.3
min.3
Для третьей цепи избирательной по частоте 10 по уровню 0,707 максимальная и минимальная частоты (ƒ и ƒ) работы равны:
max.3
03
3
min.3
03
3
ƒ=ƒ+Δƒ; ƒ=ƒ-Δƒ.
Выделенные первой цепью избирательной по частоте 2 спектральные составляющие шума поступают на первый вход первого амплитудного модулятора 5. Выделенные третьей цепью избирательной по частоте 10 спектральные составляющие шума поступают на первый вход второго амплитудного модулятора 4. Выделенные второй цепью избирательной по частоте 3 спектральные составляющие шума поступают на вторые входы первого 5 и второго 4 амплитудных модуляторов.
АМ.H
01
1
02
02
AM.B
01
1
02
2
В первом амплитудном модуляторе 5 формирование сигнала на выходе осуществляется путем перемножения входных сигналов, поступающих с выходов первой 2 и второй 3 цепей избирательных по частоте. В соответствии с этим в заявляемом устройстве каждая спектральная составляющая сигнала, поступающего с выхода первой цепи избирательной по частоте 2 на первый вход первого амплитудного модулятора 5, будет перемножаться с каждой спектральной составляющей сигнала, поступающего с выхода второй цепи избирательной по частоте 3 на второй вход первого амплитудного модулятора 5. В результате этого на выходе первого амплитудного модулятора 5 формируется амплитудно-модулированный сигнал, включающий верхнюю и нижнюю боковые полосы в диапазоне частот от ƒ=ƒ-Δƒ-ƒ-Δƒ до ƒ=ƒ+Δƒ+ƒ+Δƒ. В результате этого ширина спектра шумового сигнала на выходе первого амплитудного модулятора 5 равна:
AM
AM.B
AM.H
02
1
2
Δƒ=ƒ-ƒ=2(ƒ+Δƒ+Δƒ).
Можно видеть, что ширина спектра амплитудно-модулированного сигнала на выходе первого амплитудного модулятора 5 напрямую зависит от резонансной частоты второй цепи избирательной по частоте 3. Таким образом, подавая управляющий сигнал 8 на второй вход второй цепи избирательной по частоте 3, обеспечивается управление шириной спектра амплитудно-модулированного сигнала на выходе первого амплитудного модулятора 5.
01
02
01
02
02
1
2
01
1
02
01
1
02
Однако, следует отметить, что спектральные составляющие шума нижней и верхней боковых полос будут располагаться в окрестности частот: для нижней боковой полосы эта частота равна ƒ-ƒ, а для верхней боковой полосы эта частота равна ƒ+ƒ. Тогда, когда частота ƒ будет больше частоты Δƒ-Δƒ, в диапазоне частот от ƒ-Δƒ+ƒ до ƒ+Δƒ-ƒ будет наблюдаться резкое снижение амплитуд спектральных составляющих шума на выходе первого амплитудного модулятора 5.
03
1
2
Для преодоления этого в заявляемом устройстве используется третья цепь избирательная по частоте 10 и второй амплитудный модулятор 4. На первый вход второго амплитудного модулятора 4 поступает сигнал с выхода третьей избирательной цепи 10. Резонансная частота ƒ третьей избирательной цепи 10 выбрана больше резонансной частоты первой избирательной цепи 2 на величину (Δƒ-Δƒ)/2. Соответственно резонансная частота третьей избирательной цепи будет равна
Амплитудно-модулированные сигналы с выходов первого 5 и второго 4 амплитудных модуляторов поступают на второй и первый входы аналогового сумматора 6. Учитывая распределение спектров нижних и верхних боковых полос на выходах первого 5 и второго 4 амплитудных модуляторов, на выходе аналогового сумматора 6 спектр нижней боковой полосы сигнала на выходе второго аналогового модулятора 4 расположится между спектрами нижней и верхней боковых полос сигнала на выходе первого амплитудного модулятора 5. Это компенсирует спад амплитуд спектральных составляющих шумового сигнала в диапазоне частот между спектрами нижней и верхней боковых полос, формируемых на выходе первого амплитудного модулятора 5, обеспечив тем самым линейность спектра шумового сигнала на выходе аналогового сумматора 6 и соответственно на выходе 9 формирователя шумового сигнала.
Верхняя боковая полоса спектра шума, формируемого на выходе второго амплитудного модулятора 4, на выходе аналогового сумматора 6 и соответственно на выходе формирователя шумового сигнала расположится справа от спектра верхней боковой полосы шума, формируемого на выходе первого амплитудного модулятора 5. Это позволяет расширить полосу частот, в которой формируется шумовой сигнал на выходе устройства 9, не нарушая линейности спектра и спектральной плотности энергетического потенциала шумового сигнала на выходе заявляемого формирователя шумового сигнала.