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) с целью предотвращения несанкционированного считывания информации, излучаемой по каналам ПЭМИН; 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
К недостаткам аналога можно отнести следующее. В результате 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 амплитуд спектральной плотности 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, 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 Н04K 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 (23), являющийся разновидностью амплитудного модулятора, в выходном сигнале которого отсутствует спектральная составляющая несущего колебания, и генератора шума (26). На первый вход балансного модулятора с выхода усилителя высоких частот (22) 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
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 амплитуд спектральной плотности 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, 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 устройство формирования ответных помех радиолокационным станциям (Патент 2237372 RU, МПК Н04K 3/00, Вернигора В.Н. (РФ), Володин А.В. (РФ), Дятлов А.П. (РФ), Поляниченко В.П., опубл. 27 сентября 2004 г). В этом устройстве формирователь шумового сигнала включает балансный модулятор 26, являющийся разновидностью амплитудного модулятора, в выходном сигнале которого отсутствует спектральная составляющая несущего колебания, и генератор шума 29. На первый вход балансного модулятора с выхода усилителя высоких частот 25 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 опознанной радиолокационной станции.
Признаками прототипа, совпадающими с признаками заявляемого технического решения, является наличие балансного модулятора и генератора шума.
Прототипу свойственны следующие недостатки.
0
При модуляции гармонического сигнала шумовым сигналом возникает 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 результате этого существует принципиальная возможность для обеспечения эффективной защиты от подобного шумового сигнала. Кроме этого, можно отметить и другие недостатки, свойственные данному формирователю модуляционных шумовых сигналов: во-первых, существует сильная неравномерность амплитуд спектральной плотности 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, отсутствует регулировка ширины спектра шумового сигнала на выходе амплитудного модулятора, что с одной стороны снижает электромагнитную совместимость подобного устройства, а с другой стороны может снизить качество подавления сигнала опознанной радиолокационной станции.
Технический результат формирователя шумового сигнала состоит в формировании шумового сигнала с повышенной спектральной плотностью энергетического потенциала в заданном и регулируемом диапазоне частот.
Доказательство наличия причинно-следственной связи между заявляемой совокупностью признаков и достигаемым техническим результатом приводится далее.
Для достижения технического результата в известное устройство дополнительно введены: первая цепь избирательная по частоте, вторая цепь избирательная по частоте, блок задания уровня шумового сигнала и аналоговый сумматор.
Технический результат достигается тем, что в формирователь шумового сигнала, содержащий генератор шума 1 и амплитудный модулятор 5, введены первая цепь избирательная по частоте 2, вторая цепь избирательная по частоте 3, блок задания уровня шумового сигнала 4 и аналоговый сумматор 6, причем 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 амплитудного модулятора 5 и со входом блока задания уровня шумового сигнала 4, выход второй цепи избирательной по частоте 3 соединен со вторым входом амплитудного модулятора 5, выход блока задания уровня шумового сигнала 4 соединен с первым входом аналогового сумматора 6, выход амплитудного модулятора 5) соединен со вторым входом аналогового сумматора 6, выход аналогового сумматора 6 является выходом 9 устройства, второй вход 7 первой цепи избирательной по частоте 2 и второй вход 8 второй цепи избирательной по частоте 3 служат входами для подачи сигналов управления центральными частотами первой цепи избирательной по частоте 2 и второй цепи избирательной по частоте 3.
Сущность предлагаемого устройства поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлена схема электрическая структурная формирователя шумового сигнала.
На фиг. 2 представлены амплитуды спектральной плотности сигналов на выходах первой цепи избирательной по частоте (верхняя диаграмма), второй цепи избирательной по частоте (средняя диаграмма) и на выходе формирователя шумового сигнала (нижняя диаграмма).
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, амплитудный модулятор 5, первую цепь избирательную по частоте 2, вторую цепь избирательную по частоте 3, блок задания уровня шумового сигнала 4 и аналоговый сумматор 6. 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 амплитудного модулятора 5 и со входом блока задания уровня шумового сигнала 4, выход второй цепи избирательной по частоте 3 соединен со вторым входом амплитудного модулятора 5, выход блока задания уровня шумового сигнала 4 соединен с первым входом аналогового сумматора 6, выход амплитудного модулятора 5 соединен со вторым входом аналогового сумматора 6, выход аналогового сумматора 6 является выходом 9 устройства, второй вход 7 первой цепи избирательной по частоте 2 и второй вход 8 второй цепи избирательной по частоте 3 служат входами для подачи сигналов управления центральными частотами первой цепи избирательной по частоте 2 и второй цепи избирательной по частоте 3.
Работает формирователь шумового сигнала следующим образом.
01
02
01
02
1
2
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 и второй цепи избирательной по частоте 3. В качестве первой цепи избирательной по частоте 2 и второй цепи избирательной по частоте 3 могут быть использованы, например, последовательный или параллельный колебательные контура. Резонансные частоты первой цепи избирательной по частоте 2 и второй цепи избирательной по частоте 3 соответственно равны ƒи ƒ, где ƒ>ƒ. Добротности этих цепей избирательных по частоте соответственно равны 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:
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
f=ƒ+Δƒ; f=ƒ-Δƒ.
Выделенные первой цепью избирательной по частоте 2 спектральные составляющие шума поступают на первый вход амплитудного модулятора 5 и на вход блока задания уровня шумового сигнала 4. Выделенные второй цепью избирательной по частоте 3 спектральные составляющие шума поступают на второй вход амплитудного модулятора 5.
АМ.Н
01
1
02
02
АМ.В
01
1
02
2
В амплитудном модуляторе 5 формирование сигнала на выходе осуществляется путем перемножения входных сигналов. В соответствии с этим в заявляемом устройстве каждая спектральная составляющая сигнала, поступающего с выхода первой цепи избирательной по частоте 2 на первый вход амплитудного модулятора 5, будет перемножаться с каждой спектральной составляющей сигнала, поступающего с выхода второй цепи избирательной по частоте 3 на второй вход амплитудного модулятора 5. В результате этого на выходе 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 амплитудного модулятора 5 равна:
Можно видеть, что ширина спектра амплитудно-модулированного сигнала на выходе 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 амплитудного модулятора 5 и выходе 9 всего устройства в целом.
Подавая управляющий сигнал 7 на второй вход первой цепи избирательной по частоте 2, обеспечивается изменение резонансной частоты первой цепи избирательной по частоте 2 и соответственно сдвиг по частоте (в сторону увеличения, либо уменьшения частоты), что позволяет расположить шумовую помеху в заданном диапазоне частот.
01
02
01
02
Относительно повышения спектральной плотности энергетического потенциала шумового сигнала в заявляемом формирователе шумового сигнала можно отметить следующее. Пусть резонансные частоты первой цепи ƒ избирательной по частоте 2 и второй цепи ƒ избирательной по частоте 3 отличаются в 10 раз, при этом выполняется условие ƒ>ƒ. Добротности избирательных цепей пусть равны между собой и имеют величину Q=5. Число спектральных составляющих, выделяемых первой цепью избирательной по частоте 2, равно n, а число спектральных составляющих, выделяемых второй цепью избирательной по частоте 3, равно m. Тогда, в соответствии с выражениями (1-3), можно записать:
В этом случае уширение спектра шумового сигнала на выходе устройства в соответствии с (4)-(6) равно
Поскольку отношение ширин спектра второй цепи избирательной по частоте 3 и первой цепи избирательной по частоте 2 отвечает условию  то количество спектральных составляющих, выделяемых второй цепью избирательной по частоте, будет равно m=0,1 n.
2
В амплитудном модуляторе 5 формирование сигнала на выходе осуществляется путем перемножения двух входных сигналов, где каждая спектральная составляющая сигнала, поступающего с выхода первой цепи избирательной по частоте 2 на первый вход амплитудного модулятора 5, будет перемножаться с каждой спектральной составляющей сигнала, поступающего с выхода второй цепи избирательной по частоте 3 на второй вход амплитудного модулятора 5. В результате этого на выходе амплитудного модулятора 5 формируется амплитудно-модулированный сигнал с числом спектральных составляющих k=n⋅m=2n⋅0,1n=0,2n.
01
Тогда, согласно (7) число спектральных составляющих, присутствующих в спектре шумового сигнала, отнесенных к ширине спектра Δƒ первой цепи избирательной по частоте 2, равно
В формирователе шумового сигнала используется «белый шум», имеющий равномерную и высокую плотность спектральных составляющих на единицу частоты. Для рассматриваемого примера примем, например, n=5; n=10. Для первого случая будем иметь, что N=1,56, а для второго случая - N=6,25.
Таким образом, при n=10 спектральная плотность энергетического потенциала шумового сигнала на выходе устройства повышается в 6,25 раз. На практике исходное число спектральных составляющих шума будет еще выше, соответственно, выше будет и спектральная плотность энергетического потенциала шумового сигнала на выходе устройства.
С выхода амплитудного модулятора 5 шумовой сигнал поступает на второй вход аналогового сумматора 6, а с выхода блока задания уровня шумового сигнала 4 шумовой сигнал подается на первый вход аналогового сумматора 6. Блок задания уровня шумового сигнала 4 передает шум с выхода первой цепи избирательной по частоте 2, обеспечивая понижение амплитуд спектральных составляющих шума до уровня амплитуд спектральных составляющих шума, поступающих с амплитудного модулятора 5. Спектральные составляющие шума, поступающие с блока задания уровня шумового сигнала 4, размещаются в окрестности центральной частоты амплитудно-модулированного сигнала, равной резонансной частоте первой цепи избирательной по частоте 2, обеспечивая равномерность распределения спектра амплитуд шумового сигнала на выходе 9 формирователя шумового сигнала.
Таким образом, доказана практическая реализуемость заявляемого устройства формирователя шумового сигнала.
Промышленная применимость этого устройства возможна в технике формирования радиосигналов и может быть использована при разработке и модернизации генераторов шума для маскирования побочных электромагнитных излучений и наводок с целью предотвращения несанкционированного считывания информации, излучаемой по каналам ПЭМИН; станций помех линиям радиосвязи. Обеспечение формирования шумового сигнала с повышенной спектральной плотностью энергетического потенциала в заданном и регулируемом диапазоне частот позволяет с одной стороны повысить качество шумового сигнала, а с другой стороны строить генераторы шумового сигнала для маскирования ПЭМИН по многоканальной схеме с расширенным диапазоном рабочих частот.